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大型海上浮動(dòng)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法研究 來(lái)源：杰晟企劃部 發(fā)布時(shí)間：2016/8/22 2013年10月16日下午，北京國(guó)際風(fēng)能暨展覽會(huì)——風(fēng)電機(jī)組技術(shù)
。金風(fēng)公司李榮富先生做大型海上浮動(dòng)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法研究。以下是全文：李榮富：各位下午好
，很高興利用這個(gè)機(jī)會(huì)跟大家分享一下我們公司在海上浮動(dòng)式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)。我的報(bào)告分4方面的內(nèi)容，第一就是浮動(dòng)式風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)背景，第二浮動(dòng)式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的相應(yīng)方法流程以及依據(jù)的規(guī)范，第三浮動(dòng)式基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中涉及的一些關(guān)鍵技術(shù)，第四根據(jù)目前的設(shè)計(jì)方法，我們進(jìn)行的實(shí)際設(shè)計(jì)。首先看一下背景，海上浮動(dòng)式風(fēng)機(jī)，我總結(jié)了一下有四大優(yōu)勢(shì)
，風(fēng)電的發(fā)展是從陸上慢慢向海上過(guò)渡的過(guò)程，海上這塊又可以細(xì)分成兩個(gè)大的方面，第一個(gè)就是潛水式的這種，在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是60米水深范圍內(nèi)，還有一個(gè)遠(yuǎn)海深水區(qū)域，超過(guò)60米水深范圍的，在深遠(yuǎn)海的區(qū)域，風(fēng)資源非常的豐富，根據(jù)目前的研究結(jié)果，陸上的風(fēng)能儲(chǔ)備是小于海上的，海上大概有百分之六七十集中在深海。當(dāng)然可能深海這塊，因?yàn)橛幸恍╇x岸距離比較遠(yuǎn)，但是目前探明的，根據(jù)一些測(cè)試數(shù)據(jù)，深海風(fēng)能資源是非常豐富的。第二個(gè)在目前的話(huà)，人類(lèi)越來(lái)越注重環(huán)境保護(hù)，離岸距離遠(yuǎn)，可以減少視覺(jué)沖擊，以及風(fēng)機(jī)運(yùn)行的噪音對(duì)人類(lèi)活動(dòng)的影響，總體來(lái)說(shuō)是就是環(huán)境的影響會(huì)降到比較小的程度。
第三個(gè)整個(gè)浮動(dòng)式風(fēng)機(jī)跟傳統(tǒng)的固定式海上風(fēng)機(jī)不一樣，它是建立在浮動(dòng)式可移動(dòng)的基礎(chǔ)上，那么它的機(jī)動(dòng)性能比較好，這樣在大部件需要更換的時(shí)候，可以回港，進(jìn)行更換。如果風(fēng)廠在預(yù)報(bào)的臺(tái)風(fēng)路徑經(jīng)過(guò)的區(qū)域，我們可以跟稀薄系統(tǒng)解脫脫回港口避風(fēng)。
第四個(gè)相比較傳統(tǒng)的裝基礎(chǔ)和固定式的基礎(chǔ)安裝成本是比較低，在海上風(fēng)電分3個(gè)區(qū)域，0-30米是淺水，30-60米是過(guò)渡區(qū)域，超過(guò)60米水深范圍內(nèi)，傳統(tǒng)的固定性機(jī)組成本上升非�？�，浮動(dòng)式成本優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)了。((((
根據(jù)目前從功能實(shí)現(xiàn)角度來(lái)說(shuō)，目前我們?cè)陉懮巷L(fēng)電和海上風(fēng)電積累的經(jīng)驗(yàn)，以及海洋工程積累的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)式海上風(fēng)電技術(shù)上是沒(méi)有問(wèn)題的
