三屆全國(guó)海上風(fēng)電工程技術(shù)大會(huì)將于12月8-9日在廣州召開。大會(huì)分別從載荷、支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及巖土，風(fēng)電項(xiàng)目工程建設(shè)及管理，海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)及評(píng)估，水文氣象及海洋環(huán)境融合技術(shù)，海上風(fēng)電場(chǎng)柔性直流技術(shù)多維度深入展開探討，為您提供一場(chǎng)海上風(fēng)電工程技術(shù)“盛宴”，本次大會(huì)由能見App全程直播。
國(guó)家“千人計(jì)劃”專家，新疆金風(fēng)科技股份有限公司總工程師兼海上業(yè)務(wù)單元總經(jīng)理翟恩地出席第三屆全國(guó)海上風(fēng)電工程技術(shù)大會(huì)，并作題為“技術(shù)創(chuàng)新是降本增效的根本”的主旨演講。
翟恩地：各位專家各位領(lǐng)導(dǎo)早上好。今天給大家匯報(bào)的題目是“海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前沿技術(shù)探討”，副標(biāo)題是“技術(shù)創(chuàng)新是降本增效的根本”。
剛才易院長(zhǎng)也講到了海上風(fēng)電成本構(gòu)成，這張圖是典型的江蘇地區(qū)金風(fēng)風(fēng)電機(jī)組的成本構(gòu)成。大家可以看到風(fēng)電機(jī)組的構(gòu)成在35%左右，而基礎(chǔ)包括基礎(chǔ)的施工占到21%，支撐結(jié)構(gòu)是塔架和基礎(chǔ)的一個(gè)整體，兩者加起來在海上風(fēng)電江蘇地區(qū)略低于機(jī)組的成本，而在福建、廣東地區(qū)可能跟風(fēng)電機(jī)組的成本比較接近。因此，支撐結(jié)構(gòu)的降本增效通過技術(shù)創(chuàng)新是必然之路。在控制技術(shù)如何來降低載荷，支撐結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，剛度和阻尼的技術(shù)以及我?guī)У膱F(tuán)隊(duì)在這些方面做到什么地步，給大家做一個(gè)簡(jiǎn)短的匯報(bào)。
載荷不是由結(jié)構(gòu)工程師決定的，載荷是由風(fēng)機(jī)廠商決定的。風(fēng)機(jī)的載荷大部分與風(fēng)機(jī)葉片、控制等等一系列的技術(shù)相關(guān)，金風(fēng)科技團(tuán)隊(duì)在整個(gè)風(fēng)機(jī)載荷優(yōu)化控制這一塊采用了激光雷達(dá)，這項(xiàng)激光雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)實(shí)際投入應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)極限和疲勞降載，通過雷達(dá)能夠提前測(cè)量前方約200米的風(fēng)速，采用4束光束，雖然前方有葉片但不影響風(fēng)速測(cè)量。這樣的話開始在秒級(jí)單位對(duì)變槳進(jìn)行控制，我們通過在機(jī)頭加裝攝像頭，通過葉片轉(zhuǎn)動(dòng)監(jiān)測(cè)葉片的整個(gè)狀況，同時(shí)在機(jī)頭加裝北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，現(xiàn)在基本上在厘米級(jí)的狀態(tài)，對(duì)風(fēng)機(jī)的位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)以判斷風(fēng)機(jī)的載荷，再通過控制降低載荷。具體在廣東福建等地區(qū)的控制策略會(huì)有所不同，總體來說我們有獨(dú)立變槳，動(dòng)態(tài)推力控制，在臺(tái)風(fēng)地區(qū)我們通過備用控制電源等技術(shù)達(dá)到載荷的控制。
