金风科技总工翟恩地:技术创新是降本增效的根本
作者:能见APP 2018/12/08 浏览:8349 专题

三届全国海上风电工程技术大会将于12月8-9日在广州召开。大会分别从载荷、支撑结构设计及岩土,风电项目工程建设及管理,海上风电场运行维护及评估,水文气象及海洋环境融合技术,海上风电场柔性直流技术多维度深入展开探讨,为您提供一场海上风电工程技术“盛宴”,本次大会由能见App全程直播。

 

国家“千人计划”专家,新疆金风科技股份有限公司总工程师兼海上业务单元总经理翟恩地出席第三届全国海上风电工程技术大会,并作题为“技术创新是降本增效的根本”的主旨演讲。

 

翟恩地:各位专家各位领导早上好。今天给大家汇报的题目是“海上风电支撑结构设计前沿技术探讨”,副标题是“技术创新是降本增效的根本”。

 

刚才易院长也讲到了海上风电成本构成,这张图是典型的江苏地区金风风电机组的成本构成。大家可以看到风电机组的构成在35%左右,而基础包括基础的施工占到21%,支撑结构是塔架和基础的一个整体,两者加起来在海上风电江苏地区略低于机组的成本,而在福建、广东地区可能跟风电机组的成本比较接近。因此,支撑结构的降本增效通过技术创新是必然之路。在控制技术如何来降低载荷,支撑结构一体化设计技术,刚度和阻尼的技术以及我带的团队在这些方面做到什么地步,给大家做一个简短的汇报。

 

载荷不是由结构工程师决定的,载荷是由风机厂商决定的。风机的载荷大部分与风机叶片、控制等等一系列的技术相关,金风科技团队在整个风机载荷优化控制这一块采用了激光雷达,这项激光雷达技术已经实际投入应用,可实现极限和疲劳降载,通过雷达能够提前测量前方约200米的风速,采用4束光束,虽然前方有叶片但不影响风速测量。这样的话开始在秒级单位对变桨进行控制,我们通过在机头加装摄像头,通过叶片转动监测叶片的整个状况,同时在机头加装北斗导航系统,现在基本上在厘米级的状态,对风机的位移进行监测以判断风机的载荷,再通过控制降低载荷。具体在广东福建等地区的控制策略会有所不同,总体来说我们有独立变桨,动态推力控制,在台风地区我们通过备用控制电源等技术达到载荷的控制。

 

在柔性单桩基础特别是大容量风机上,最大的叶轮直径将超过200米,大家可以看到对叶片要有要求,当风机机组达到8兆瓦、10兆瓦,叶片长度会达到百米级,塔架基本上要上升到130、140米。水深不断加大的情况下,一阶频率可能降到0.2Hz以内。大家都知道,在陆上风电有一个概念叫柔塔,其实柔塔的概念不一定是按小于1P进行定义的,当整机频率小于0.2Hz那就是进入柔塔概念。因此未来的海上风电支撑结构基本上就是柔性结构。在这种情况下正好和波浪的频率吻合,将引起长期的振动疲劳。因此在这点上我们一定要通过技术创新控制载荷。第二个针对刚性基础。特别是高桩承台等,我们采取的措施是高级偏航控制等。

 

对于北方地区有冰的状况,疲劳载荷影响非常大,在这种情况下对于水动力进行计算,传统的Morison方程是针对长细结构,针对大型结构,我们要考虑用边界元的方法计算水动力,水动力对整个大型基础结构的疲劳在这种精细化的考虑下优于用Morison方程水动力的结果。基于边界元的水动力计算对结构的影响小于传统Morison方程计算结果,我们的团队在这一块做了很多工作,现在已经在一些工程项目里面进行应用。

 

第二部分给大家汇报一下我们金风科技团队在支撑结构一体化设计这一块的最新进展。大家知道,一体化设计在欧洲已经用于工程设计,我在三峡工作的时候也调研了我们国内的做法,2015年初就提出在中国要强调用一体化设计,到今天还没有全面铺开,这里面问题是虽然一体化设计从概念上比较简单,但是在工程实践里面如何用,这里面涉及到很多的精准的技术。特别是在风荷载和浪荷载如何考虑偏差角的考虑,而目前的风方向和浪方向在同一个方向进行考虑。这也是目前在江苏地区单位千万造价1.5万,广东福建地区单位千瓦造价到2万,一直下不来的其中因素之一。我们金风科技的团队在一体化建模,在整个的基础设计这一块现在已经往前推进了一大步,我们在几个项目里面已经应用,基本上解决将塔架基础作为一个整体,我们已经打造了若干个软件能够推动这项技术在工程里面进行应用。这是我们对5个项目进行一体化设计的对比。其中有典型的江苏地区6兆瓦风机,也有东北地区3兆瓦风机。我们目前对几个项目的载荷弯矩进行对比,通过一体化设计技术,基本上能够降低疲劳载荷在10%-30%这样一个范围,具体一体化和分步设计的区别也做了一些描述。

 