。市場(chǎng)潛力是比較大的。這個(gè)是意大利EC2009年做的調(diào)查，儲(chǔ)量是非常豐富的，主要在美國(guó)東海岸，西海岸和日本海域，和英國(guó)的海域，以及北海海域，波羅的海，地中海，都有比較大的深海風(fēng)能資源的儲(chǔ)備。左邊這個(gè)表是中山大學(xué)做的一個(gè)統(tǒng)計(jì)，從這個(gè)里面可以看出，傳統(tǒng)上認(rèn)為，我國(guó)海域大陸架是比較緩的，深水區(qū)也是比較小的，但是根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)，我們可以看到，在中國(guó)的南海區(qū)域，福建儲(chǔ)量還是非�？捎^的。從這個(gè)表上大家可以看出，左上圖是歐洲的海上風(fēng)能的分布情況，右上圖是美國(guó)情況。大家可以看到在東海岸，以及西海岸儲(chǔ)量是非常豐富的近幾年美國(guó)在浮動(dòng)式風(fēng)電方面發(fā)展政府扶持力度是非常大的。鑒衡參加了OC4，IEA主持的一系列項(xiàng)目，其中就包括浮動(dòng)式的機(jī)組的研究，他們希望在2017實(shí)現(xiàn)度電成本達(dá)到商業(yè)利用價(jià)值。下面這兩個(gè)是亞太地區(qū)和海南島周?chē)詈ｏL(fēng)能的情況。
下面再來(lái)看一下浮動(dòng)式風(fēng)機(jī)與傳統(tǒng)的我們說(shuō)的海上油氣平臺(tái)的區(qū)別。第一結(jié)構(gòu)總重量不同，相比較于采油平臺(tái)，浮動(dòng)式風(fēng)機(jī)，結(jié)構(gòu)總重量比較小，在相應(yīng)的載荷情況下，頂部加速度是比較大的
，這是一個(gè)比較大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。因?yàn)樵谒碌牟糠直容^小，所以受流動(dòng)影響比較小，我們?yōu)榱双@得比較好的風(fēng)資源，往往導(dǎo)致比較高的高度，導(dǎo)致系統(tǒng)高度比較高，這樣就帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，特別是風(fēng)機(jī)在正常額定運(yùn)行發(fā)電的時(shí)候，水力推力比較大，這樣就產(chǎn)生一個(gè)比較大的力矩。還有一個(gè)最大的問(wèn)題，跟傳統(tǒng)的海上平臺(tái)的設(shè)計(jì)不一樣，在海上平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中，更多的利用頻域的設(shè)計(jì)方法，可以進(jìn)行現(xiàn)行分析，浪和流的耦合，并不是那么的明顯。但是在浮動(dòng)式風(fēng)機(jī)這樣一個(gè)以捕捉風(fēng)能，轉(zhuǎn)換成電能的裝置，這樣的話(huà)，它的風(fēng)機(jī)整個(gè)集成和稀薄，線(xiàn)性耦合是非常明顯的，在設(shè)計(jì)過(guò)程中是不能回避的問(wèn)題。浮動(dòng)式風(fēng)機(jī)目前的現(xiàn)狀
，根據(jù)咨詢(xún)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)，目前全球有29個(gè)浮動(dòng)式風(fēng)機(jī)項(xiàng)目，主要是歐洲16個(gè)，美國(guó)4個(gè)，日本9個(gè)，有兩個(gè)實(shí)尺度浮動(dòng)式風(fēng)機(jī)樣機(jī)。在2011年的年底，在葡萄牙那邊用了windfloat的技術(shù)，基于海上平臺(tái)的浮動(dòng)式基礎(chǔ)，主要有三方面，spar，tlp，semi，spar是主要的，tlp是小尺度的。這個(gè)是目前典型的浮動(dòng)式風(fēng)級(jí)項(xiàng)目的詳細(xì)情況，包括里面采用的基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方案，風(fēng)機(jī)制造商和項(xiàng)目的狀態(tài)。通過(guò)這些可以給我們傳遞一個(gè)信息
，海上風(fēng)電的時(shí)代來(lái)了，浮動(dòng)式海上風(fēng)電正在醞釀，并且在未來(lái)幾年，很可能在2015年，到2020年期間會(huì)出現(xiàn)小批量的浮動(dòng)式的項(xiàng)目。下面來(lái)看一下浮動(dòng)式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方面的設(shè)計(jì)方法