在柔性單樁基礎(chǔ)特別是大容量風(fēng)機(jī)上，最大的葉輪直徑將超過200米，大家可以看到對(duì)葉片要有要求，當(dāng)風(fēng)機(jī)機(jī)組達(dá)到8兆瓦、10兆瓦，葉片長(zhǎng)度會(huì)達(dá)到百米級(jí)，塔架基本上要上升到130、140米。水深不斷加大的情況下，一階頻率可能降到0.2Hz以內(nèi)。大家都知道，在陸上風(fēng)電有一個(gè)概念叫柔塔，其實(shí)柔塔的概念不一定是按小于1P進(jìn)行定義的，當(dāng)整機(jī)頻率小于0.2Hz那就是進(jìn)入柔塔概念。因此未來的海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)基本上就是柔性結(jié)構(gòu)。在這種情況下正好和波浪的頻率吻合，將引起長(zhǎng)期的振動(dòng)疲勞。因此在這點(diǎn)上我們一定要通過技術(shù)創(chuàng)新控制載荷。第二個(gè)針對(duì)剛性基礎(chǔ)。特別是高樁承臺(tái)等，我們采取的措施是高級(jí)偏航控制等。
對(duì)于北方地區(qū)有冰的狀況，疲勞載荷影響非常大，在這種情況下對(duì)于水動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算，傳統(tǒng)的Morison方程是針對(duì)長(zhǎng)細(xì)結(jié)構(gòu)，針對(duì)大型結(jié)構(gòu)，我們要考慮用邊界元的方法計(jì)算水動(dòng)力，水動(dòng)力對(duì)整個(gè)大型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的疲勞在這種精細(xì)化的考慮下優(yōu)于用Morison方程水動(dòng)力的結(jié)果?；谶吔缭乃畡?dòng)力計(jì)算對(duì)結(jié)構(gòu)的影響小于傳統(tǒng)Morison方程計(jì)算結(jié)果，我們的團(tuán)隊(duì)在這一塊做了很多工作，現(xiàn)在已經(jīng)在一些工程項(xiàng)目里面進(jìn)行應(yīng)用。
第二部分給大家匯報(bào)一下我們金風(fēng)科技團(tuán)隊(duì)在支撐結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)這一塊的最新進(jìn)展。大家知道，一體化設(shè)計(jì)在歐洲已經(jīng)用于工程設(shè)計(jì)，我在三峽工作的時(shí)候也調(diào)研了我們國(guó)內(nèi)的做法，2015年初就提出在中國(guó)要強(qiáng)調(diào)用一體化設(shè)計(jì)，到今天還沒有全面鋪開，這里面問題是雖然一體化設(shè)計(jì)從概念上比較簡(jiǎn)單，但是在工程實(shí)踐里面如何用，這里面涉及到很多的精準(zhǔn)的技術(shù)。特別是在風(fēng)荷載和浪荷載如何考慮偏差角的考慮，而目前的風(fēng)方向和浪方向在同一個(gè)方向進(jìn)行考慮。這也是目前在江蘇地區(qū)單位千萬造價(jià)1.5萬，廣東福建地區(qū)單位千瓦造價(jià)到2萬，一直下不來的其中因素之一。我們金風(fēng)科技的團(tuán)隊(duì)在一體化建模，在整個(gè)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)這一塊現(xiàn)在已經(jīng)往前推進(jìn)了一大步，我們?cè)趲讉€(gè)項(xiàng)目里面已經(jīng)應(yīng)用，基本上解決將塔架基礎(chǔ)作為一個(gè)整體，我們已經(jīng)打造了若干個(gè)軟件能夠推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)在工程里面進(jìn)行應(yīng)用。這是我們對(duì)5個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)的對(duì)比。其中有典型的江蘇地區(qū)6兆瓦風(fēng)機(jī)，也有東北地區(qū)3兆瓦風(fēng)機(jī)。我們目前對(duì)幾個(gè)項(xiàng)目的載荷彎矩進(jìn)行對(duì)比，通過一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，基本上能夠降低疲勞載荷在10%-30%這樣一個(gè)范圍，具體一體化和分步設(shè)計(jì)的區(qū)別也做了一些描述。
金風(fēng)科技海上風(fēng)電設(shè)計(jì)研究院有100人左右，這個(gè)團(tuán)隊(duì)一起往前打造力爭(zhēng)在國(guó)內(nèi)率先來推動(dòng)我們的一體化設(shè)計(jì)，現(xiàn)在基本上打通了載荷塔架基礎(chǔ)，不光是建模一體化。建模一體化很簡(jiǎn)單，關(guān)鍵是這里面在目前行業(yè)通用的常用的商業(yè)環(huán)境下如何打造我們更適用于推動(dòng)我們一體化設(shè)計(jì)的一些流程和技術(shù)。現(xiàn)在我們基本上已經(jīng)編了15個(gè)打通一體化計(jì)算的軟件，包括載荷計(jì)算，塔架設(shè)計(jì)，我們打通基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的一體化軟件，同時(shí)在這基礎(chǔ)之上金風(fēng)科技通過亞馬遜平臺(tái)，上千臺(tái)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)打通整個(gè)的載荷輸入、計(jì)算以及基礎(chǔ)參數(shù)輸出、出圖這樣的整體步伐。
