中国海上风电支撑结构一体化设计综述_周昳鸣.pdf

第第 44 卷卷 第第 1 期期 2023 年年 2 月月Vol.44 No.1Feb.2023发电技术发电技术Power Generation Technology中国海上风电支撑结构一体化设计综述周昳鸣，闫姝，刘鑫，张波，郭雨桐，郭小江（中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京市 昌平区 102209）Summary of Offshore Wind Support Structure Integrated Design in ChinaZHOU Yiming,YAN Shu,LIU Xin,ZHANG Bo,GUO Yutong,GUO Xiaojiang(China Huaneng Group Clean Energy Research Institute Co.,Ltd.,Changping District,Beijing 102209,China)摘要摘要：对当前中国海上风电在风机、塔架与基础一体化设计领域的研究进行了回顾，从降载优化技术、结构优化技术、工程探索与应用方面探索了一体化设计的可行性，给出了在海上风电支撑结构轻量化的优化目标下可采用的一体化设计的关键技术和实施途径。研究表明，中国海上风电行业需要从提供一体化设计的前提条件、当前阶段可采用的技术、下一步的研究方向3个层次逐步落实，在海上风电走向平价上网的大背景下，业主工程师与第三方认证机构需要起到更大的推动作用。关键词关键词：海上风电；一体化设计；全局最优设计；结构轻量化设计ABSTRACT:This paper reviewed the current development research of Chinas offshore wind power industry in the field of integrated design of wind turbine,tower and foundation.This paper explored the feasibility of integrated design from the aspects of load reduction optimization technology,structural optimization technology and engineering exploration and application,and discussed the key technologies and implementation methods of integrated design that can be adopted under the optimization goal of lightweight offshore wind turbine support structure.The research shows that Chinas offshore wind power industry needs to be gradually implemented from three levels:providing the prerequisites for integrated design,using the technologies that can be adopted at the current stage,and exploring the next research directions.In the context of offshore wind power moving towards grid parity,owner-engineers and third-party certification bodies need to play a greater role in promoting the integrated design method.KEY WORDS:offshore wind power;integrated design;global design optimization;structure lightweight design0引言引言因海上风资源更为丰富、不占用土地、距离用电负荷中心近等优势，海上风电成为我国加快能源转型的重要途径1-4。大力发展海上风电，有利于地区经济结构升级，有助于确保能源供给安全，可以促进前沿技术进步，能够为我国实施海洋强国战略提供支撑5。根据华能清能院统计，20192021年期间江苏、辽宁和浙江3个省份的已建与在建海上风电项目投资概算在17 00020 000元/kW，如果要实现低于0.5元/(kWh)的电价甚至标杆电价，投资造价需降低至10 000元/kW以下。其中，主机费用占比为33.67%38.10%；支撑结构(塔架和桩基)费用占比为 18.16%25.74%；海缆费用占比为8.21%11.42%；升压站费用占比为5.11%6.19%；吊装费用占比为4.70%5.53%；其他费用(含用海费、勘 察 设 计、预 备 费 等)占 比 为 17.28%21.12%。与陆上风电造价最大的不同在于，海上风电的桩基和塔架占比更高，约占总造价的1/4。海上风电在助力“双碳”目标中发挥着重要作用。在“十四五”期间，海上固定式风电是否能够实现平价开发将直接影响该行业的未来发展。从中国开始建设海上风电以来，支撑结构一体化设计一直被业主、风机厂、设计院、高校等机构提及，但是目前仍然没有形成真正统一的定义和设计标准。2021年是海上风电享受国家补贴的最DOI：10.12096/j.2096-4528.pgt.22033 中图分类号：TK 81基金项目：国家重点研发计划项目(2020YFB1506600)；中国华能集团有限公司科技项目(HNKJ20-H07)。