中船重工海装风电侯承宇：海上风电已经迎来了高速发展期
2018年10月17日-19日，2018北京国际风能大会暨展览会（CWP 2018）在北京新国展隆重召开。本次大会由中国可再生能源学会风能专业委员会、中国循环经济协会可再生能源专业委员会、全球风能理事会、中国农业机械工业协会风力机械分会、国家可再生能源中心和中国电子信息产业发展研究院（赛迪集团）六大权威机构联合主办。
中国船舶重工集团海装风电股份有限公司研究院机械所钢结构副主管工程师侯承宇在“风电机组大型化技术论坛”中发表主旨演讲。 |
他在演讲中表示，现阶段海上风电已经迎来了高速发展期，海上风电肯定要走向深远海，深远海开发潜力也是十分巨大的，数据显示，我国水深超过50米的海域风能储量超过了1268GW，这个占比在日本和欧洲更高，超过了80%，全球深远海则超过了8000GW，发展潜力巨大。
随着水深的增加，固定式机组的地勘成本还有施工成本增幅都是大大高于浮式机组的。但研究浮式风电还存在很多的问题，从设计标准，到分析工具，再到积累的经验都很欠缺，典型的挑战来自四个方面：总体设计的挑战也即如何才能提高整个系统性价比和可靠性、载荷分析的挑战、水池试验的挑战以及工程化技术的挑战。
以下为发言实录：
侯承宇：各位专家，各位同行大家好，今天想跟大家分享的题目就是海上浮式风电装备技术与应用。下面的图大家很熟悉，可以看出来两者并不是十分匹配，但是右边可以看出来，我国海上丰富匹配用电丰富比较大的区域，而现阶段陆上阶段已经进入了成熟期，海上风电已经迎来了高速发展期。随着海上风电高速发展，海上风电肯定要走向深沿海，深沿海开发潜力也是十分巨大的，从下面两个表格可以看出来，我国水深超过50米的海域，风能储量是超过了1268GW，这个占比在日本和欧洲更高，超过了80%，而这个全球深远海超过了8000GW，发展潜力巨大。同时也是有利于近海环保，环保是两个方面，一个方面因为离岸距离远，视觉污染和噪音污染更小，同时一般会采用浮式机组，不需要进行大规模的陈装施工，因此施工噪音也是比较小的。
现阶段探索深远海的风电，也符合国家的导向，国家也是非常支持深远海风电的开发，连续几年都有相关的政策出台，想研制这个装备唯一的技术路径，为什么这么说，因为现阶段近海风电所采用的基础都是固定式的基础，像单装、导管架，他们适用水深有所不同，国外的研究机构研究了一下，在水深小雨30米，一般是单装，30米到60米是导管架，超过60米就不具备经济性，当然这个数据是国外研究得出来的，国内没有做过详尽的分析，相比固定式机组而言，随着水深的增加，它的地勘成本还有施工成本，这个增幅都是大大高于浮式机组的。
海上浮式机组风电装备系统是风电发电机组、浮动平台、系泊锚固系统和输配电系统。浮动平台是利用浮力来支撑的，有别于固定式基础，将载荷直接传到地基，浮动平台常见形式三种，半潜式通过调整压舱的程度来形成合理的维持平衡，如图所示，在码头就可以完成组装。张力腿式也不复杂，它的一个区别就跟刚才那个就是浮筒全部没于水下，通过浮力来彰显，以此维持平衡。张力腿式这个摇摆平行都是比较好的，但是受海流影响相对较大，跟洋流会引起共振。采用这个浮式机组同样在码头可以完成组装，但是就是说张力腿式不具备，要想整体运输还要采取一定的工程措施，就比如像下面这个图所示，增加水舱，持续压载，吃水达到设计深度。单立柱式就非常简单了，就是一个圆柱形浮体，使这个重心始终低于这个浮心，因此维持平衡，垂荡运动小，但是横摇和纵摇就大一点，另外一个特点吃水非常深，所以说这个机组需要一个分组运输安装。一般而言浮托到合适的海域进行一个指令，指令完成之后进行吊装，然后跟前面一样整体到机位点进行系泊锚固。
可以说各有利弊，但是没有最优的定论，当然除了三种还有很多其他的平台，就比如说多风机的平台，它一般是将结构大型化，一个平台就可以匹配多个风机，以此来降低千瓦的造价，还有多能互补式平台，还有波浪能和太阳能，有其他的一些。浮式机组它的这个系泊锚固系统和海洋系统没有什么本质的区别，主要还是要根据海装的条件还有所采用的平台类型以及施工条件做一个合适的类型，当然在设计的时候还需要考虑动力学系统的影响。