第三部分給大家分享一下剛度和阻尼測(cè)試技術(shù)。大家也知道困擾我們海上風(fēng)電特別是未來大容量機(jī)組柔性塔架關(guān)鍵技術(shù)的問題就是剛度和阻尼。剛度誤差達(dá)到7%左右，剛度7%的級(jí)別對(duì)于疲勞載荷就是30%的級(jí)別。另外，阻尼技術(shù)，大家也知道我們目前設(shè)計(jì)基本上是采取左邊這個(gè)把土當(dāng)成彈簧，通常所說的Py方法，這個(gè)方法本身如何對(duì)地基進(jìn)行選取各大設(shè)計(jì)院方法不同，同時(shí)這里邊到底使用殘留變形還是極限荷載下的變形也不同，就在這一塊可能產(chǎn)生3%的區(qū)別。另外一點(diǎn)，大家想一想我們的的Py方法是針對(duì)長(zhǎng)細(xì)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在海上風(fēng)電的支撐結(jié)構(gòu)，特別是已經(jīng)達(dá)到7、8米直徑的時(shí)候已經(jīng)不是長(zhǎng)細(xì)結(jié)構(gòu)，因此提出了用具有無反射邊界的整體動(dòng)力模型確定剛度，這里面的剛度誤差也在5%-10%之間。這些剛度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響又在5%左右，更不要說未來在整個(gè)25年周期所產(chǎn)生的頻率的變化。這是殘余變形和荷載狀態(tài)下的變形，到底取什么樣的剛度，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)院基本上按照在極限荷載的變形對(duì)應(yīng)的土壤的剛度確定基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的剛度，這個(gè)跟實(shí)際的狀態(tài)還是有所區(qū)別的。比較一下，剛度偏差范圍在3%-7%，導(dǎo)致極限載荷偏差達(dá)到10%，疲勞載荷偏差達(dá)到15%，整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)的重量偏差達(dá)到7%。這是我們基于那幾個(gè)項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)的結(jié)果。
阻尼技術(shù)，在坐的專家特別是我看到也有很多高校的教授過來，阻尼在結(jié)構(gòu)這塊比較復(fù)雜，比我們傳統(tǒng)的工程阻尼更加復(fù)雜。首先，我們氣動(dòng)阻尼在我們載荷計(jì)算里面就是一個(gè)黑箱，通常工程師搞不清楚這個(gè)阻尼多大，大家可以看到這是從我們幾個(gè)項(xiàng)目導(dǎo)出來的數(shù)據(jù)圖片，這是6兆瓦海上機(jī)組在不同風(fēng)速下的合成的阻尼，通常在5%左右；波浪阻尼、土壤阻尼材料阻尼到底是多少，搞不清楚，現(xiàn)在是用千分之六代入軟件計(jì)算。國(guó)際國(guó)內(nèi)有很多專家進(jìn)行研究，金風(fēng)科技也做了分析，除了系統(tǒng)阻尼把結(jié)構(gòu)、波浪、土壤合成的阻尼從0.6%增加到1%，疲勞載荷可以下降15%。如果說是從0.23%，光是材料阻尼到1%的阻尼增加的話，可以降低40%的疲勞載荷。因此這個(gè)地方空間很大，如何確定這些阻尼呢？盡管說剛才我說大家都搞不清楚如何確定。我們要通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，這是我們說針對(duì)在江蘇某項(xiàng)目的一個(gè)6兆瓦以上的風(fēng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，在塔底、塔頂加裝傳感器測(cè)試，在風(fēng)機(jī)運(yùn)營(yíng)狀態(tài)受不受電磁的影響要做測(cè)試，通過這樣的測(cè)試對(duì)于整個(gè)塔架的頻率以及阻尼進(jìn)行了一些測(cè)試，這些狀態(tài)應(yīng)該說只是針對(duì)某一個(gè)項(xiàng)目或者某一段時(shí)間。我們金風(fēng)科技所從事的后評(píng)估項(xiàng)目要長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)行機(jī)組測(cè)試，達(dá)到氣動(dòng)阻尼等等阻尼成分的分解。
