DNV产品经理张帆:浮式风机设计的最新展望

能见App 2021年10月20日 3872

2021年10月17日-20日,2021北京国际风能大会暨展览会(CWP 2021)在北京新国展隆重召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一,这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会,再次登陆北京。

本届大会以“碳中和——风电发展的新机遇”为主题,历时四天,包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“国际成熟风电市场发展动态及投资机会”“国际新兴风电市场发展动态及投资机会”“风电设备智能运维论坛”“碳达峰碳中和加速能源转型”等不同主题的15个分论坛。能见App全程直播本次大会。

其中,10月19日海上风电发展论坛隆重召开。DNV产品经理张帆出席会议并演讲。

以下为发言全文:

张帆:谢谢,我来自DNV,今天非常高兴有这个机会来到会场分享一下,我们对于浮式风机在设计当中最新的发展,和我们对未来包括挑战,包括我们自己的计划。今天很多前面的嘉宾多多少少提到我们公司,我们是一家做咨询、认证,包括海事、船舶、海上能源,包括以前的油气资源,包括现在新能源的一家公司。我们同时也提供一系列数字化解决方案,也就是刚刚提到的关于海上风机相应设计工具和配套系统。我们跟业内很多公司都有很多合作,包括金风和其他的一些业内做风机和基础的工作。

我是来自于数字化解决方案,目前负责我们公司在浮式风机全球业务。这篇报告是三位同事,分别在挪威和英国的同事准备的,今天想分享一下这几年的发展情况和心得。主要是以下几个方面,一个是设计前端归纳了一下设计的特点,另外一个是浮式风机项目当中,我们归纳了项目当中不同的参与方的角色,他们的关注点,就是项目的组成。在浮式风机本身整个系统设计和流程上,因为它是一个相对来说比较新的产业和方向,所以在工具和设计方法上,实际上也是处在不断发展完善和更新的过程。

在这个当中,我们发现有很多新的问题,同时希望能够把传统行业当中,比如说海事和油气方面的经验引入风机,同时和陆上风机经验相结合,所以中间也归纳了很多的挑战以及发展的可能性。希望借助这个机会,给大家提供一些思路,为这个行业起到抛砖引玉的作用。

目前海上风机这几年有一个飞快的发展,特别是从浅海到中深水到深水都有一个发展。浮式风机来讲,国内目前虽然只有一个已建成试运营的风机,但是研发角度来讲很多公司很多单位、科研机构都在平行进行一些科研的工作。另外一个呢,目前这种全尺度的实验样机,在过去十年当中在全世界各地都有不同的发展,包括欧美、日本、韩国、东南亚等等。主要当然集中在欧洲区域,目前第一个商业浮式风机的风场或者是准商业浮式风机风场已经投入运营了。

对于浮式风机来讲,目前的趋势更多是向着深远海的角度去发展,我们可以看到配套的单机装机量会越来越大,比如说12兆瓦、16兆瓦、18兆瓦、20兆瓦。深远海来讲,风资源更加优化一点。大家很熟悉了,因为我是做油气背景的,油气背景角度来讲,浮式结构物来讲是四类方向,目前在研项目或者在研概念大类有40多个,基本上是按照不同的来做的。目前我们发现并没有哪一种类型的浮式风机概念能够比其他类型具有非常明显的优势。虽然现在很多人讲,我们用了很多半潜式,不同的立柱形式,欧洲有一些驳船式。这个研究工作还是在进行当中,从浮式风机项目结构组成来讲有一些特点,我这里列了一个固定式。对于固定式来讲,大家比较熟了,我们谈的单桩或者是导管架,相应归为这种相对固定式。作为一个项目来讲,一般有风机的OEM或者塔筒的设计方,基础设计方,开发方,还有一些第三方的认证机构。相对来说,根据我们的观察来讲,相对来说大家各自关注的点重合度不是那么高。从我们理论上来讲,他们之间相对来说做的设计流程相对是分开的,所谓的一种弱耦合的概念。

