中船海装研究院文茂诗:浅谈海上风电系统设计

能见App 2023年10月21日 7510

2023年10月16日-19日,2023北京国际风能大会暨展览会(CWP2023)在北京如约召开。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,聚焦中国能源革命的未来。

本届大会以“构筑全球稳定供应链 共建能源转型新未来”为主题,将历时四天,包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“全球风电产业布局及供应链安全”“双碳时代下的风电技术发展前景”“国际风电市场发展动态及投资机会”“风电机组可靠性论坛”等不同主题的21个分论坛。能见APP全程直播本次大会。

在10月17日上午举办的海上风电工程装备论坛I上,中船海装研究院副院长文茂诗发表了题为《浅谈海上风电系统设计》的主题演讲。

以下为发言全文:

大家上午好,我是来自中船海装的文茂诗,今天我从整机装备角度给大家带来的分享,浅谈海上风电的系统设计。

从四个方面开展我的介绍。首先还是简单提一下国内外海上风电的一个现状,由此引入我们的主题。我国风电累计并网装机容量已经突破3亿千瓦,同比增长29%,连续12年位居全球第一。近5年来,中国海上风电呈突破式增长,自2021年平价破冰以来,中国的海上风电发展进入了更快的步伐,但如何进一步提升基础能效,降低海上风电的开发成本,仍是我们当期面临的受要技术问题,我希望通过整机核心参数匹配设计,全局最优的载荷优化迭代,成熟IPC技术及再创新三个方面来简单分享一下海装是如何通过系统性创新来打造一个平台两款机型,破局当时我们南北海上风电平价过程。

首先谈系统设计,那么第一步就是我的基型规划,也就是我们功率等级,风轮直径的选择。右边的图是人们谈论机型规划的时候喜欢引用的一些图,比如大部分的,横坐标是风轮直径,纵坐标是功率等级,或者叶片重量等等,人们希望通过单位千瓦扫风面积,或者其他的一些规律找到预测未来机型的方法,但其实这里就算是趋势性非常显著,也无法解答我们机型是否适应评价这个问题,因为在这里面没有体现平价的主要工程问题。

其实,投资收益率才是决定海上风电是否能够平价的关键要素,比如我们选择的风能直径越大,意味着我们的发电量越高,机组成本也会越高,功率等级越大,发电量虽然降低,但是整体造价也会有所降低,风轮直径,功率等级是通过影响到风场投资和收益,从而影响投资收益率,按照传统设计方法,我们首先确定风轮直径,功率等级,然后建立详细的仿真模型,进行载荷迭代,输出详细的载荷结果,然后完成详细设计,至少是要完成概念设计,才能得到比较具体的基础成本,最终才能结合风场进行投标的精细测算。

但是这种方式显然存在很大的风险,也就是我机组织在设计末期,才能结合风场实际情况,测算这个机型是否满足平价,是否我们开始思考,是否我们一定需要通过计算,通过设计,才能够得到我们机组发电量,机组成本以及我机组的详细内容。实际上,我们开始反思,实际上有一种经验模型,我们开始尝试经验模型打通设计全链条,基于风场投资经济性测算反过来确定我们需要的机型。

首先,找出我们历史的所有载荷数据库,上千套载荷数据库,从中发现一些顾虑,以此我们构建了风轮直径、功率等级、整机载荷、基础载荷等多维度的内在关系,真正实现了误差可控的载荷预测,通过这样的模型,我们解决了整个寻优过程中的最关键一环,剩下就简单多了,我们的发电量模型是比较成熟的,可以通过一个简单的二元二次方程来理荷,我们在基础造价模型上还是下了比较大的工夫,我们针对不同区域的地质条件,虚拟了不同的水深,不同的载荷,共有80多种组合,实实在在设计了80多个单装机组,从而构建这样一个载荷,地质影响基础数量成本的测算模型,剩下的模型比较传统,不详细介绍了。

以上的东西,我们最终建立了一个以电价资源特征和风场投资收益率为约束的整机核心参数高效匹配的这么一套设计软件,基于这套软件可以针对特定区域,地质条件,上网电价,年均风速等计算所有功率等级,所有风轮直径下的收益率举证,用此来决策我们的机型开发,这对我们机型决策起到至关重要的作用,当时有一种声音,陆上的小兆瓦机组下海,可能是平价的一种解决途径,在这个模型上看来,可能就不是这么一回事。

第二个分享的是全局最优的载荷优化迭代,内部称为这是效率革命带来的技术创新,整机设计最关键的在于载荷仿真,初期载荷仿真迭代周期基本上是一个月一轮,全靠人去完成,大概需要数十万次的操作,那个时候整机的设计,整机的迭代,主要是为了完成叶片的设计,没有什么寻优而言,后面随着各种前后处理的大量的小工具出现,大量取代人的操作,第二代的仿真体系大概把效率提高4倍,基本上一周一轮迭代时间,使我们寻优工作产生了可能。随着轻量化叶片概念提出,大家一轮又一轮迭代,为了降低叶片重量,这种模式依然存在一些弊端,比如这个程序处理完之后,我还是需要人工导到另一个程序处理,这个过程中需要反复确认参数,避免出错,人干预这个工作的时候,人总是需要休息,总是也有干不完的工作,所以这一做一等之间,大量的时间又被浪费了。

