金风科技翟恩地:技术驱动 降低海上风电支撑结构成本

通过技术革新来减少冗余,在保证安全的情况下降低造价,是整个海上风电未来发展的重要方向。——翟恩地

12月9日,在第二届全国海上风电工程建设技术研讨会上,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、海上风电业务单元总经理翟恩地作了题为《海上风电塔架基础载荷计算及一体化设计关键技术》的演讲。

就塔架基础的载荷计算及一体化设计的关键技术和解决方案,翟恩地从海上风电载荷计算、塔架设计、基础设计及推荐的解决方案四个维度进行了阐述。

翟恩地指出,在海上风电成本中,机组采购往往占到30%~40%,支撑结构采购约占20%~25%,加上施工成本往往也超过30%。因此,通过技术革新降低整个支撑结构的成本,是降低海上风电度电成本的重要途径。

海上风电载荷计算是整个支撑结构设计的关键所在,涉及大气动力学,水动力学,结构动力学,岩土动力学等问题。翟恩地指出,载荷计算,除了传统风机载荷,还应考虑机舱及叶片控制问题等。载荷计算业内通常采用Bladed或FAST,即便如此,使用不同软件进行载荷计算,都需要从这几大模块入手。因此整机支撑结构的模型建立和载荷计算,需要考虑风、浪、流联合作用下的气动、水动、岩土、控制耦合作用。

海上风电载荷计算应解决五大关键技术问题

翟恩地指出,海上风机支撑结构的载荷第一个关键问题,是整机支撑结构对应的自然频率。“为什么支撑结构的频率需在所谓的1P和3P之间?1P和3P又有何含义?简单来说,某一个叶片转一圈经过塔架就会产生气动载荷的一次脉动,三个叶片都会经过塔架,在单位时间内转过的圈数就是气动载荷的脉动频率。以金风科技6.7MW海上风机为例,风机1P的频率是一个范围,3P的频率同样也是一个范围,要尽量把支撑结构的一阶频率控制在1P频率的上限和3P频率的下限之间。但很多时候,找不到这样的值,怎么办?这要通过控制快速跳过共振转速。同时,关于波浪载荷,通常波浪的周期在3s~20s,频率在0.05~0.33赫兹之间,支撑结构很容易产生共振问题,这一直困扰着诸多业内人士。”

第二个关键问题,就是海上风机支撑结构的阻尼。“虽然这个问题在国内外讨论得并不多,但阻尼问题,是海上风电这个领域需重点关注的。陆上风机设计临界阻尼比约在0.5%,海上风电设计通常约为0.6%。陆上风机多采用混凝土重力式基础,基础刚度很高,而海上风电面临10m~30m的水深和软土问题,因此相对来说,在动力荷载作用下消散的能量更高,即临界阻尼比更大。

关于阻尼和载荷之间的关系,当阻尼比由0.6%提高到1.0%时,疲劳载荷下降约50%。翟恩地指出,在支撑结构的阻尼难以提升之际,企业需要“各显神通”,通过调节控制,增加人工主、被动阻尼器。“我们希望将海上风电力阻尼比从0.6%提升到1.0%,从而大大降低基础载荷及成本。当然这仍有待研究。”

第三个关键问题,是海上风机抗冰锥设计对载荷的影响。翟恩地指出,我国北方的海上风场往往会遇到“冰”的问题。“这是海上风电整个支撑结构设计的又一关键问题。为了减少冰载荷降低冰激振动,通常在桩基础上要加上抗冰锥结构,但抗冰锥结构又会导致波浪载荷增大。同时,北方每年冰期通常持续1~3个月,剩下的月份是没有冰的。而且某些年份由于气温升高甚至可能不会结冰,如何平衡?”

翟恩地认为,使用抗冰锥减少冰力及冰激振动,和结构尺度增加引起的波浪载荷增大,需要平衡。目前,金风科技和上海勘测设计研究院联合开展相关研究项目,已取得初步成果。

第四个关键问题,是抗震设计。目前,国内无论在陆上还是海上,这方面经验明显不足。这其中最困难的,是抗震标准的选择,目前国内大多沿用房屋建筑的抗震标准,即在50年的设计寿命中,允许结构损伤超越概率为10%。而风机与房屋建筑物不同,它的设计寿命才20~25年,海上风电结构损伤也不涉及人员伤亡问题,因此地震风险承受标准也应该与房屋建筑物不一样。可见,风电行业亟待制订相关的抗震标准和规范方法。

第五个关键问题,是地基刚度对载荷的影响,也就是在无冲刷和有冲刷时、初期及长期循环荷载作用下桩土相互作用对支撑结构频率的影响。模拟桩土相互作用,无非就是三种方法,一种是在泥面处设置超单元,用刚度矩阵,第二种就是求出等效桩长而不再直接考虑土体,第三种也是最实用的方法是用实体桩,用非线性弹簧来模拟土抗力和桩相互作用。这里面还涉及到很多问题。翟恩地曾多次在行业大会上表示,对于大直径单桩而言,它已不是传统意义上的“桩”了,它更像挡土墙结构,这两种土中结构的设计方法是不同的。

塔架设计面临的技术“难关”

关于海上风电塔架设计,翟恩地指出,塔架的设计应从以下几方面进行检验:一是塔架载荷所产生的极限应力,二是焊缝疲劳,要通过载荷计算,找出每条焊缝处的疲劳载荷,焊缝截面进行校核。

如何对塔架进行优化?翟恩地指出,以直径、壁厚为变量,以频率、屈曲、疲劳等为约束,以总体重量最小化为目标。

此外,翟恩地指出,通过人工防护减少冲刷,这一问题目前还仍有待进一步研究,以达到既安全又降低成本的目的。

在桩基础的设计方法上,在疲劳载荷下进行设计,与塔架的方法基本类似,目前来看,国内很多基础的疲劳设计方法相对仍比较简单。未来要多采用大数据、云计算,采用更科学的时程方法进行疲劳计算。

打破传统基础设计的制约

在海上风电支撑结构一体化设计关键技术方面,翟恩地指出,目前国内主要采取分步迭代法的方式进行。值得一提的是,金风科技在载荷计算时,已朝着一体化的方向不断迈进。具体来说,即不再提供塔底界面载荷,直接提供基础不同高程包括塔底、水面处、泥面高程的极限载荷和疲劳载荷,甚至在整个计算当中,采用这些疲劳和极限载荷,进行结构强度和变形校核,从而降低重复计算和成本。

金风科技拥有上百人的塔架基础设计和载荷计算团队,团队成员遍及丹麦、挪威、德国、美国等多个国家。上千台计算机联合在云端进行运算。未来,希望通过大数据、云计算,实现设计院与整机厂商在技术设计上的紧密合作。目前金风科技正努力打造积极推进建设相关大数据平台。

演讲最后,翟恩地指出,发展海上风电,离不开风机的研发和进步,更有赖于包括塔架基础专业的团队进行各项创新,在保证安全的前提下减少冗余成本。这是整个海上风电未来发展的重要方向。

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