2018年11月14日上午，由中國電器工業(yè)協(xié)會風力發(fā)電電器設(shè)備分會、中國電工技術(shù)學會風力發(fā)電技術(shù)專業(yè)委員會、東方風力發(fā)電網(wǎng)主辦，江蘇中車電機有限公司承辦的第三屆中國海上風電大會暨風電電氣裝備高峰論壇在北京四川五糧液龍爪樹賓館隆重開幕。
中國船舶重工集團海裝風電股份有限公司研究院技術(shù)中心塔筒事業(yè)部副經(jīng)理侯承宇在嘉賓演講環(huán)節(jié)發(fā)表了題為《海上浮式風電裝備技術(shù)進展及挑戰(zhàn)》的演講：
大家好，整個介紹分為六個方面：
首先是研制必要性，發(fā)展海上風電是未來的必然趨勢，下面這個圖大家都非常熟悉，紅點區(qū)域是代表現(xiàn)在用電負荷比較高的區(qū)域，藍色三角代表現(xiàn)在陸上風電開發(fā)比較集中的地區(qū)，看到并不匹配，右上角看到我國風能資源分布資源豐富，比鄰用電需求大的區(qū)域。
海上風電不斷地發(fā)展，近海資源的開發(fā)肯定會逐漸飽和，海上風電勢必將會走向深遠海，深遠海的資源開發(fā)潛力十分巨大。右邊的表格可以看出，中國水深超過50米的海域蘊藏的風能儲量超過了1268GW，占比在整個海上風能的占比超過60%，當然這個占比放到全球來看是更大，歐洲和日本是達到了80%，全球的深海風能儲量是超過了8000GW。同時開展海上風電也是有利于近海環(huán)保。為什么這么說？首先深遠海風電離岸距離遠，對人類生活視覺和噪音污染比較小，同時深遠海風電會采用漂浮式機組，漂浮式機組一般不需要采用大規(guī)模沉裝施工，施工影響比較小。
探索深遠海風電是國家政策導(dǎo)向，工信部、發(fā)改委、國家能源局這幾年每年都有相應(yīng)的政策出臺支持大家探索深遠海風電。
研制海上漂浮式風電裝備是深海風電開發(fā)的技術(shù)路徑，現(xiàn)在采用的技術(shù)都是固定式基礎(chǔ)，他們適用的水深范圍也有所不同。國外研究30米水深以內(nèi)單樁類的基礎(chǔ)經(jīng)濟性最好最有適用，30-60米的區(qū)域多樁導(dǎo)管架比較多，超過60米必須采用浮式基礎(chǔ)，這個數(shù)據(jù)是國外的研究結(jié)果，國內(nèi)并沒有進行詳細的分析，但是趨勢是肯定的，隨著水深增加地勘成本還有水下結(jié)構(gòu)的成本，施工成本，增幅都會大于浮式機組。
海上浮式風電裝備系統(tǒng)構(gòu)成從上到下主要有四部分：風力發(fā)電機組、浮動平臺、系泊錨固系統(tǒng)、輸配電系統(tǒng)。浮動平臺就是利用浮力支撐上部的風電機組來平衡運行載荷，類似于船舶會存在一定的橫蕩、綜蕩、首搖、橫搖、縱搖及垂蕩。半潛式主體多為三浮筒和四浮筒結(jié)構(gòu)，特點就是吃水較簽，安裝難度比較小。圖上可以看出在整個碼頭就完成整個機組的組裝，再整體拖拽就可以進行系泊錨固。張力腿式是通過浮力彰顯張力筋腱，受海流影響相對較大。
采用張力腿式浮式機組同也可以完成整個風電機組和浮動平臺的組裝。但張力腿平臺本身不具備自穩(wěn)性，需采用一定工程措施才能進行整體運輸。通過臨時增加壓載水艙，調(diào)整平臺中心，提高穩(wěn)性，才可拖航運輸。
單立柱式比較簡單，單圓柱形浮體，通過底部壓載，使重心始終低于浮心，以此維持平衡，垂蕩運動小，但橫搖和縱搖值相對較大，吃水較大。一般是先將Spar托至合適海域進行直立，完成后機組安裝，最后再整體托至機位點進行系泊錨固。
