2021年6月24日,由北極星電力網(wǎng)、上海電力大學(xué)、上海新能源人才技術(shù)教育交流中心共同舉辦的“2021海上風(fēng)電創(chuàng)新發(fā)展大會”在上海召開,龍源(北京)風(fēng)電工程設(shè)計咨詢有限公司、龍源新能源發(fā)展研究中心高級工程師周全智作了題為《漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新與項目分析》的演講。

他指出,水深超過60米,漂浮式比固定式的基礎(chǔ)形式更經(jīng)濟(jì),造價更低。龍源的漂浮式項目融合了海產(chǎn)養(yǎng)殖功能,該項目是全球正在實施的唯一一項風(fēng)漁融合項目。當(dāng)前內(nèi)陸和沿海近岸養(yǎng)殖病害頻發(fā)、環(huán)境惡化、食品安全等問題日益突出,水產(chǎn)品供給與需求的矛盾將更加嚴(yán)峻。海水養(yǎng)殖業(yè)由陸地、近淺海養(yǎng)殖推向深遠(yuǎn)海工業(yè)化智能高效養(yǎng)殖將是海洋養(yǎng)殖業(yè)的必然選擇,龍源電力漂浮式項目的實施具有特殊的示范意義。

周全智:各位領(lǐng)導(dǎo),各位同仁下午好。我是周全智,來自龍源電力,很榮幸有機(jī)會給大家分享一下龍源浮式風(fēng)電項目的研究成果及進(jìn)展情況。

首先介紹一下龍源電力集團(tuán)。龍源電力是國家能源集團(tuán)的二級子公司,目前龍源電力在全國32個省區(qū)市都有風(fēng)電場的開發(fā),在2015年風(fēng)電開發(fā)規(guī)模已保持世界第一。2020年底開發(fā)規(guī)模達(dá)到2230萬千瓦,在海上風(fēng)電領(lǐng)域,去年實現(xiàn)裝機(jī)190萬千萬,今年年底預(yù)計能達(dá)到260萬千瓦。

我來自設(shè)計公司,是龍源電力的二級子公司,主要負(fù)責(zé)設(shè)計咨詢的工作,目前設(shè)計公司已經(jīng)承擔(dān)的設(shè)計項目可研預(yù)可研達(dá)到3000萬千瓦,施工圖達(dá)到1000萬千瓦,期間創(chuàng)造了很多個第一,如第一個低風(fēng)速的風(fēng)電場、高熱度風(fēng)電場、高海拔的風(fēng)電場等。

今天我為大家主要分享六個方面的內(nèi)容。

最近漂浮式風(fēng)電很火,大家可能會問,為什么要做漂浮式風(fēng)電呢?我認(rèn)為有以下幾個原因,第一就是我們的海上風(fēng)資源,離岸越遠(yuǎn)水深越深,風(fēng)能密度越高。調(diào)研結(jié)果顯示,在水深超過50米之后,風(fēng)能密度是近海的將近4倍,深海資源非常豐富;第二從經(jīng)濟(jì)性來說,離岸越遠(yuǎn)水深增加,如果采用通常的固定基礎(chǔ)形式,它的造價會大幅增加,相對而言采用漂浮式基礎(chǔ)則更經(jīng)濟(jì),造價更低。

另外,漂浮式風(fēng)機(jī)是浮在水面上的,不會跟海床直接接觸,這樣有利于在一個開發(fā)區(qū)域內(nèi)把風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)化,這樣有利于規(guī)模化發(fā)展,產(chǎn)業(yè)化效應(yīng)更強(qiáng)。

第二,現(xiàn)在全球范圍內(nèi)漂浮式風(fēng)電的情況如何?截至當(dāng)前,已統(tǒng)計的漂浮式項目共計49個,已建成僅有10個,均位于歐洲和日本(其中8個為樣機(jī)示范工程),確定待投產(chǎn)時間的有12個。

目前國外的漂浮式基礎(chǔ)形式主要有四個——半潛式、單柱式、駁船式、張力腿式,這其中超過一半還是半潛式為主。

在這些基礎(chǔ)形式的選型,單柱式對于水深要求比較高,它對于港口碼頭的要求也比較高,另外張力腿的安裝風(fēng)險比較大一些,結(jié)構(gòu)形式也比較復(fù)雜,造價相對比較高,所以這個應(yīng)用比較少。目前應(yīng)用比較多是半潛式和駁船式,主要采用船的技術(shù)相對比較成熟,穩(wěn)定性也相對好一些。

現(xiàn)在漂浮式整體的造價情況是怎么樣的呢?據(jù)最新研究數(shù)據(jù),首個漂浮式海上風(fēng)電項目建成以來,建設(shè)成本明顯下降,2019年葡萄牙WindFloat Atlantic項目實現(xiàn)4萬元/kW造價,降幅約86%。綜合來看,目前國外漂浮式海上風(fēng)電造價4萬元/kW水平,這個是國外的水平,我們國內(nèi)要達(dá)到這個水平,還要同仁們一起努力。

目前國內(nèi)正在實施的項目主要有三個:一個是龍源的海產(chǎn)養(yǎng)殖結(jié)合的龍源南日示范項目,水深是35米;還有三峽陽江示范項目,水深30米;再有是中海海裝的,水深是65米。以上三者均采用半潛式基礎(chǔ)。

第三,涉及到漂浮式風(fēng)電開發(fā)技術(shù)有哪些?

