中國海裝董曄弘：浮式風電研制關鍵技術探索

2020年10月14日-16日，2020北京國際風能大會暨展覽會(CWP 2020)在北京新國展隆重召開。作為全球風電行業(yè)年度最大的盛會之一，這場由百余名演講嘉賓和數千名國內外參會代表共同參與的風能盛會，再次登陸北京，本屆大會以“引領綠色復蘇，構筑更好未來”為主題，聚焦中國能源革命的未來。

在15日召開的CWP2020創(chuàng)新劇場上，中國船舶集團海裝風電股份有限公司研究院副院長董曄弘發(fā)表《浮式風電研制關鍵技術探索》主題演講。

以下為發(fā)言實錄：

董曄弘：尊敬的各位領導，各位風電界同仁大家早上好，我是來自中國海裝研究院董曄弘，今天非常有幸在這里跟大家分享我們在浮式裝備研究過程當中所產生的一些心得和體會。這是我今天主要演講的幾個內容。先看看我們的背景和異議，我們從一開始為什么要做浮式風電，最右面的表看出來實際上我們在做海上風電的時候我們目前做的主要還是近海和一些淺水區(qū)海域條件，實際上從風資源分布情況來看，在深遠海區(qū)域實際上我們的更好的一個風資源分布在這些地區(qū)的，當水深了之后我們自然而然的想到要不然我們把樁往下深一點，要不然就浮起來。也就是說水深的就讓它浮起來，這個圖也可以看出，實際上海底的地型是非常復雜多變的，所以我們說浮式風電當我們浮起來之后在一定程度上可以擺脫海底地質條件束縛，從而拓寬我們海上風電適用領域。實際上我們在執(zhí)行項目過程當中，我們也慢慢的發(fā)現(xiàn)確實當我們把固定樁變成浮動結構后，我們實際上對海底的地質條件的需求確實降低了不少。這是浮式風電的全球案例，我們也可以看到這主要在2017年之前的，主要的在早期的一些探索階段的話，主要的就是比較有成效的一個是挪威的，他主要是SPAR的結果形勢，日本2013-2017年幾年期間他們也陸續(xù)裝了好幾款機型，有一些比較成功，有一些效果也是不太好。

進入了這金年以來，我們可以看到最近這幾年在歐洲，特別是在歐洲浮式風電發(fā)展是相當迅速的，其中在這里邊比較值得一提的一個就是法國住阻尼持試的的結構性失，這個也是被列為了除了SPAR、半潛水之外的標準結構性失，是阻尼池這樣的形勢，又稱為波船式。另外就是從去年到今年陸續(xù)在葡萄牙安裝的半潛式的形勢也是目前應用比較廣泛的一個結構。這個是國際上目前準備要安裝的一些案例，可以看到個未來3-5年時間范圍內，浮式風電在國際上的發(fā)展會是一個非常迅速的進展。

這個是我們國內的一些項目探索，國內現(xiàn)在的進展情況到目前位置還沒有一款真正意義上的示范樣機，這個前期我們所開展的都是一些探索性的工作，最早2008年中科院建立了第一臺浮式風力發(fā)電小型樣機，功率300KW，跟我們現(xiàn)在產業(yè)化的浮式風電裝備還是有一定的不同。2013年一個國家863計劃的項目，主要是完成了兩款設計。2018年工信部起動浮式風電裝備研制項目也是花了比較高的成本來做這個事情，預計我們現(xiàn)在在十四五期間將會實現(xiàn)國內海上拂式風電工程示范，至少有1-3款在十四五期間，2025年之前完成示范。

我們在開展我們這個項目過程當中，我們面對的這樣一個困難和挑戰(zhàn)這也是我們自己的一些心的可以給大家分享一下。我們首先面臨的是這樣一個跨界的難題，我們說浮式風電浮式風電，從一個概念上理解其實可以理解成我們把風電技術放在一條船上，因為下面是浮動式結構，他和一條船一定程度上說有相同性質，所以我們提到一個概念浮動風電和船舶實際上有千絲萬縷的聯(lián)系，也就是說我們對這樣的一個浮式結構，對一個船舶我們開展設計的時間我們更多利用的是海工裝備領域的相關技術標準、技術規(guī)范和設計理念、指導思想，這都是海工裝備這樣一個領域里面我們要去做的一些事情。但是我們畢竟開發(fā)的是一款風電裝備，我們也離不開里面的一些相關標準，一些技術、一些開發(fā)規(guī)范，這樣就造成了兩個截然不同的行業(yè)必須要有機融合在一起的跨界。

