龙源电力周全智：漂浮式海上风电技术创新与项目分析

2021年6月24日,由北极星电力网、上海电力大学、上海新能源人才技术教育交流中心共同举办的“2021海上风电创新发展大会”在上海召开,龙源(北京)风电工程设计咨询有限公司、龙源新能源发展研究中心高级工程师周全智作了题为《漂浮式海上风电技术创新与项目分析》的演讲。

他指出,水深超过60米,漂浮式比固定式的基础形式更经济,造价更低。龙源的漂浮式项目融合了海产养殖功能,该项目是全球正在实施的唯一一项风渔融合项目。当前内陆和沿海近岸养殖病害频发、环境恶化、食品安全等问题日益突出,水产品供给与需求的矛盾将更加严峻。海水养殖业由陆地、近浅海养殖推向深远海工业化智能高效养殖将是海洋养殖业的必然选择,龙源电力漂浮式项目的实施具有特殊的示范意义。

周全智:各位领导,各位同仁下午好。我是周全智,来自龙源电力,很荣幸有机会给大家分享一下龙源浮式风电项目的研究成果及进展情况。

首先介绍一下龙源电力集团。龙源电力是国家能源集团的二级子公司,目前龙源电力在全国32个省区市都有风电场的开发,在2015年风电开发规模已保持世界第一。2020年底开发规模达到2230万千瓦,在海上风电领域,去年实现装机190万千万,今年年底预计能达到260万千瓦。

我来自设计公司,是龙源电力的二级子公司,主要负责设计咨询的工作,目前设计公司已经承担的设计项目可研预可研达到3000万千瓦,施工图达到1000万千瓦,期间创造了很多个第一,如第一个低风速的风电场、高热度风电场、高海拔的风电场等。

今天我为大家主要分享六个方面的内容。

最近漂浮式风电很火,大家可能会问,为什么要做漂浮式风电呢?我认为有以下几个原因,第一就是我们的海上风资源,离岸越远水深越深,风能密度越高。调研结果显示,在水深超过50米之后,风能密度是近海的将近4倍,深海资源非常丰富;第二从经济性来说,离岸越远水深增加,如果采用通常的固定基础形式,它的造价会大幅增加,相对而言采用漂浮式基础则更经济,造价更低。

另外,漂浮式风机是浮在水面上的,不会跟海床直接接触,这样有利于在一个开发区域内把风机基础标准化,这样有利于规模化发展,产业化效应更强。

第二,现在全球范围内漂浮式风电的情况如何?截至当前,已统计的漂浮式项目共计49个,已建成仅有10个,均位于欧洲和日本(其中8个为样机示范工程),确定待投产时间的有12个。

目前国外的漂浮式基础形式主要有四个——半潜式、单柱式、驳船式、张力腿式,这其中超过一半还是半潜式为主。

在这些基础形式的选型,单柱式对于水深要求比较高,它对于港口码头的要求也比较高,另外张力腿的安装风险比较大一些,结构形式也比较复杂,造价相对比较高,所以这个应用比较少。目前应用比较多是半潜式和驳船式,主要采用船的技术相对比较成熟,稳定性也相对好一些。

现在漂浮式整体的造价情况是怎么样的呢?据最新研究数据,首个漂浮式海上风电项目建成以来,建设成本明显下降,2019年葡萄牙WindFloat Atlantic项目实现4万元/kW造价,降幅约86%。综合来看,目前国外漂浮式海上风电造价4万元/kW水平,这个是国外的水平,我们国内要达到这个水平,还要同仁们一起努力。

目前国内正在实施的项目主要有三个:一个是龙源的海产养殖结合的龙源南日示范项目,水深是35米;还有三峡阳江示范项目,水深30米;再有是中海海装的,水深是65米。以上三者均采用半潜式基础。

第三,涉及到漂浮式风电开发技术有哪些?

漂浮式风电示范工程涉及四个方面的关键技术:一是浮式平台,二是浮式风机,三是动态海缆,四是水池试验。

浮式风电平台漂浮在水面上,荷载工况非常复杂,既有上部风机空气动力荷载传来的巨大水平推力和力矩,又有下部波浪、流水动力荷载,还有系泊动力作用及变化的浮力作用,这些荷载是同时发生,耦合在一起的,如何进行耦合分析是一个挑战;浮式平台要满足浮式风机的静稳性和耐波性要求,满足静稳性要求在风机巨大力矩条件下倾角不能太大,耐波性要好,在风浪流作用下保证较小的运动幅度(包括加速度);结构安全性。要求在极限海况条件下满足强度、疲劳等问题;另外浮体平台的设计需要多专业如总体、结构、机管电仪讯、通风、安全消防等多专业通力配合才能完成。

漂浮式风电机组与固定式不同,漂浮式风机的基础要动,风机性能、部件要满足平台运动要求;在风机总体设计方面,首先要研究平台运动对风机气动性能的影响,确定浮式风机总体技术路线研究,其次对漂浮式风机传动链各部件润滑、冷却、密封系统设计,最后要对浮式风机塔筒进行专门设计;