這三種主流技術(shù)路線可以說并無最優(yōu)，各有利弊臂，我這兒就不展開講。
除了上述的還有別的平臺，一個是多風機平臺，將半潛式平臺結(jié)構(gòu)大型化，一個平臺配備多臺風機，降低單位千瓦造價。還有多能互補式平臺，將風能與波浪能、太陽能等其它新能源相結(jié)合。
浮式機組的系泊錨固系統(tǒng)與海洋油氣行業(yè)所采用的系統(tǒng)無本質(zhì)區(qū)別，主要根據(jù)海床條件、所采用的平臺類型、施工條件以及經(jīng)濟性選擇合適的類型，但是設(shè)備的時候要考慮該系統(tǒng)對浮動平臺動力學性能的影響。
系泊聲一般分為懸鏈式、張緊式和半張緊式。錨固系統(tǒng)常用也有好幾種，包括拖拽嵌入錨、沉管灌注樁等等，適用類型也有區(qū)別。
下面回顧一下國內(nèi)外發(fā)展歷程和現(xiàn)狀。早在1972年美國麻省理工大學已經(jīng)提出了這個概念，但是沒有突破性的進展，直到1990年還是處于縮尺模型的水池試驗階段。直到2009年才正式進入了兆瓦級機組樣機示范階段。有挪威的Hywind2.3兆瓦Spar，美國WindFloat2兆瓦半潛式這是2011年，還有2012年日本五島安裝2兆瓦的Spar。下面是日本福島系列工程。
到了2017年海上浮式風電裝備進入了小批量應(yīng)用階段，10月，全球首個海上浮式風電小批量項目在蘇格蘭投產(chǎn)。2020年前，預(yù)計還將有數(shù)個海上浮式風電小批量項目將陸續(xù)投產(chǎn)，能看出來后續(xù)安裝的機組都是大功率機組。
國內(nèi)相對而言發(fā)展的起步要晚一點，進展也相對來說慢一點，前期哈工程、重慶大學包括上海交大一些高校展開過一些相關(guān)的理論研究和概念設(shè)計，企業(yè)牽頭的省部級科技部項目就比較少，比較有代表性的是兩個，2013年國家科技部863項目，還有2016年的前期研究項目。
近幾年中國海裝在浮式機組的研究方面也開展了相關(guān)工作。2016-2018年，中國海裝與瑞典Hexicon、美國Atkins公司就蘇格蘭北部海域2×5兆瓦浮動市風電示范項目，開展了合作項目。在這個項目當中海裝主要角色還是風機供應(yīng)商和運維服務(wù)商，但是實際上我們在載荷、控制、電氣等各個方面都與外方展開了全面合作，包括共同搭建仿真平臺，對雙風機單平臺協(xié)同控制系統(tǒng)進行開發(fā)等等。
今年我們中船重工集團和海裝都與廣東省湛江市簽訂了戰(zhàn)略合作協(xié)議，明確在湛江市建設(shè)浮式風電裝備示范項目，選址位于徐聞外羅附近海域，水深50米以上，同時與軍客源簽訂示范應(yīng)用協(xié)議，在南海建設(shè)基于浮式風電的綜合能源保障系統(tǒng)，同時今年我們也申報了國家工信部的項目，希望也來承擔國家項目。
可以說現(xiàn)階段發(fā)展浮式風電還面臨著很多問題，因為從設(shè)計標準到分析工具再到積累的經(jīng)驗都是比較欠缺的，面臨的挑戰(zhàn)很多，我后面是列舉了四個方面：