我们再简单回顾一下国内外发展历程和现状。其实早在1972年，美国麻省理工大学已经提出了浮式机组概念，但是接下来20年基本上没有什么突破性的进展，直到1999年还是处于缩尺模型，2009年第一台就采用的单体立柱式的，2011年日本值得提一下，因为发生了福岛核电站的泄漏，它接连安装了四台样机，两兆瓦的样机，2013年是一个紧凑型的半嵌入平台，2015年是7兆瓦的浮式机组安装，这也是迄今为止最大的。
2016年是5兆瓦机组，大大减少了吃水深度，设计吃水只有30多米。2017年海上浮式风电装备进入了小批量应用投产，在苏格兰投产，是5台6兆瓦的机组，预计2020年还有数个小批量项目会投产，当然我下面这个表格是不完全的统计表，但是可以看出来，后面投产的机组都是一些大型机组了，都是5兆瓦、6兆瓦、7兆瓦这个级别了。
而国内研究工作可以说是相对晚一些，前期就像重庆大学、上海交大一些高校展开过相关理论研究，企业牵头的省部级科研项目很少，一个是关于863项目，还有一个深远海前期研究项目。
近几年海装风电在浮式风电也开展了相关工作，2016年年底到2018年初，（PPT）机位点在苏格兰北部海域，项目水深是75米到85米左右，右边那个图可以看到结构形式，其中两个浮筒是安装风机。在这个项目里面海装的角色还是一个运维服务商，项目运行过程中，共同搭建了仿真平台以及对单平台控制系统进行开发等等。（PPT）。希望能替国家承担浮式风电的研发。
研究浮式风电还存在很多的问题，从设计标准到分析工具再到积累的经验其实都很欠缺，就是说面临的挑战可以说是非常之多，我后面列举了4个方面的典型挑战。首先是总体设计的挑战，就是如何才能提高整个系统性价比和可靠性（PPT）。
载荷分析的挑战，载荷分析准确性和可信度对整个设计是至关重要的，而辐射机组是在综合载荷复杂系统，相比固定式机组运动维度更多，运动和载荷相互影响更大，整个载荷环境就比固定式机组要复杂很多，因此在一体化耦合动力学分析模型的定力，还有转换之类的工作都还非常多。同时为了不断修正计算模型还要进行一致性的验证，首先就是在设计阶段要利用水池阶段进行验证，还有样机测试数据与计算数据进行一个设计对比。
水池试验的挑战，刚才也提到了，这是必须的，因为要用它验证我们的载荷计算方法和结果，如何来确定这个模型的尺度等效性以及同步加载，首先是尺度等效性的问题，按照海洋工程的方法，水动力学可以满足这个匹配性，但是由于能动数不相同，因为空气动力和水动力有区别，空气动力学往往是不能满足匹配关系，因此必须要进行一体化模型等效性研究，尺度模拟关系，最终来建立一个等效。再说耦合加载，风况和海况有相关性，又存在耦合，工况也是非常复杂。所以说加载方法也是值得进一步研究的课题。
最后是工程化技术的挑战，工程问题可以说是最为具体也是非常之多的，我这儿也是列举三类，首先环境适应技术，设计的时候除了要考虑基本参数以外还有一些极端情况，比如说台风、腐蚀都需要考虑，不同平台结构特点不同，运输条件包括码头条件、它的设备条件都有所不同，如何来确保整个安装过程高效和安全，也是一个很具体的问题需要进一步的进行研究。而运维来说，运维首先是维护对象更多，因为除了风电机组之外它的浮动平台，系泊锚固系统也需要进行维护，为什么离岸更远，因为是深远海，可达性的问题更为凸显，运维除了要考虑提高设备的可达性之外，还有其他的监控，远程运维技术还有故障预测，这些技术都需要进一步的研究。
最后再简单展望一下应用前景。比如像（英文）利用浮式风电给注水泵进行供电，日本也在探索这个应用，就是来探索打造海洋渔场和养殖场。我们集团也是在做类似的探索，下面这三个图都是我们集团设计的大型浮艇，这个已经完成了制造，右边的海洋之星提供餐饮和娱乐的，我们也在考虑是不是能够共同供电，上述就是我今天的分享内容，希望将来能与在座同行专家共同来推进浮式风电产业发展，谢谢大家。