在风机与平台一体化设计方面,首先是要使风电机组在风浪流等荷载作用下进行全耦合一体化的仿真,其次要对风电机组结构强度及疲劳寿命进行评估,最后是解决浮式风电机组全耦合控制策略问题。

与固定式海上风电不同,由于漂浮式风机基础在海面上一直处于运动状态,与之相连的海缆也是动态的。因此需要对该段海缆进行特殊设计和一系列特殊试验测试。同时,在30m-60m的过渡水深条件下,相关研究表明,波、浪、流对海缆影响明显,浮体平台受浪流影响也很大,位置偏移较大,从而导致动态海缆线型设计困难,还有就是海生物的影响,海生物生长导致电缆自重增加,线型变化。

在水池实验方面,上部风机的气动力模拟需要满足雷诺相似,而下部平台的模拟需要满足付如德相似,两者在同一水池是无法同时满足,因此如何解决两者的协调,从而较为准确的模拟风机及平台的运动是需要解决的一个技术难题。

接下来我谈一谈深远海养殖的情况。

近年来内陆和沿海近岸养殖病害频发、环境恶化、食品安全等问题日益突出,水产品供给与需求的矛盾将更加严峻。海水养殖业由陆基、近浅海养殖推向深远海工业化智能高效养殖将是必然选择,这一点在水产养殖业呼声很高。

当前我国正兴起了深远海网箱研发、建造、试验或应用示范热潮,至今已成功建造出20多种新型深远海网箱。从深远海发展的趋势看来,大型化、规模化的深远海网箱养殖是今后发展的必经之路。龙源漂浮式风电平台跟水产养殖相结合,是一个很好的切合点,这是我们这个项目做的一个尝试。

当然这也面临着一些挑战,比如说风机噪音对鱼类品种的影响、电磁波对渔业养殖的影响等。另外在平台应用方面,因为有网衣,有海生物附着后,整个平台的重量增加,平台运动会受到一定的影响。除此之外,运维风电和运维养鱼怎么去结合,这也是值得探讨的问题。

下面我介绍一下龙源漂浮式风电项目的情况。

龙源浮式样机项目位于龙源福建南日项目B区,项目浮体平台采用半潜式,平台采用三角形布置,每个角上设置一个圆柱浮筒,风机坐落在其中一个浮筒上。三个浮筒通过三榀桁架支撑连接,每榀桁架设置上下水平撑及斜撑,形成稳定结构。每个浮筒下面设置圆盘形浮舱,这有三个好处,一是为了提供充足的拖航浮力,二是可以满足水深较浅的安装码头要求,三是可以提供升沉阻力,减小平台运动响应。

养殖方面,项目网衣采用超高分子量聚乙烯网衣,在投饵方式采用气体输送式进行设置的。适应海洋养殖趋势,采用智能化设施,包括自动洗网机应用,还有养殖监测系统的应用,包括温度,PH值相关的监测,另外还有鱼活动的一些监测,实时传到控制中心。

在数值计算上采用一体化分析,通常情况下,做风机的荷载模拟的时候,用十分钟的时长,但是在海洋工程当中,实际上用3小时的时长。选择了采用3小时的时长,由于时长增加之后,可能会导致过大的荷载,采用一些规范的做法把这个荷载进行相应的减少。

在风电机组方面,经过多轮的计算,现在目前风电机组的校验都完成了。

动态海缆方面,进行了海缆与平台的耦合分析,目前动态海缆的线形设计已经完成。

目前正在进行水池实验,水池实验关于两个不协调,目前也得到了比较好的解决,上海交大开发了一套计算的软件,会采用这种流体力学计算的方法,把这个叶片进行了比较好的设计,目前试验推力和目标推力非常接近,达到99%。

最后谈一谈对漂浮式风电的展望。

首先在漂浮式风电造价方面,根据相关机构预测,2025年将初步实现漂浮式海上风电的商业化,2025-2030年有望实现40%-56%的成本下降,预计2035年成本将接近当前固定式风机。漂浮式海上风电各部分成本下降预测实现商业化后,主机和平台成本有望大幅下降,使整体造价降至1.75万元/kW左右。

海洋牧场与海上风电融合发展,是现代农业和新能源产业跨界融合发展的典型案例,是综合利用海洋的创新思路。

漂浮式风电可以与深水油气生产相结合,为油气生产提供电力,如可以给深水平台群生活楼供电,给浮式储卸油平台(FPSO)供电,给水下生产设施和油田注水设施供电等。这不仅能减少油气平台生产碳排放量,还可降低投资成本;

漂浮式风电制氢是解决远距离深海风电送出成本增加问题的有效途径。 海上制氢全过程绿色环保,能源及原料就地取材且用之不尽。可推动海上风电、海水淡化、电解水制氢、氢压缩与存储技术的综合应用及发展,一举多得。

总的来说,漂浮式风电开发虽然有许多技术问题需要解决,但发展空间巨大的,前景是光明的,相信在国家政策的支持下,在各位同行的努力下,我国漂浮式风电一定能茁壮成长,早日实现商业化。

谢谢大家!