一是總體設(shè)計的挑戰(zhàn)，就是如何提高整個系統(tǒng)的性價比與可靠性。浮式機組下面的浮動平臺與系泊錨固系統(tǒng)其實都屬于海洋結(jié)構(gòu)物，在設(shè)計上就與風電機組有很大的不同，理論上來說風電機組要利用風載，海洋結(jié)構(gòu)物要減少風載，目標來說風電機組以提升發(fā)電量，優(yōu)化度電成本為目標，海洋結(jié)構(gòu)物為滿足運動響應(yīng)要求為目標。在進行總體設(shè)計的時候必須要遵循一體化設(shè)計理念，具體來說就是要以系統(tǒng)總體性價比為目標，以安全性為約束，分配風電機組與浮式基礎(chǔ)的性能指標，進行可靠性匹配，經(jīng)迭代尋優(yōu)之后開展詳細設(shè)計。這樣做的難點就在于結(jié)構(gòu)設(shè)計、載荷計算和控制策略設(shè)計需要同步進行迭代，機組、浮動平臺、系泊錨固系統(tǒng)設(shè)計需要同步展開。
二是載荷分析的挑戰(zhàn)，準確性和可信度也是對整個設(shè)計至關(guān)重要。浮式機組工作在風浪流綜合載荷系統(tǒng)的負責系統(tǒng)，運動維度狀態(tài)更多，運動和載荷相互影響，載荷環(huán)境遠比固定式基礎(chǔ)要復(fù)雜，在一體化耦合動力學分析模型建立、工況定義、載荷頻域、時域轉(zhuǎn)換等需要大量的工作，同時還要進行一致性驗證，驗證分為兩個階段，首先在設(shè)計階段要利用水池試驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比雁陣，樣機載荷測試結(jié)果與浮式風機模型計算結(jié)果對比驗證。
三是水池試驗的挑戰(zhàn)，為了驗證載荷的分析方法以及結(jié)果，必須要進行水池試驗，而水池試驗的難度主要在于如何確定模型的尺度等效性以及耦和加載。需要研究比例縮放模型與真實設(shè)備的尺度模擬關(guān)系，建立等效映射，風載和波浪載荷、洋流載荷存在耦合、工況復(fù)雜，需要研究耦合加載方法。
四是工程華技術(shù)挑戰(zhàn)，工程化問題可以更為具體也更多，我這里列舉了三個方面，首先是環(huán)境適應(yīng)技術(shù)，在設(shè)計的時候風資源情況、海洋水文情況、地質(zhì)情況都需要進行考慮，尤其是針對極端環(huán)境條件像臺風，腐蝕也是重點要關(guān)注的方面。然后是安裝技術(shù)，安裝技術(shù)剛才也介紹了，不同的浮動平臺結(jié)構(gòu)特點并不相同，針對具體項目碼頭的條件、運輸條件、設(shè)備條件也有所不同，如何來提高或者確保具體項目安裝方案的高效和安全，也有很多具體的工作需要做。最后是運維技術(shù)，浮式機組運維對象更多，除了風電機組包括下面的風電平臺和系泊錨固系統(tǒng)都需要進行運維，浮式機組利用于深遠海，可達性問題更為凸顯，所以首先要考慮如何提高設(shè)備的可達性，后面實時監(jiān)控、遠程運維技術(shù)、故障預(yù)測技術(shù)也需要展開進一步的研究。
最后再簡單展望一下應(yīng)用前景。其實浮式機組除了可以并網(wǎng)發(fā)電之外，業(yè)內(nèi)其實大家也在探索一些新的應(yīng)用，比如GNVGL的雙贏項目，將浮動市海上風電與海上注水采油平臺相結(jié)合，日本也在探索利用浮式機組打造海洋漁場和養(yǎng)殖場。我們集團也是在做一個相應(yīng)的探索，下面的三個浮體都是我們集團設(shè)計的大型浮體，左邊是極大型的海空港基地，中間是深海漁業(yè)資源保障平臺，右邊是海洋之心，是提供餐飲娛樂的浮體，我們現(xiàn)在也在考慮是否能用浮式機組給這些浮體直接供電，一起打造一個海上的智慧浮島群。
（發(fā)言整理自現(xiàn)場速記，未經(jīng)本人審核）