，設(shè)計(jì)流程。根據(jù)我們傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，我們可以把固定式海上風(fēng)機(jī)跟海上的浮動(dòng)式平臺(tái)1加1，但是1加1帶來(lái)的問(wèn)題，有很多需要細(xì)化解決的問(wèn)題，不是簡(jiǎn)單的疊加。我們需要把浮動(dòng)式風(fēng)機(jī)分成三個(gè)部分，一個(gè)是機(jī)頭，浮動(dòng)基礎(chǔ)，系泊系統(tǒng)，浮動(dòng)風(fēng)機(jī)，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，可以借助目前的規(guī)范進(jìn)行，在風(fēng)機(jī)這塊有成熟的設(shè)計(jì)規(guī)范。根據(jù)我們常用的IEA的規(guī)范，他們陸續(xù)增加了針對(duì)海上浮動(dòng)式的海上計(jì)算工況。在機(jī)組和系泊可以沿用之前海上平臺(tái)的設(shè)計(jì)經(jīng)用，ABS和DNV針對(duì)浮動(dòng)式風(fēng)機(jī)進(jìn)行了研究，對(duì)浮動(dòng)式風(fēng)機(jī)進(jìn)行了細(xì)化。右面是一系列的在設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中需要考慮的問(wèn)題
，包括設(shè)計(jì)工況，怎么對(duì)風(fēng)浪流的設(shè)計(jì)，包括控制系統(tǒng)，安全系數(shù)，優(yōu)化等等。針對(duì)浮動(dòng)式風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)力量跟采油平臺(tái)是不一樣的，采油平臺(tái)把人員的安全和對(duì)環(huán)境的影響是放在第一位的，因?yàn)楹９∑脚_(tái)往往是海油裝置，上面會(huì)有一些人員常駐，另外出現(xiàn)破損的話(huà)，對(duì)環(huán)境污染是非常嚴(yán)重的，對(duì)成本會(huì)有一些要求，但是不會(huì)像我們開(kāi)發(fā)風(fēng)機(jī)這樣，對(duì)成本要求這么高，在安全系數(shù)方面會(huì)有不同。我們浮動(dòng)式風(fēng)機(jī)在試運(yùn)行和調(diào)試過(guò)程需要有人執(zhí)手，其他運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中不需要人執(zhí)手。這樣對(duì)我們浮動(dòng)式風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程當(dāng)中成本提供了一些可能性。這是目前針對(duì)浮動(dòng)式基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范
，目前有的是GL在2012年年底的時(shí)候，出的一個(gè)目前海上風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范的版本當(dāng)中增加了浮動(dòng)式風(fēng)機(jī)的載荷計(jì)算工況的要求，ABS和DNV兩家公司，在今年年初和年中的時(shí)候，分別出了針對(duì)浮動(dòng)式基礎(chǔ)和相應(yīng)系泊過(guò)程中的規(guī)范，為浮動(dòng)式風(fēng)機(jī)后續(xù)項(xiàng)目的開(kāi)展，提供了一些設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，以及認(rèn)證參考的規(guī)范。目前我們最權(quán)威的IEC61400-3-2是一個(gè)最規(guī)范的成本，也許明年年初的時(shí)候會(huì)出一個(gè)初稿。浮動(dòng)式機(jī)組設(shè)計(jì)流程，基于目前通用的循環(huán)設(shè)計(jì)方法，首先會(huì)根據(jù)風(fēng)機(jī)載荷的工況，給這個(gè)機(jī)組做一個(gè)輸入，完成初步設(shè)計(jì)，然后再進(jìn)行整機(jī)運(yùn)行的分析軟件進(jìn)行載荷計(jì)算，通過(guò)反復(fù)迭代之后進(jìn)行分析。分了三個(gè)工況，極限工況，疲勞工況，意外工況。這是比較重要的，也是區(qū)別于傳統(tǒng)的海上石油平臺(tái)的一個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。首先我們?cè)诟?dòng)式平臺(tái)上，要保證風(fēng)機(jī)設(shè)備正常運(yùn)行，需要滿(mǎn)足機(jī)艙和發(fā)電機(jī)的振動(dòng)加速度的要求，另外對(duì)入流角，和機(jī)械部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，對(duì)整機(jī)模態(tài)要求。通過(guò)這個(gè)圖，我們可以看到跟陸上風(fēng)機(jī)相比的區(qū)別。根據(jù)浮動(dòng)式機(jī)組的形式不同，比如說(shuō)像GLP這種