漂浮式風(fēng)電示范工程涉及四個方面的關(guān)鍵技術(shù):一是浮式平臺,二是浮式風(fēng)機(jī),三是動態(tài)海纜,四是水池試驗。

浮式風(fēng)電平臺漂浮在水面上,荷載工況非常復(fù)雜,既有上部風(fēng)機(jī)空氣動力荷載傳來的巨大水平推力和力矩,又有下部波浪、流水動力荷載,還有系泊動力作用及變化的浮力作用,這些荷載是同時發(fā)生,耦合在一起的,如何進(jìn)行耦合分析是一個挑戰(zhàn);浮式平臺要滿足浮式風(fēng)機(jī)的靜穩(wěn)性和耐波性要求,滿足靜穩(wěn)性要求在風(fēng)機(jī)巨大力矩條件下傾角不能太大,耐波性要好,在風(fēng)浪流作用下保證較小的運動幅度(包括加速度);結(jié)構(gòu)安全性。要求在極限海況條件下滿足強(qiáng)度、疲勞等問題;另外浮體平臺的設(shè)計需要多專業(yè)如總體、結(jié)構(gòu)、機(jī)管電儀訊、通風(fēng)、安全消防等多專業(yè)通力配合才能完成。

漂浮式風(fēng)電機(jī)組與固定式不同,漂浮式風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)要動,風(fēng)機(jī)性能、部件要滿足平臺運動要求;在風(fēng)機(jī)總體設(shè)計方面,首先要研究平臺運動對風(fēng)機(jī)氣動性能的影響,確定浮式風(fēng)機(jī)總體技術(shù)路線研究,其次對漂浮式風(fēng)機(jī)傳動鏈各部件潤滑、冷卻、密封系統(tǒng)設(shè)計,最后要對浮式風(fēng)機(jī)塔筒進(jìn)行專門設(shè)計;

在風(fēng)機(jī)與平臺一體化設(shè)計方面,首先是要使風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)浪流等荷載作用下進(jìn)行全耦合一體化的仿真,其次要對風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及疲勞壽命進(jìn)行評估,最后是解決浮式風(fēng)電機(jī)組全耦合控制策略問題。

與固定式海上風(fēng)電不同,由于漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在海面上一直處于運動狀態(tài),與之相連的海纜也是動態(tài)的。因此需要對該段海纜進(jìn)行特殊設(shè)計和一系列特殊試驗測試。同時,在30m-60m的過渡水深條件下,相關(guān)研究表明,波、浪、流對海纜影響明顯,浮體平臺受浪流影響也很大,位置偏移較大,從而導(dǎo)致動態(tài)海纜線型設(shè)計困難,還有就是海生物的影響,海生物生長導(dǎo)致電纜自重增加,線型變化。

在水池實驗方面,上部風(fēng)機(jī)的氣動力模擬需要滿足雷諾相似,而下部平臺的模擬需要滿足付如德相似,兩者在同一水池是無法同時滿足,因此如何解決兩者的協(xié)調(diào),從而較為準(zhǔn)確的模擬風(fēng)機(jī)及平臺的運動是需要解決的一個技術(shù)難題。

接下來我談一談深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖的情況。

近年來內(nèi)陸和沿海近岸養(yǎng)殖病害頻發(fā)、環(huán)境惡化、食品安全等問題日益突出,水產(chǎn)品供給與需求的矛盾將更加嚴(yán)峻。海水養(yǎng)殖業(yè)由陸基、近淺海養(yǎng)殖推向深遠(yuǎn)海工業(yè)化智能高效養(yǎng)殖將是必然選擇,這一點在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)呼聲很高。

當(dāng)前我國正興起了深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱研發(fā)、建造、試驗或應(yīng)用示范熱潮,至今已成功建造出20多種新型深遠(yuǎn)海網(wǎng)箱。從深遠(yuǎn)海發(fā)展的趨勢看來,大型化、規(guī)?；纳钸h(yuǎn)海網(wǎng)箱養(yǎng)殖是今后發(fā)展的必經(jīng)之路。龍源漂浮式風(fēng)電平臺跟水產(chǎn)養(yǎng)殖相結(jié)合,是一個很好的切合點,這是我們這個項目做的一個嘗試。