在坐的大學(xué)教授你們多多少少也跟我打過交道，也想幫助我們行業(yè)突破這些關(guān)鍵技術(shù)。天然阻尼以外，針對(duì)未來大容量的機(jī)組我們必須要增加人工阻尼，金風(fēng)科技的6兆瓦風(fēng)機(jī)在江蘇某區(qū)域已經(jīng)開發(fā)并應(yīng)用了人工阻尼，這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)該說已經(jīng)通過實(shí)際工程項(xiàng)目的應(yīng)用，未來對(duì)降本增效起到比較大的作用。在未來柔塔也就是說機(jī)組很大，葉片很長(zhǎng)，頻率降到0.2Hz的時(shí)候有二階的振動(dòng)，在陸上我們的柔塔已經(jīng)開發(fā)了一個(gè)液體阻尼器，保障二階振動(dòng)的安全。
第四大部分單樁，也是我們今天在坐各大設(shè)計(jì)院很多研究的問題，英國(guó)的PISA項(xiàng)目已經(jīng)達(dá)到了減少3-5米長(zhǎng)度。在福建某個(gè)項(xiàng)目中，我在前一個(gè)工作崗位上的時(shí)候聯(lián)合設(shè)計(jì)院也往前推進(jìn)優(yōu)化樁基長(zhǎng)度。針對(duì)這一類的技術(shù)這是我們實(shí)施的結(jié)果，用目前通用的傳統(tǒng)方法計(jì)算，在同一個(gè)水平推力下變形很大。真正的結(jié)果沒有達(dá)到這么大，什么原因？就是說，真正在6米甚至未來到10米直徑的單樁基礎(chǔ)上，這個(gè)樁土有三維效應(yīng)，不光是來自于整體樁左右摩擦力產(chǎn)生抵抗彎矩，在基礎(chǔ)底部本身也有一個(gè)抵抗彎矩，同時(shí)底部變形的時(shí)候是6米直徑整體帶動(dòng)土的剪切，剪切抵抗也是非常大的，三個(gè)因素在現(xiàn)在行業(yè)的設(shè)計(jì)當(dāng)中還沒有考慮。因此，還有很大的承載余量可降低樁基礎(chǔ)3-5米的技術(shù)變成設(shè)計(jì)規(guī)范完全可以實(shí)現(xiàn)。
最后一個(gè)技術(shù)是抗震技術(shù)。在加州每一個(gè)項(xiàng)目都要做抗震設(shè)計(jì)，回到國(guó)內(nèi)發(fā)現(xiàn)沒有做這方面的抗震分析和設(shè)計(jì)。但在江蘇某個(gè)海上項(xiàng)目，我們發(fā)現(xiàn)地震載荷控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，我一看感覺就有問題。這個(gè)與省里面的地震報(bào)告也進(jìn)行了對(duì)比，我們也是拿了國(guó)家地震局提供的數(shù)據(jù)，我們風(fēng)機(jī)主機(jī)一般周期在3.3-4秒，根據(jù)倒數(shù)關(guān)系，頻率約在0.25-0.3Hz的范圍內(nèi)，根據(jù)周圍的地震適合中國(guó)東部的關(guān)系，該階段反應(yīng)相差太大。美國(guó)的規(guī)范要求場(chǎng)地固定規(guī)范80%，中國(guó)沒有相應(yīng)的規(guī)定，只是要求不能低于國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)機(jī)主機(jī)頻率換成周期應(yīng)該到3-4秒之間，預(yù)判的50年10%超越概率這樣一個(gè)震級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)，因此這一塊還有很大的空間。同時(shí)，咱們目前只是關(guān)注在地表面，而在美國(guó)，不光是在重要工程，即使在一般橋梁工程上，基本上都是通過彈簧對(duì)樁基礎(chǔ)沿不同深度進(jìn)行地震輸入。
簡(jiǎn)單總結(jié)一下今天講的前沿技術(shù)帶來的減重，采用一體化設(shè)計(jì)可以降低載荷特別是疲勞載荷10-30%，結(jié)構(gòu)減重5%-7%。通過考慮三維效應(yīng)，大直徑單樁節(jié)省3-5米?？拐疬@一塊過于保守，需要在行業(yè)提升海上風(fēng)電抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。謝謝大家！
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