在這個過程當中，我們實際上有兩大思路來做這樣的結合，第一大思路我們把風電機組看成一個主體，然后把我們的浮動式平臺我們看成是一種特殊的基礎形勢，我們就說以風電設計為主導，以擴展到這樣的一個海工領域的思路。第二個思路就是以浮動的結構為主導，在海洋工程領域浮動式結構也有很多類型和案例，這也是一種思路，風電機組長成一個海洋結構物，我就在一個船或者浮動平臺放一個機組，這是海工領域的思路，把風電機組當成一個結構物，這兩個有截然不同的思想區(qū)別，我們從機組的角度我們思考的是當結合后機組運動性增加，載荷難度會上升，因為原來不用考慮的教速度比較小的自由度他現(xiàn)在有了一個更大的載荷在里面，其次浪和流等海洋環(huán)境對機組影響大浮體升，因為我們知道海上固定機組也要算浪和流對機組沖刷和振動影響，但是當一個固定基礎變成浮動基礎之后他的影響是從一個相對補顯著便成了一個相對顯著的載荷情況，機組控制難度也增加，所有的這些仿真、載荷、控制這些難度的增加都和自由度的提升是直接相關的。站在海洋裝備的角度上來看，我們如果用海洋裝備的思路去設計這樣的一款浮式風電的話，首先風電機組不能在簡單的視做一般結構物，原來一般的海洋裝備浮動結構上面的這一塊結構物一般是靜態(tài)的并且盡量減少風載影響，通過設計各種流線形狀之類減少風載影響，但是風電機組恰恰相反，我們需要安裝風比較大的地方并且需要風載給它一個足夠的推力才能讓它運動起來。在這樣的設計思路的指導下，風載對整個結構的影響將變的至關重要，所以這個隨機性影響讓海洋結構五的載荷也復雜多變，海工里面他們的設計當中也很少遇到的難題。

同時浮體運動和機組的氣動載荷之間有一個強烈的非線性關系，風載會造成浮體運動，同時反作用我們的船動力和葉片，當他的方向和位置改變了之，它的氣動特征、推力特征有一個很大的改變，這個改變也導致了我們整個結構物的一個非線性。

我們想把機組和浮動結構結合在一起的時候我們自然而然就會提出我們很多結合需要回答的問題，比如說性能指標如何去提煉，如何去設計來滿足我們提煉出來的性能指標，極端功況如何保證安全以及最主要得如何設計性價比，這個地方我們可以看到大家如果做設計都是非常熟悉的一個叫不可能三角，這個不可能三角就是這三個因素我們很難讓他們同時具備，當你具備成本和性能的時候，你可靠性多多少少會犧牲一點的，當你想要可靠性和性能都很好的時候成本又很難做下來，成本和可靠性做的很好的時候性能往往不太好，這是我們設計中的不可能三角，如何去打破他?我們答案是要通過技術進步做到不可能三角，三個因素全部往下壓。

這是我們目前要開展的一個技術進展，我們首先把浮式風電的設計和開發(fā)階段從歷史時期來看，我們還是大體把他們分為這樣的四個歷史時期，首先探索期，探索期的特征是風電機組和浮動平臺基本處于一個獨立設計的階段，因為這個主要還是在浮動式風電發(fā)展早期，因為早期我們缺少一體化仿真環(huán)境，也缺少相應的方法，所以往往是機組設計和浮動設計的團隊獨立展開設計和仿真的，在接口處我們的塔基接口位置對比各自分析得出的運動載荷結果。在目前我們開展的設計當中，這各類型的方法我們主要是應用于突破設計。剛才是比較早期的設計思路，這個是目前成長期應用得比較多的理念，以“一體化仿真”為基礎設計，整個的我們一體化理念主要是應用在一個驗證環(huán)節(jié)，什么意思呢?我們往往是設計機組和浮體獨立設計、分別設計，當然中間也是有相應的一些技術指標的指導之下，獨立設計完成之后把機組和浮體看做一個整體來進行我們的運動學和力學的結構仿真。通過仿真結果再來看我們的設計是否合理，這個時間往往是把一體化應用于驗證的環(huán)節(jié)，而沒有真正意義上應用到設計環(huán)節(jié)，這個是成長期一個主要特征，這個是發(fā)展期，也就是我們現(xiàn)在正在邁向的一個時期，發(fā)展期的這樣一個特征，我們所提出的一個概念叫做基于一體化仿真的總體設計，也就是我們把機組和浮體從性能匹配、參數匹配到成本匹配上全方位的讓他們具備一個匹配關系，以一體化的仿真作為我們一個核心支撐。設計流程上我們也增加了一個設計循環(huán)。