Project Supported by National Key Research and Development Program of China(2020YFB1506600);Science and Technology Project of China Huaneng Group Co.,Ltd.(HNKJ20-H07).第第 44 卷卷 第第 1 期期发电技术发电技术后一年，2022年起新投产的项目将开始由平价上网逐步走向竞价上网。随着“抢装潮”过后市场阶段性萎缩、平价上网倒逼风机厂家降低利润率等形势的发展，2021年底招标的海上风电项目主机(含塔筒)最低中标价已达到3 830元/kW，相比于“抢装潮”最高价降低了约40%6。整体项目投资预计降低至13 000元/kW以下，但距离平价或者接近平价仍有不小差距，因此对整体投资占比第二高的支撑结构也亟须协同降本。支撑结构的降本除了通过降低钢材等原材料的价格来实现外，结构轻量化设计是最有效的途径。由于行业分工，在当前海上风电支撑结构的传统设计方法中，载荷计算和塔架结构设计优化由主机厂负责，基础结构设计优化由设计院负责。该传统设计方法人为地将整个非线性系统切割为2个子系统，既无法获得多种载荷作用下的整体结构响应，也无法对整体结构进行全局优化设计。自海上风电发展以来，海上风电支撑结构一体化设计(以下简称“一体化设计”)的概念7-10一直被学术界和工业界提及，即对风机、塔架和基础建立一个整体动力学模型，开展风、浪、流等环境载荷和风电机组控制系统共同作用下的一体化载荷分析和结构优化。一体化设计是海上风电“卡脖子”的关键技术。本文提出了一体化设计的定义和技术难点，介绍了一体化设计方法在国外的研究与应用情况，围绕载荷计算、结构优化和实际工程应用情况，分析了当前国内一体化设计的发展现状，从必备前提、当前可采用的技术及未来研究方向3个层面给出了实施路径，并展望了一体化设计方法在推动海上风电平价上网方面的应用前景。1一体化设计的技术难点一体化设计的技术难点本文给出的一体化设计定义是：在实际项目给定了机组及大部件配置后，通过对环境参数的精细化处理，对风机、塔架和基础结构的设计变量进行迭代优化设计，在满足风电机组的适应性和安全性的前提下，达到降低项目投资成本的目标。本文中风机的设计变量主要是偏航变桨角度、速率，发电机转矩，以及切入、切出转速等控制参数；塔架和基础结构的设计变量包括直径、壁厚、长度等几何参数；最终的优化目标是在满足安全要求的前提下，得到造价最低的支撑结构设计方案。由于支撑结构的造价一般与其质量直接相关，因此通常将支撑结构的质量作为优化目标。一体化设计包含了空气动力学、水动力学、结构动力学、岩土力学、控制系统和优化算法等多个研究方向；涉及的专业部门包括跨公司的勘察设计、载荷仿真、系统控制、塔架、海工结构、金属结构等；涉及的标准规范包括IEC系列国际标准，DNV、Eurocode、DIN系列欧洲标准，API系列美国标准，国内港工设计标准和部分行业标准；涉及的软件包括BLADED、FAST、HAWC2、SACS、SESAM、ANSYS、ABAQUS 等商业软件，以及各公司、研究院自主开发的软件。在一体化设计的研究和应用中，技术难点包括以下方面：1）主机厂家与设计院使用的不同理论、标准和软件亟须统一与相互验证；2）设计变量及设计域的开放性与实际工程之间的矛盾亟待解决；3）超多工况的计算效率与项目工期要求的矛盾亟待解决；4）载荷、控制与结构迭代设计与全局优化方法的矛盾亟待解决；5）已有规范、新型结构与工艺突破的矛盾亟待解决。2国外研究与应用国外研究与应用2.1研究现状研究现状国外学者最早研究一体化设计时已经聚焦在风机控制策略与一体化建模等关键技术上。Fischer等11针对深水单桩基础的风电机组提出了新的控制策略，有效降低了风机载荷和建造成本。Loukogeorgaki 等12基于 FAST 和 MicroSAS 软件，耦合开发了可对固定式海上风电机组进行整体分析的工具MicroSAS-OWT，这是首次对海上风电机组进行一体化建模和载荷计算的软件开发。随后，国外学者对结构降本设计开展了研究。Haghi等13对西门子海上3.6 MW机组的塔架、过渡段和基础的壁厚同时进行优化，以质量最小为目标函数，以结构的屈曲、频率和疲劳损伤等力学 性 能 为 约 束，实 现 了 12.1%的 减 重 效 果。Chew等14考虑尺寸、频率、极限和疲劳载荷约37Vol.44 No.1周昳鸣等周昳鸣等：中国海上风电支撑结构一体化设计综述中国海上风电支撑结构一体化设计综述束，采用敏度解析算法对导管架基础的整体风机支撑结构进行优化，经29轮迭代后其质量减少了52%。Ashuri等15分别采用分离式结构设计、分离式构型设计、一体化构型结构设计对海上支撑结构进行优化，结果表明，一体化设计可以更有效地降低平准化度电成本(levelized cost of energy，LCoE)。Theo等16采用有限元方法对支撑结构进行优化，结果发现，结构的疲劳和频率是控制约束，通过优化算法可达到19.8%的减重效果。以上研究都对一体化设计进行了探索，但这些研究未采用工业界的结构校核标准，既未考虑采用放宽频率约束及优化控制策略等可能更有效的技术，也未考虑结构变化会引起载荷变化的情况，是基于理想优化模型进行的研究，所给出的方法和结论未经落地验证或第三方机构认证，不能直接在工程项目中采用。2.2工程应用工程应用在工业界，DNV GL17的 FORCE(for reduced cost of energy)项目技术团队明确了大型海上风机及其支撑结构的一体化设计方法能够降低度电成本的程度，如果联合应用4项技术(整体设计、放宽频率约束、增强控制策略和更细长更快速的叶片)，海上风力发电成本将有望降低10%，但一体化设计方法的真正实施还需要同时改变行业的设计、工程制造模式和采购方式，所提出的4项技术是一体化设计的雏形。在软件开发方面，DNV GL基于SESAM软件开发了与BLADED的接口，以“超单元”方式提供了一体化的载荷计算和结构校核功能；Bentley基于S