漂浮式海上風(fēng)電綜合解決方案能力的建設(shè)

上海電氣風(fēng)電集團(tuán)有限公司 ■ 繆駿 馬文勇

0 引言

海上風(fēng)電目前已成為我國風(fēng)電市場開發(fā)的熱點，2017年我國海上風(fēng)電新增裝機(jī)量約為1160 MW，其中，近600 MW裝機(jī)量為上海電氣風(fēng)電集團(tuán)有限公司所生產(chǎn)的產(chǎn)品。隨著近岸、淺海風(fēng)力資源的不斷開發(fā)，具有更好風(fēng)力資源的、離岸更遠(yuǎn)的深海區(qū)域即將成為下一階段的開發(fā)主戰(zhàn)場。受水深條件的影響，在深海區(qū)域固定式基礎(chǔ)已無經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，采用漂浮式基礎(chǔ)的海上風(fēng)電機(jī)組將成為該區(qū)域的必然選擇。

漂浮式海上風(fēng)電在歐洲和美國起步較早，目前已建成的樣機(jī)項目和小批量項目有歐洲的Hywind Demo、Hywind 2、Sway、Floatgen[1-2]及美國的VoltumUS。此外，在亞洲，日本也有相應(yīng)示范項目Fukushima FORWARD和GOTO FOWT。

在我國，漂浮式海上風(fēng)電同樣擁有廣闊的市場空間，我國東海、南海的水深條件均滿足大規(guī)模發(fā)展漂浮式海上風(fēng)電的條件，目前也已有部分高校和企業(yè)開展了研究性工作[3-6]。漂浮式海上風(fēng)電絕非將常規(guī)海上風(fēng)電機(jī)組簡單移植到漂浮式基礎(chǔ)之上，為實現(xiàn)其商業(yè)化推廣，必須進(jìn)一步打通資源分析、風(fēng)電機(jī)組開發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)計、施工安裝、運行維護(hù)、電力輸送、成本分析和體系認(rèn)證等各個環(huán)節(jié)。

1 資源分析

對資源的精準(zhǔn)掌握是風(fēng)電項目成功與否的關(guān)鍵。本領(lǐng)域的資源分析包含了風(fēng)資源的測量與分析和海資源的勘察與分析。漂浮式海上風(fēng)電通常應(yīng)用于深海區(qū)域，我國東海等區(qū)域的水深隨離岸距離的變化而變化，深海即為遠(yuǎn)海。如何在深遠(yuǎn)海域進(jìn)行低成本高效率的風(fēng)能資源測量，以及如何獲取并利用海況條件、海床地質(zhì)等信息均是漂浮式海上風(fēng)電發(fā)展所需解決的首要問題。

2 風(fēng)電機(jī)組開發(fā)

有別于常規(guī)的固定式海上風(fēng)電，漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)部分始終處于三維運動狀態(tài)，海浪與風(fēng)的耦合效果對機(jī)組影響更加明顯。浮動的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)所帶來的俯仰搖擺、移動升降及旋轉(zhuǎn)偏航等運動與各種風(fēng)況、工況相耦合，常規(guī)控制器與荷載仿真模型均已不再適用。同時，較大的機(jī)艙運動幅值與加速度值也對風(fēng)電機(jī)組整機(jī)結(jié)構(gòu)布局和傳動鏈方案提出新的要求。此外，我國東海、南海區(qū)域臺風(fēng)高發(fā)，更是對機(jī)組抗臺風(fēng)性能提出了嚴(yán)苛要求。因此，漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計是該領(lǐng)域難點中的難點。

3 基礎(chǔ)設(shè)計

漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)形式現(xiàn)有3種：立柱(Spar)式、張力腿(TLP)式和半潛(Semi-Sub)式，如圖1所示。其中，Spar式對水深的要求最高，TLP式和Semi-Sub式對水深的要求依次降低。Semi-Sub式的體積較大，排水量約是TLP式的2倍；Spar式的體積最小。

我國東海與南海的水深、地質(zhì)等條件多樣化，各種基礎(chǔ)形式均有適用空間。因此，需對海域條件進(jìn)行分類劃分并綜合考慮成本、可靠性、施工條件和運維便利性等因素，為不同海域條件配置最佳基礎(chǔ)形式，最終形成適合我國海域的漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)形式的方案庫。此外，針對具體基礎(chǔ)形式的浮體方案設(shè)計、浮體建模仿真、系泊系統(tǒng)設(shè)計、靠泊系統(tǒng)設(shè)計、模型實驗驗證、施工工藝方案等也是需要突破的核心問題。

圖1 3種漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)形式

4 制造安裝

漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的早期開發(fā)多借鑒于海洋石油平臺的設(shè)計理念。但與海洋石油平臺的單件訂制化不同，漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)屬于批量化生產(chǎn)。為滿足經(jīng)濟(jì)性要求，需對現(xiàn)有建造流程和工藝裝備進(jìn)行針對性開發(fā)。