進入到發(fā)展期這樣一個典型的特征就是我們的裝備總體設計單位必須要同時熟悉機組設計和浮動平臺的設計，這樣才能基于我們的一個一體化仿真的結果判斷得出優(yōu)化路徑，這個是發(fā)展期的特征。

最后我們預計浮式風電的設計技術應該是在2025年到2030年左右應該是進入到一個成熟期，這是我們對未來的一個判斷。進入成熟期將有成熟的一體化仿真及設計體系，形成完整的浮式海上風電設計、制造、安裝、運維標準體系。形成完備的浮式海上風電機組產業(yè)鏈形成專業(yè)化應用，這是我們的遠期判斷。

這是我們目前開展的多路徑“一體化建模仿真”，我們說兩個思路就是基于機組和海工裝備的思路，我們現(xiàn)在相當于是在兩個思路同時開展，我們叫兩大陣營，各有側重，以水流為核心的軟件，以及以空氣動力學為核心的軟件，這幾條路徑我們都有相應團隊對他們開展探索。

海裝公司實際上組建了兩支設計仿真的團隊，其中一支團隊是以風電機組為核心的思路，開展一體化仿真技術，另外一個是以海裝的開展，我們是準備結合水測實驗結果對兩種路徑的仿真模型進行修正和對比，最后結合起來，我們希望通過這樣的一種方式開展探索之后能夠形成一種標準化的仿真路徑體系。

我們整個團隊大家也知道海工背后靠的中國船舶，中國船舶是國內海工領域實力最強的集團企業(yè)，我們也是充分利用了我們集團所具有的資源，我們將集團內部的一些優(yōu)勢合作單位全部集中在一起組建了這樣一個團隊，目前是已經取得了一定的階段性成果，并且我們計劃在2021年完成樣機示范應用，這是我們樣機示范廠址，位于瓊州海峽洞口，徐聞羅斗沙海域，這里面的典型特征是屬于全國流速最高的領域，基本的環(huán)境來看，首先他有幾個特點，水深是50-70米，最后判斷的浮式風電范圍是一致，其次夏季臺風高發(fā)，第三流速特別大，流速達到了3.5米每秒極限流速。我們目前完成了整體的設計，浮動機組、浮動平臺、系波系統(tǒng)等等的設計。其中風電機組我們目前準備采用H152-6.2MW的抗臺型，主要是抗臺風，適用湛江臺風多發(fā)的海域，這是我們的平臺設計方案，它的一個核心的結構特征是將吹當板和下浮體結合在一起使用，這個是我們的系泊方案，采用9根系泊纜形成對沖式的分布。

這是我們即將開展的水池實驗，主要的驗證將在702所耐波性水池中完成，這里面我們主要做對海洋結構物的仿真，對它運動性能的實驗，除了這個實驗以外我們還計劃在上海交大做風電機組在搖擺環(huán)境下的仿真。這個上海交大的模型是可以實現(xiàn)變槳和偏航模擬，這有視頻，這個實驗在最近兩個月就會開始做。

我們總結一下，剛才提到的首先說我們浮式風電當風電進入到深遠海之后的一個必然選擇，也從成本趨勢圖可以看到，水深30-60米過渡水域之外，浮動式基礎它的成本是說具有一個非常大的競爭優(yōu)勢當一體化的浮式風電裝備仿真突破之后，我們的建設成本和度電成本都會有一定降低，預計2030年全球裝機容量達到30GW，海上這一凱度石、斜演面等都會有一定的影響，所以他會成為我們巨大的前景。

除了大規(guī)模裝機之外，浮動式風電還有一個很重要的應用場景就是為海上的這樣一些實際應用我們給它提供一個供電保障，包括深遠海漁業(yè)養(yǎng)殖，深鴛海石油開采、海水淡化、制氫、煉油以及壓縮空氣儲能等等。浮動式風電現(xiàn)在已經在國內正是方興未艾的階段，我們相信在未來的5-10年之內將成為我們海上風電的主流，我們也希望大家可以一起共同努力，把我們國內這樣海上風電、浮動式風電的事業(yè)推向一個新的高度，謝謝大家。

(根據演講速記整理，未經演講人審核)