三屆全國海上風電工程技術大會將于12月8-9日在廣州召開。大會分別從載荷、支撐結構設計及巖土，風電項目工程建設及管理，海上風電場運行維護及評估，水文氣象及海洋環(huán)境融合技術，海上風電場柔性直流技術多維度深入展開探討，為您提供一場海上風電工程技術“盛宴”，本次大會由能見App全程直播。
國家“千人計劃”專家，新疆金風科技股份有限公司總工程師兼海上業(yè)務單元總經(jīng)理翟恩地出席第三屆全國海上風電工程技術大會，并作題為“技術創(chuàng)新是降本增效的根本”的主旨演講。
翟恩地：各位專家各位領導早上好。今天給大家匯報的題目是“海上風電支撐結構設計前沿技術探討”，副標題是“技術創(chuàng)新是降本增效的根本”。
剛才易院長也講到了海上風電成本構成，這張圖是典型的江蘇地區(qū)金風風電機組的成本構成。大家可以看到風電機組的構成在35%左右，而基礎包括基礎的施工占到21%，支撐結構是塔架和基礎的一個整體，兩者加起來在海上風電江蘇地區(qū)略低于機組的成本，而在福建、廣東地區(qū)可能跟風電機組的成本比較接近。因此，支撐結構的降本增效通過技術創(chuàng)新是必然之路。在控制技術如何來降低載荷，支撐結構一體化設計技術，剛度和阻尼的技術以及我?guī)У膱F隊在這些方面做到什么地步，給大家做一個簡短的匯報。
載荷不是由結構工程師決定的，載荷是由風機廠商決定的。風機的載荷大部分與風機葉片、控制等等一系列的技術相關，金風科技團隊在整個風機載荷優(yōu)化控制這一塊采用了激光雷達，這項激光雷達技術已經(jīng)實際投入應用，可實現(xiàn)極限和疲勞降載，通過雷達能夠提前測量前方約200米的風速，采用4束光束，雖然前方有葉片但不影響風速測量。這樣的話開始在秒級單位對變槳進行控制，我們通過在機頭加裝攝像頭，通過葉片轉動監(jiān)測葉片的整個狀況，同時在機頭加裝北斗導航系統(tǒng)，現(xiàn)在基本上在厘米級的狀態(tài)，對風機的位移進行監(jiān)測以判斷風機的載荷，再通過控制降低載荷。具體在廣東福建等地區(qū)的控制策略會有所不同，總體來說我們有獨立變槳，動態(tài)推力控制，在臺風地區(qū)我們通過備用控制電源等技術達到載荷的控制。
在柔性單樁基礎特別是大容量風機上，最大的葉輪直徑將超過200米，大家可以看到對葉片要有要求，當風機機組達到8兆瓦、10兆瓦，葉片長度會達到百米級，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，在陸上風電有一個概念叫柔塔，其實柔塔的概念不一定是按小于1P進行定義的，當整機頻率小于0.2Hz那就是進入柔塔概念。因此未來的海上風電支撐結構基本上就是柔性結構。在這種情況下正好和波浪的頻率吻合，將引起長期的振動疲勞。因此在這點上我們一定要通過技術創(chuàng)新控制載荷。第二個針對剛性基礎。特別是高樁承臺等，我們采取的措施是高級偏航控制等。
對于北方地區(qū)有冰的狀況，疲勞載荷影響非常大，在這種情況下對于水動力進行計算，傳統(tǒng)的Morison方程是針對長細結構，針對大型結構，我們要考慮用邊界元的方法計算水動力，水動力對整個大型基礎結構的疲勞在這種精細化的考慮下優(yōu)于用Morison方程水動力的結果?；谶吔缭乃畡恿τ嬎銓Y構的影響小于傳統(tǒng)Morison方程計算結果，我們的團隊在這一塊做了很多工作，現(xiàn)在已經(jīng)在一些工程項目里面進行應用。
第二部分給大家匯報一下我們金風科技團隊在支撐結構一體化設計這一塊的最新進展。大家知道，一體化設計在歐洲已經(jīng)用于工程設計，我在三峽工作的時候也調(diào)研了我們國內(nèi)的做法，2015年初就提出在中國要強調(diào)用一體化設計，到今天還沒有全面鋪開，這里面問題是雖然一體化設計從概念上比較簡單，但是在工程實踐里面如何用，這里面涉及到很多的精準的技術。特別是在風荷載和浪荷載如何考慮偏差角的考慮，而目前的風方向和浪方向在同一個方向進行考慮。這也是目前在江蘇地區(qū)單位千萬造價1.5萬，廣東福建地區(qū)單位千瓦造價到2萬，一直下不來的其中因素之一。我們金風科技的團隊在一體化建模，在整個的基礎設計這一塊現(xiàn)在已經(jīng)往前推進了一大步，我們在幾個項目里面已經(jīng)應用，基本上解決將塔架基礎作為一個整體，我們已經(jīng)打造了若干個軟件能夠推動這項技術在工程里面進行應用。這是我們對5個項目進行一體化設計的對比。其中有典型的江蘇地區(qū)6兆瓦風機，也有東北地區(qū)3兆瓦風機。我們目前對幾個項目的載荷彎矩進行對比，通過一體化設計技術，基本上能夠降低疲勞載荷在10%-30%這樣一個范圍，具體一體化和分步設計的區(qū)別也做了一些描述。