漂浮式基礎(chǔ)從制造場地運輸至海上機(jī)位點有干式運輸和濕式拖拽等多種方案，風(fēng)電機(jī)組與基礎(chǔ)間的安裝有使用大型浮吊的整體吊裝和利用支腿安裝船的分體吊裝兩類。需形成整套運輸安裝工藝，針對不同海域配置不同的運輸施工方案。海上風(fēng)電機(jī)組的運輸安裝如圖2所示。

圖2 海上風(fēng)電機(jī)組的運輸安裝

5 運行維護(hù)

漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組處于深遠(yuǎn)海域，運行維護(hù)的時間窗口更為寶貴，要求機(jī)組可以實現(xiàn)故障提前預(yù)判、及時預(yù)防性維護(hù)。因此，實時監(jiān)控機(jī)組運行狀態(tài)的智能監(jiān)測系統(tǒng)、故障預(yù)警系統(tǒng)及智能診斷分析技術(shù)成為重要需求。此外，由于基礎(chǔ)處于漂浮運動狀態(tài)，運維船只的靠泊、塔頂設(shè)備或工具的起吊均與常規(guī)海上風(fēng)電機(jī)組不同。需有針對性地開發(fā)一整套設(shè)備與工裝，保證在基礎(chǔ)大幅度運動情況下可安全進(jìn)行維護(hù)。

6 電力輸送

電力輸送分單機(jī)電力輸送和場級電力輸送。針對單機(jī)的電力輸送，其適應(yīng)漂浮式的海纜連接系統(tǒng)是關(guān)鍵。對于場級電力輸送，由于漂浮式風(fēng)電場多處于遠(yuǎn)海，柔性直流輸電技術(shù)將發(fā)揮更大優(yōu)勢。

7 成本分析

相比于常規(guī)固定式風(fēng)電，漂浮式海上風(fēng)電的成本構(gòu)成更為復(fù)雜，基礎(chǔ)、施工、輸電、運維等環(huán)節(jié)所占成本比重更大，不同海域的環(huán)境條件與場址條件對項目成本構(gòu)成影響較大。因此，需要組合不同的基礎(chǔ)形式、海域條件、機(jī)組配置，建立漂浮式海上風(fēng)電的成本模型庫，分析各模型下不同成本因素的敏感性，為大規(guī)模推廣漂浮式海上風(fēng)電做保障。

8 體系認(rèn)證

在機(jī)組形式認(rèn)證方面，目前漂浮式海上風(fēng)電尚無單獨認(rèn)證規(guī)范出臺。在推進(jìn)漂浮式海上風(fēng)電開發(fā)的同時，需積極參與國際上漂浮式海上風(fēng)電認(rèn)證規(guī)范的制定，形成專有認(rèn)證規(guī)范。在安全及環(huán)境強(qiáng)制認(rèn)證方面，隨著漂浮式海上風(fēng)電的大規(guī)模推廣，人員、設(shè)備、環(huán)保等方面的強(qiáng)制性認(rèn)證必將引入，亦應(yīng)盡早參與該類認(rèn)證的規(guī)范制定，滿足認(rèn)證需求。

9 能力建設(shè)

漂浮式海上風(fēng)電是一個集成多學(xué)科、多領(lǐng)域技術(shù)的工程項目。打造漂浮式風(fēng)電綜合解決方案能力非一方之力可以實現(xiàn)，需整合風(fēng)電開發(fā)商、整機(jī)設(shè)計廠、勘察設(shè)計院、施工吊裝單位、認(rèn)證機(jī)構(gòu)等各方面資源，發(fā)揮各自領(lǐng)域內(nèi)的優(yōu)勢，制定良好的成果共享模式，協(xié)作攻關(guān)，共同完成漂浮式海上風(fēng)電綜合解決方案能力的建設(shè)。

10 小結(jié)

本文從與海上風(fēng)電場相關(guān)的風(fēng)資源分析、風(fēng)電機(jī)組開發(fā)、漂浮式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計、風(fēng)電機(jī)組運行維護(hù)、電力輸送及風(fēng)電場成本分析和體系認(rèn)證等方面進(jìn)行了介紹，以期為海上風(fēng)電的推廣提供支撐。

[1]鮑亦和, 呂斌.漂浮式海上風(fēng)電場 [J].上海電力, 2007, (5):158－160.

[2]段磊, 李曄.漂浮式海上大型風(fēng)電機(jī)組研究進(jìn)展[J].中國科學(xué): 物理力學(xué)天文學(xué), 2016, 46(12): 124703.

[3]劉佳明.大型海上風(fēng)機(jī)的半潛式浮動基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能分析[D].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2014.

[4]衛(wèi)濤.基于TLP原理的海上風(fēng)機(jī)浮式基礎(chǔ)研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇科技大學(xué), 2014.

[5]葛沛.海上浮式風(fēng)電機(jī)組平臺選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計 [D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué), 2012.

[6]沈濤.漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組組載荷優(yōu)化及控制技術(shù)研究[D].重慶: 重慶大學(xué), 2016.