金风科技海上风电设计研究院有100人左右,这个团队一起往前打造力争在国内率先来推动我们的一体化设计,现在基本上打通了载荷塔架基础,不光是建模一体化。建模一体化很简单,关键是这里面在目前行业通用的常用的商业环境下如何打造我们更适用于推动我们一体化设计的一些流程和技术。现在我们基本上已经编了15个打通一体化计算的软件,包括载荷计算,塔架设计,我们打通基础设计的一体化软件,同时在这基础之上金风科技通过亚马逊平台,上千台计算机联网打通整个的载荷输入、计算以及基础参数输出、出图这样的整体步伐。

 

第三部分给大家分享一下刚度和阻尼测试技术。大家也知道困扰我们海上风电特别是未来大容量机组柔性塔架关键技术的问题就是刚度和阻尼。刚度误差达到7%左右,刚度7%的级别对于疲劳载荷就是30%的级别。另外,阻尼技术,大家也知道我们目前设计基本上是采取左边这个把土当成弹簧,通常所说的Py方法,这个方法本身如何对地基进行选取各大设计院方法不同,同时这里边到底使用残留变形还是极限荷载下的变形也不同,就在这一块可能产生3%的区别。另外一点,大家想一想我们的的Py方法是针对长细结构,现在海上风电的支撑结构,特别是已经达到7、8米直径的时候已经不是长细结构,因此提出了用具有无反射边界的整体动力模型确定刚度,这里面的刚度误差也在5%-10%之间。这些刚度对结构的影响又在5%左右,更不要说未来在整个25年周期所产生的频率的变化。这是残余变形和荷载状态下的变形,到底取什么样的刚度,现在国内的设计院基本上按照在极限荷载的变形对应的土壤的刚度确定基础设计的刚度,这个跟实际的状态还是有所区别的。比较一下,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%。这是我们基于那几个项目统计的结果。

 

阻尼技术,在坐的专家特别是我看到也有很多高校的教授过来,阻尼在结构这块比较复杂,比我们传统的工程阻尼更加复杂。首先,我们气动阻尼在我们载荷计算里面就是一个黑箱,通常工程师搞不清楚这个阻尼多大,大家可以看到这是从我们几个项目导出来的数据图片,这是6兆瓦海上机组在不同风速下的合成的阻尼,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,现在是用千分之六代入软件计算。国际国内有很多专家进行研究,金风科技也做了分析,除了系统阻尼把结构、波浪、土壤合成的阻尼从0.6%增加到1%,疲劳载荷可以下降15%。如果说是从0.23%,光是材料阻尼到1%的阻尼增加的话,可以降低40%的疲劳载荷。因此这个地方空间很大,如何确定这些阻尼呢?尽管说刚才我说大家都搞不清楚如何确定。我们要通过现场测试,这是我们说针对在江苏某项目的一个6兆瓦以上的风机进行测试,在塔底、塔顶加装传感器测试,在风机运营状态受不受电磁的影响要做测试,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,这些状态应该说只是针对某一个项目或者某一段时间。我们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。

 

在坐的大学教授你们多多少少也跟我打过交道,也想帮助我们行业突破这些关键技术。天然阻尼以外,针对未来大容量的机组我们必须要增加人工阻尼,金风科技的6兆瓦风机在江苏某区域已经开发并应用了人工阻尼,这项技术应该说已经通过实际工程项目的应用,未来对降本增效起到比较大的作用。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。

 

第四大部分单桩,也是我们今天在坐各大设计院很多研究的问题,英国的PISA项目已经达到了减少3-5米长度。在福建某个项目中,我在前一个工作岗位上的时候联合设计院也往前推进优化桩基长度。针对这一类的技术这是我们实施的结果,用目前通用的传统方法计算,在同一个水平推力下变形很大。真正的结果没有达到这么大,什么原因?就是说,真正在6米甚至未来到10米直径的单桩基础上,这个桩土有三维效应,不光是来自于整体桩左右摩擦力产生抵抗弯矩,在基础底部本身也有一个抵抗弯矩,同时底部变形的时候是6米直径整体带动土的剪切,剪切抵抗也是非常大的,三个因素在现在行业的设计当中还没有考虑。因此,还有很大的承载余量可降低桩基础3-5米的技术变成设计规范完全可以实现。

 

最后一个技术是抗震技术。在加州每一个项目都要做抗震设计,回到国内发现没有做这方面的抗震分析和设计。但在江苏某个海上项目,我们发现地震载荷控制结构设计,我一看感觉就有问题。这个与省里面的地震报告也进行了对比,我们也是拿了国家地震局提供的数据,我们风机主机一般周期在3.3-4秒,根据倒数关系,频率约在0.25-0.3Hz的范围内,根据周围的地震适合中国东部的关系,该阶段反应相差太大。美国的规范要求场地固定规范80%,中国没有相应的规定,只是要求不能低于国标标准。风机主机频率换成周期应该到3-4秒之间,预判的50年10%超越概率这样一个震级远远低于国标,因此这一块还有很大的空间。同时,咱们目前只是关注在地表面,而在美国,不光是在重要工程,即使在一般桥梁工程上,基本上都是通过弹簧对桩基础沿不同深度进行地震输入。

 

简单总结一下今天讲的前沿技术带来的减重,采用一体化设计可以降低载荷特别是疲劳载荷10-30%,结构减重5%-7%。通过考虑三维效应,大直径单桩节省3-5米。抗震这一块过于保守,需要在行业提升海上风电抗震设计规范。谢谢大家!

                   
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