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金风科技翟恩地:技术创新是海上风电降本增效根本
发布时间:2019-07-08
 

在“第三届全国海上风电工程技术大会”主旨演讲现场,国家“千人计划”专家、新疆金风科技股份有限公司(下称“金风科技”)总工程师兼海上业务单元总经理翟恩地博士,在《海上风电支撑结构设计前沿技术探讨——技术创新是降本增效的根本》报告中为海上风电场工程建设的降本增效提供了新思路,开拓了新方向。


翟恩地从分析海上风电场全生命周期的成本构成入手,分析风力发电机组整机和支撑结构(塔架和基础)在海上风电场全生命周期的成本组成中占比均超过30%的实际情况,以支撑结构设计的技术创新促进成本降低为突破,从“风机的载荷及振动控制”、“支撑结构一体化设计”、“风机的刚度与阻尼测试”、“基础桩土相互作用”和“风机抗震设计”五个方面详细论证了支撑结构降本增效工作的技术创新点。


载荷控制技术的创新是支撑结构成本降低的发展方向


“载荷不是由结构工程师决定的,载荷是由风机厂商决定的”。整机厂家采用激光雷达等先进的测风方法、独立变桨等先进的控制方法和柔性支撑结构设计等,可以有效的降低整机和支撑结构载荷,为支撑结构降本提供有利条件。

为了有效降低风机度电成本并提高风机可靠性,金风研发团队开发了一系列基于传感的智能控制技术,包括:Lidar智能控制、独立变桨、塔顶位移推力控制、叶片净空自适应控制技术等等,可实现提升单机发电量1%~2%,可降低叶片及塔架重量5%~10%,可有效的降低极端风况载荷。

↑智能传感设备布置示意图


支撑结构一体化设计降低基础设计载荷10%~15%,结构优化效果显著


支撑结构一体化设计可以疏通设计环节、科学模拟机组和支撑结构载荷,统一数模仿真计算,精准提取载荷,使支撑结构降本优化走向可操作层面。金风科技的“支撑结构一体化设计平台”为设计院和整机厂家实现支撑结构一体化设计提供了一个可操作的设计平台,为海上风电支撑结构一体化设计奠定了良好基础。金风科技通过辽宁和江苏的工程实践证明,支撑结构一体化设计能够降低整机的疲劳载荷在10%~15%。

↑支撑结构一体化设计流程示意


度和阻尼的设定值用实测数值优化,对支撑结构降本意义重大


“困扰我们海上风电特别是未来大容量机组柔性塔架技术的关键问题就是刚度和阻尼”。业内常用的Py方法,各设计院刚度取值不一致,导致偏差大约有3%左右;且Py方法适用于细长结构,而直径已达到7m~8m的海上风电桩基已不再是细长结构;即使采用无反射边界的整体动力模型来确定刚度,刚度偏差也在5%~10%之间;而且在25年的整个生命周期内诸多地质、海生物等因素也会影响刚度变化。通过我们研究比较发现:地基刚度偏差范围在3%~7%,导致极限载荷偏差达到10%,疲劳载荷偏差达到15%,整个支撑结构的重量偏差达到7%。如何考虑“桩土相互的作用”、如何考虑“基础累计残余变形”、如何考虑“刚度偏差对载荷的影响”、如何考虑“气动阻尼、波浪阻尼、结构材料阻尼、土壤阻尼”等等这些对风机安全性的影响,这些疑问需要我们对风力发电机组进行“刚度和频率”的检测和对比分析。金风科技对大丰港安装的6MW实验机组展开了大量的刚度和频率检测工作,通过这样的测试对于整个塔架的频率以及阻尼进行了一些测试,金风科技所从事的后评估项目要长时间的进行机组测试,达到气动阻尼等等阻尼成分的分解,加强风机和基础的刚度和阻尼测试,用测试数据指导优化工程设计是降本又一有效途径。

↑传感器安装示意图及其测试结果

另外,金风科技在人工阻尼方面也开展了相关研究及应用,针对未来大容量的机组我们有必要考虑增加人工阻尼。金风科技的6兆瓦风机在江苏某海上风电场我们已经开始测试人工阻尼技术。在未来柔塔也就是说机组很大,叶片很长,频率降到0.2Hz的时候有二阶的振动,在陆上我们的柔塔已经开发了一个液体阻尼器,保障二阶振动的安全。这些技术应该说通过实际工程项目的应用,未来对我们降本增效起到比较大的作用。


考虑三维桩-土作用,对大直径桩基的优化设计有指导意义


 “大直径单桩基础桩-土相互作用”目前设计工作没有考虑三维的桩-土作用,计算结果与实际测试情况差别较大,初步估算单桩长度有3~5m的优化空间,对基础设计的降本增效有积极作用。如图3所示,桩身受载转动,桩两侧产生的轴向侧摩阻力,可提供抵抗弯矩;桩端土的水平向阻力产生的局部抵抗弯矩;桩端横向位移整体带动土壤产生的横向土抵抗剪力。通过考虑这些实际因素,可显著提升大直径桩基的承载能力,从而优化桩基。

↑三维效应分析


海上抗震设计标准与国际接轨,是支撑结构降本增效又一有效途径


在海上风机抗震设计方面,国内主要是参照国家建筑抗震规范进行设计,对于地震断层附近的海上风场,地震载荷往往成为控制因素,导致工程设计保守。国标规范没有“场地相关分析值取固定规范80%”的要求,在超越概率设定和作用位置的选取等方面与美国标准有一定差别。后续通过细化抗震设计,对支撑结构降本具有较大作用。

↑场地相关地震反应谱与标准反应谱对比

翟恩地以支撑结构方面的技术创新促进降本为例,为整个海上风力行业的技术创新促进降本增效提供了新思路。同时,也为未来海上风电应对风电项目竞争配置政策实施和推动技术进步指明新方向。

海上风电是风电产业未来发展的方向,也是我国能源结构转型的重要支撑。《风电发展“十三五”规划》提出,到2020年底,海上风电并网装机容量将超过500万千瓦。不久前,广东省也发布了关于海上风电项目的竞价配置办法(试行)。打破海上风电发展“瓶颈”,助推我国海上风电事业蓬勃发展,已成为业内人士的一致共识。

自2007年我国第一台海上风电试验样机(金风科技GW70/1500)在渤海湾矗立以来,至今已10余年。作为国际化的清洁能源与节能环保整体解决方案提供商,在海上风电领域,金风科技相关研究和实践从未止步。

突破海上风电关键技术,推动海上风电事业不断前行,实现中国在风电高端制造行业的全球引领,这是金风科技在海上风电行业的重要使命。不忘初心,砥砺前行。在海上风电这场“长跑”中,金风科技将坚定不移地跑下去。

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