當(dāng)然這也面臨著一些挑戰(zhàn),比如說風(fēng)機(jī)噪音對魚類品種的影響、電磁波對漁業(yè)養(yǎng)殖的影響等。另外在平臺應(yīng)用方面,因為有網(wǎng)衣,有海生物附著后,整個平臺的重量增加,平臺運動會受到一定的影響。除此之外,運維風(fēng)電和運維養(yǎng)魚怎么去結(jié)合,這也是值得探討的問題。

下面我介紹一下龍源漂浮式風(fēng)電項目的情況。

龍源浮式樣機(jī)項目位于龍源福建南日項目B區(qū),項目浮體平臺采用半潛式,平臺采用三角形布置,每個角上設(shè)置一個圓柱浮筒,風(fēng)機(jī)坐落在其中一個浮筒上。三個浮筒通過三榀桁架支撐連接,每榀桁架設(shè)置上下水平撐及斜撐,形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。每個浮筒下面設(shè)置圓盤形浮艙,這有三個好處,一是為了提供充足的拖航浮力,二是可以滿足水深較淺的安裝碼頭要求,三是可以提供升沉阻力,減小平臺運動響應(yīng)。

養(yǎng)殖方面,項目網(wǎng)衣采用超高分子量聚乙烯網(wǎng)衣,在投餌方式采用氣體輸送式進(jìn)行設(shè)置的。適應(yīng)海洋養(yǎng)殖趨勢,采用智能化設(shè)施,包括自動洗網(wǎng)機(jī)應(yīng)用,還有養(yǎng)殖監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用,包括溫度,PH值相關(guān)的監(jiān)測,另外還有魚活動的一些監(jiān)測,實時傳到控制中心。

在數(shù)值計算上采用一體化分析,通常情況下,做風(fēng)機(jī)的荷載模擬的時候,用十分鐘的時長,但是在海洋工程當(dāng)中,實際上用3小時的時長。選擇了采用3小時的時長,由于時長增加之后,可能會導(dǎo)致過大的荷載,采用一些規(guī)范的做法把這個荷載進(jìn)行相應(yīng)的減少。

在風(fēng)電機(jī)組方面,經(jīng)過多輪的計算,現(xiàn)在目前風(fēng)電機(jī)組的校驗都完成了。

動態(tài)海纜方面,進(jìn)行了海纜與平臺的耦合分析,目前動態(tài)海纜的線形設(shè)計已經(jīng)完成。

目前正在進(jìn)行水池實驗,水池實驗關(guān)于兩個不協(xié)調(diào),目前也得到了比較好的解決,上海交大開發(fā)了一套計算的軟件,會采用這種流體力學(xué)計算的方法,把這個葉片進(jìn)行了比較好的設(shè)計,目前試驗推力和目標(biāo)推力非常接近,達(dá)到99%。

最后談一談對漂浮式風(fēng)電的展望。

首先在漂浮式風(fēng)電造價方面,根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測,2025年將初步實現(xiàn)漂浮式海上風(fēng)電的商業(yè)化,2025-2030年有望實現(xiàn)40%-56%的成本下降,預(yù)計2035年成本將接近當(dāng)前固定式風(fēng)機(jī)。漂浮式海上風(fēng)電各部分成本下降預(yù)測實現(xiàn)商業(yè)化后,主機(jī)和平臺成本有望大幅下降,使整體造價降至1.75萬元/kW左右。

海洋牧場與海上風(fēng)電融合發(fā)展,是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)跨界融合發(fā)展的典型案例,是綜合利用海洋的創(chuàng)新思路。

漂浮式風(fēng)電可以與深水油氣生產(chǎn)相結(jié)合,為油氣生產(chǎn)提供電力,如可以給深水平臺群生活樓供電,給浮式儲卸油平臺(FPSO)供電,給水下生產(chǎn)設(shè)施和油田注水設(shè)施供電等。這不僅能減少油氣平臺生產(chǎn)碳排放量,還可降低投資成本;

漂浮式風(fēng)電制氫是解決遠(yuǎn)距離深海風(fēng)電送出成本增加問題的有效途徑。 海上制氫全過程綠色環(huán)保,能源及原料就地取材且用之不盡?？赏苿雍Ｉ巷L(fēng)電、海水淡化、電解水制氫、氫壓縮與存儲技術(shù)的綜合應(yīng)用及發(fā)展,一舉多得。

總的來說,漂浮式風(fēng)電開發(fā)雖然有許多技術(shù)問題需要解決,但發(fā)展空間巨大的,前景是光明的,相信在國家政策的支持下,在各位同行的努力下,我國漂浮式風(fēng)電一定能茁壯成長,早日實現(xiàn)商業(yè)化。

謝謝大家!