，防止一些問(wèn)題的出現(xiàn)。總體性能這邊，主要是穩(wěn)性
，以及運(yùn)用幅度和加速度的要求，這個(gè)可以沿用目前海上平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求�；A(chǔ)結(jié)構(gòu)這塊，其實(shí)在總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度這塊，跟傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)沒(méi)有太大的差別，但是在結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度這塊，需要通過(guò)整機(jī)耦合的方法得到考慮風(fēng)載引起的疲勞。后面這個(gè)是系泊系統(tǒng)
，目前ABS在指定規(guī)范的時(shí)候有一些考慮，就是系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)的到底是有冗余，還是優(yōu)化，盡量的減少成本呢?如果在風(fēng)廠當(dāng)中，系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒(méi)有冗余，過(guò)一段時(shí)間可能會(huì)產(chǎn)生漂移，這樣影響其他風(fēng)機(jī)的運(yùn)營(yíng)，這樣的話(huà)設(shè)計(jì)系泊系統(tǒng)的時(shí)候要有冗余，但是也有其他的考慮，這是根據(jù)目前的運(yùn)行情況發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)規(guī)范進(jìn)行逐步修正的過(guò)程。對(duì)整機(jī)設(shè)計(jì)分析，這個(gè)地方提的是一個(gè)集成設(shè)計(jì)，所謂的集成設(shè)計(jì)就是說(shuō)把整個(gè)的風(fēng)機(jī)以及基礎(chǔ)和系泊系統(tǒng)全部考慮在內(nèi)，而不是說(shuō)通過(guò)陸上風(fēng)機(jī)載荷，和其他載荷作為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)出入，在設(shè)計(jì)中考慮非常大的安全問(wèn)題，這樣的話(huà)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)非常的被動(dòng)，對(duì)降低成本非常的不利，這是集成設(shè)計(jì)的方面，在設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，充分考慮到氣動(dòng)，水力，控制，結(jié)構(gòu)耦合，要考慮波浪，以及氣動(dòng)力學(xué)的因素，在這里面重點(diǎn)是控制系統(tǒng)。如果風(fēng)機(jī)特有的現(xiàn)象是一個(gè)負(fù)阻尼的問(wèn)題。
其實(shí)目前為止并沒(méi)有一個(gè)大家公認(rèn)的，實(shí)際的風(fēng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)的計(jì)算工具。在這方面和美國(guó)可再生能源做了很多的工作，目前流行的軟件主要是集中在金屬和系泊系統(tǒng)建模方法上。通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)的方法去驗(yàn)證你的設(shè)計(jì)，以及校核你的載荷計(jì)算工具。
根據(jù)目前我們所掌握的方法對(duì)MW機(jī)型進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括基礎(chǔ)系泊系統(tǒng)和一些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。這個(gè)是設(shè)計(jì)的情況，這里面采用方形的半潛式浮動(dòng)基礎(chǔ)，系泊系統(tǒng)是有冗余的。通過(guò)規(guī)范校核，穩(wěn)性，系泊系統(tǒng)滿(mǎn)足完整性的要求和破損情況的要求，謝謝大家。