我们只谈从分析的角度来讲,这个本来是一个动画,这只是一个例子,说明什么问题呢?我们在做浮式风机这一块的时候,可以发现它有很多很多的,理论上来讲有很多动力学是要耦合在一起,因为之间相互有一个比较强的耦合作用和影响。这里可以看到叶片方面的空气动力学,水动力学、结构动力学,还有一些控制系统。反过来控制系统的策略,也会反过来影响平台的运动,影响到平台上的载荷。整个东西是非常复杂的动力学的系统,再把电缆挂上去,对于电缆本身的设计和校核都是一个比较大的挑战。

从大家的关注度来讲,我们这里就把一个项目参与方关心的问题,用这样一个矩阵的形式向大家,这是一个简化的说明。如果我们用这种相对来说比较简化的方式,右上角第一种方式完全没有耦合的情况下,先算风机的载荷,算塔筒载荷等等,我把这个东西给到做基础设计的公司。基础设计方算完以后,再把运动或者相应的动力学给到做塔筒或者动力学的公司,这个过程中没有考虑到耦合的因素。

第二种方法,我们可能叫部分耦合,部分耦合的方法,我在做风机设计的时候,基础部分做简化模型,输入到风机计算或者设计当中。反过来做基础设计的时候,其他系统用一个相对简化的方法输入到这个里面多做,部分考虑到之间耦合的影响。实际上做的过程中,我们发现要做很多轮的迭代,要实现整个系统,我们认为是一个完整性的。这里带来其他的问题,看到这里更多的参与方会在里面,我们会发现大家用的都不是一个系统,不是一个软件,不是一个工具,甚至不是一个理论方法。在这种情况下,就会带来这个数据到底有多可靠,到底有多少假设假定在里面。最后这个项目或者这个设计就变得不可控,我们看到过很多这种情况,我做风机认为那边是什么样,拿过来以后发现不是那样的,里面有很多很多的挑战。而且里面有一个相互迭代的过程,我更新了设计,你那边的模型要全部重新做一遍。这里面还出现一个问题,有很多很多重复工作,后面会讲一个实际案例。

第三种方法,希望发展全耦合的分析,所有的参与方参与同样一套系统,在同样一套系统里面建议整个包含风机、控制系统、塔筒、浮式结构,建立完整的动力学方程,采用统一的动力学方法分析整个系统。当然它有它的挑战,但是目前我们看到几个主要挑战之一,除了工具之外的挑战,这里面有一个很大的问题就是知识产权保护的问题。我作为风机的制造商来讲,我们跟西门子合作,包括国内的金风上海电气,包括这些公司去合作会发现。大家保护的程度都不同,有的是保护一些核心的东西,多多少少都有一些相应需要自己去保护的东西,我们完全理解。作为基础设计方相对好一点,可以把主要参数给到风机制造商去做,但是里面有一些东西不希望公开。甚至作为业主来讲,没有办法把大家放在一个地方讨论这个问题。所以说在这一块,怎么能够做到大家在同样一个系统下做这件事情,但是保护大家的知识产权不被泄露,这是这里面发现面临的问题。

这里面有很多的工具,市面上有很多工具做不同部分的分析,我这里分享几个之前看到的例子。这都是来自实际的浮式风机项目,是国外的浮式风机项目是怎么做的,最后会总结一下他们遇到了什么挑战。左边是风机制造商,他们用的是内部的风机设计和计算的程序。

最后结果回到这里,都有一个IP的问题,很多很多的工具大家都不是用一个工具,最后时长非常长。所以这个时候发现一些挑战,分成三个方向,时间关系就不重复了,主要是物理和交界面和有效性挑战。物理上来讲,我们要开发一套系统,或者说集成所有的经验来开发一套完整的支持风机标准这样一个设计流程方法和工具,在交界面上希望做到完整耦合交界面,同时能够提高有效性。

最后一页简单总结一下,目前来讲浮式风机还处在初步发展阶段,有很多不同的设计和发展。相对来说项目组成、项目方式比以前传统看到固定式更加复杂。它有一个高度的耦合性,同时有来自不同背景,咱们做电、做系统,做浮式结构物的背景去做。目前我们还没有发现一个,大家都能够普遍接受非常标准的设计流程。

如果大家有兴趣展开来讲,我们明天会有一天的活动,上面每一个东西会进行展开叙述,谢谢!

 

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)