所以说我们海装推出的第三代仿真模式彻底取消了程序的界面,直接以模型文件作为驱动,打通了软件和软件之间的连接,实现快速迭代,真正实现7乘24小时全天候计算,基于这套体细,我们继续打造SuperBladed+的这么一个平台,以局部文件为驱动,自动进行模型拼接,自动完成控制器的整定,自动完成仿真,自动的结果回传,结合我们的HPC超算平台实现叶片整机迭代,最快一小时可以完成一轮计算,主要受限于现在的硬件,那么这套系统我们已经开发给了(双瑞、艾朗)等主流叶片厂家,接下来还会和更多友商进行开放。

基于这么一套体系,我们可以做更多的事情,更多的问题,得到我们更想要知道的一些答案,这一代机组我们进行近400多轮迭代,是我们传统设计的10倍,这里面解释了很多载荷影响规律,借此实现全局最优的基础轻量化设计,整机降载超过20%。

第三个是我们成熟的IPC技术及其再创新应用。海装在独立变桨技术上是第一个吃螃蟹的企业,我们从2019年在(锦霞)风场开始测试过后,已经有5年的应用时间,有上千台的批量的成熟运用,这里降载效果不再阐述了。我们内部认为,独立变桨技术是让风机拥有触觉的一项创新性基础,基于稳定、可靠的叶根载荷数据监测,可以实现整机载荷的实时估计,极限载荷的直接保护,疲劳载荷的有效预警以及主动干预等,极大提升了机组安全性。

这里可能不是太清晰,右上角是我们一个真实风场运行一个月的多台机组的这么一个叶片和齿轮箱的疲劳寿命的一个累计情况,从这上面可以看到我现在机组运行情况非常良好,下面是我们一个传统链极限扭距保护的测试,这里面测试结果效果也是非常良好的。这里分享一下没有独立变价技术和没有IPC干预的情况,左上角呈现是我们某机组在三个月时间内,叶根MY疲劳载荷,疲劳寿命快速增长,右图阐述这个事情,这个图垂直的,正对于我们的这个面,表示风轮平面,垂直往里表示时间轴,这个风轮平面原本应该是一个圆形,往内凹的部分表示载荷变小,往外凸表示载荷变大,蓝色红色也是表示这个意思。这里阐述一个湍流非常小,基本上风速没什么变化,载荷特征也没什么变化,但是切面非常大的这么一个过程,按照标准设计,我们湍流切面,切面应该是0.16,但是这个实际的切面达到了大概是0.5的水平,远超设计认知,短短6个小时时间里面,发现叶片疲劳损上,机架疲劳损伤可以达到一个月的程度。

下面这个图是跟上面这个图展示方式一样,换了一个视角,四处蓝色的区域,这里的原因,根本原因是上游机组产生的尾流影响,作用在风流一侧,导致叶片旋转的时候,交替进入尾流影响区域和没有尾流影响区域,导致了很大的叶片载荷交变,同样产生在机架上,也导致非常大的这么机架载荷的交变,同样产生数倍的这么疲劳损伤,而这一切的问题在有独立变桨技术的基础上,是天然可以规避掉的。

最终我们基于科学合理的系统设计,基于深度的载荷优化,基于自主的保护策略,率先研制出适应海上风电平价需求的轻量化、高可靠的210 10兆瓦,220 8兆瓦的海上机组,实现了机头重量降低30%,同级别载荷降低10%以上的效果,率先破局平价市场。

前面说的都是以前,未来海装如何持续优化,助力海上风电高质量发展的?首先,立足高起点,我们依然依托与80兆瓦平台进一步挖掘余量,进一步突破载荷仿真技术,实现同平台,尽可能不变情况下,升级到260,12.5兆瓦明星产品。依托于海上风电,长叶片领跑者的业绩,依托高功率密,传动链技术,高湿高温仓内控制技术,智能感知技术以及我们的模块化易安装,易维护的特点,以及我们大数据智能化运维,助力我们海上风电高质量发展。

最后是一点展望,目前海上风电的建设成本和运营成本仍然很高,也是限制发展的主要因素之一,随着技术的进步和规模的扩大,成本也将逐渐下降,此外政府的支持和鼓励也会促进海上风电的高质量发展。在技术方面仍然需要在气弹设计、海洋工程、数字化技术、材料科学、海洋装备技术等领域持续不断创新,进一步提高海上风电基础能效,使得风电机组成本更低,运行更稳定,生产更安全。好,我的分享结束,谢谢大家。

 

(根据演讲速记整理,未经演讲人审核)

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