金風科技海上風電設計研究院有100人左右，這個團隊一起往前打造力爭在國內(nèi)率先來推動我們的一體化設計，現(xiàn)在基本上打通了載荷塔架基礎，不光是建模一體化。建模一體化很簡單，關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我們一體化設計的一些流程和技術。現(xiàn)在我們基本上已經(jīng)編了15個打通一體化計算的軟件，包括載荷計算，塔架設計，我們打通基礎設計的一體化軟件，同時在這基礎之上金風科技通過亞馬遜平臺，上千臺計算機聯(lián)網(wǎng)打通整個的載荷輸入、計算以及基礎參數(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試技術。大家也知道困擾我們海上風電特別是未來大容量機組柔性塔架關鍵技術的問題就是剛度和阻尼。剛度誤差達到7%左右，剛度7%的級別對于疲勞載荷就是30%的級別。另外，阻尼技術，大家也知道我們目前設計基本上是采取左邊這個把土當成彈簧，通常所說的Py方法，這個方法本身如何對地基進行選取各大設計院方法不同，同時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，大家想一想我們的的Py方法是針對長細結構，現(xiàn)在海上風電的支撐結構，特別是已經(jīng)達到7、8米直徑的時候已經(jīng)不是長細結構，因此提出了用具有無反射邊界的整體動力模型確定剛度，這里面的剛度誤差也在5%-10%之間。這些剛度對結構的影響又在5%左右，更不要說未來在整個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)在國內(nèi)的設計院基本上按照在極限荷載的變形對應的土壤的剛度確定基礎設計的剛度，這個跟實際的狀態(tài)還是有所區(qū)別的。比較一下，剛度偏差范圍在3%-7%，導致極限載荷偏差達到10%，疲勞載荷偏差達到15%，整個支撐結構的重量偏差達到7%。這是我們基于那幾個項目統(tǒng)計的結果。
阻尼技術，在坐的專家特別是我看到也有很多高校的教授過來，阻尼在結構這塊比較復雜，比我們傳統(tǒng)的工程阻尼更加復雜。首先，我們氣動阻尼在我們載荷計算里面就是一個黑箱，通常工程師搞不清楚這個阻尼多大，大家可以看到這是從我們幾個項目導出來的數(shù)據(jù)圖片，這是6兆瓦海上機組在不同風速下的合成的阻尼，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算。國際國內(nèi)有很多專家進行研究，金風科技也做了分析，除了系統(tǒng)阻尼把結構、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)場測試，這是我們說針對在江蘇某項目的一個6兆瓦以上的風機進行測試，在塔底、塔頂加裝傳感器測試，在風機運營狀態(tài)受不受電磁的影響要做測試，通過這樣的測試對于整個塔架的頻率以及阻尼進行了一些測試，這些狀態(tài)應該說只是針對某一個項目或者某一段時間。我們金風科技所從事的后評估項目要長時間的進行機組測試，達到氣動阻尼等等阻尼成分的分解。
在坐的大學教授你們多多少少也跟我打過交道，也想幫助我們行業(yè)突破這些關鍵技術。天然阻尼以外，針對未來大容量的機組我們必須要增加人工阻尼，金風科技的6兆瓦風機在江蘇某區(qū)域已經(jīng)開發(fā)并應用了人工阻尼，這項技術應該說已經(jīng)通過實際工程項目的應用，未來對降本增效起到比較大的作用。在未來柔塔也就是說機組很大，葉片很長，頻率降到0.2Hz的時候有二階的振動，在陸上我們的柔塔已經(jīng)開發(fā)了一個液體阻尼器，保障二階振動的安全。
第四大部分單樁，也是我們今天在坐各大設計院很多研究的問題，英國的PISA項目已經(jīng)達到了減少3-5米長度。在福建某個項目中，我在前一個工作崗位上的時候聯(lián)合設計院也往前推進優(yōu)化樁基長度。針對這一類的技術這是我們實施的結果，用目前通用的傳統(tǒng)方法計算，在同一個水平推力下變形很大。真正的結果沒有達到這么大，什么原因？就是說，真正在6米甚至未來到10米直徑的單樁基礎上，這個樁土有三維效應，不光是來自于整體樁左右摩擦力產(chǎn)生抵抗彎矩，在基礎底部本身也有一個抵抗彎矩，同時底部變形的時候是6米直徑整體帶動土的剪切，剪切抵抗也是非常大的，三個因素在現(xiàn)在行業(yè)的設計當中還沒有考慮。因此，還有很大的承載余量可降低樁基礎3-5米的技術變成設計規(guī)范完全可以實現(xiàn)。
最后一個技術是抗震技術。在加州每一個項目都要做抗震設計，回到國內(nèi)發(fā)現(xiàn)沒有做這方面的抗震分析和設計。但在江蘇某個海上項目，我們發(fā)現(xiàn)地震載荷控制結構設計，我一看感覺就有問題。這個與省里面的地震報告也進行了對比，我們也是拿了國家地震局提供的數(shù)據(jù)，我們風機主機一般周期在3.3-4秒，根據(jù)倒數(shù)關系，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東部的關系，該階段反應相差太大。美國的規(guī)范要求場地固定規(guī)范80%，中國沒有相應的規(guī)定，只是要求不能低于國標標準。風機主機頻率換成周期應該到3-4秒之間，預判的50年10%超越概率這樣一個震級遠遠低于國標，因此這一塊還有很大的空間。同時，咱們目前只是關注在地表面，而在美國，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樁基礎沿不同深度進行地震輸入。
簡單總結一下今天講的前沿技術帶來的減重，采用一體化設計可以降低載荷特別是疲勞載荷10-30%，結構減重5%-7%。通過考慮三維效應，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)提升海上風電抗震設計規(guī)范。謝謝大家！
