上海电气张友林：飘浮式风机耦合设计的挑战及应对实践
东方风力发电网 2020年10月15日 507
2020年10月14日-16日，2020北京国际风能大会暨展览会（CWP 2020）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“引领绿色复苏，构筑更好未来”为主题，聚焦中国能源革命的未来。能见App全程直播本次大会。 
在15日上午召开的海上风电工程装备分论坛上，上海电气风电集团股份有限公司技术部海上漂浮式基础室主管张友林发表《 飘浮式风机耦合设计的挑战及应对实践》主题演讲。 以下为发言实录： 张友林：大家好！我是来自上海电气的张友林，今天很容幸站在这里分享我们在过去两年当中飘浮式方面做的工作，我汇报题目是关于四川飘浮式风机耦合设计挑战以及过去怎么做的应对措施。 今天我的报告分三部分内容，首先大家一起回顾海上飘浮式风电发展现状。现在海上风电已经从近海浅海走向深远海发展，为了更好捕捉深远海优质风资源，现在世界范围内很多国家和地区都在开展相关飘浮式风电的研究，根据咨询机构做出了统计，截止2019年全世界范围内海上飘浮式风电项目规划达到接近20个左右，相应规划的规模也在12MW左右。这个数据当中需要注意的是在2018年、2019年两年当中，关于海上飘浮式风电项目规划数量和规模极具增加，传递一个信号说明全世界范围内海上风电对于飘浮式前景比较认可。 我们对于过去飘浮式项目也进行了一些调研，我们将调研结果根据飘浮式项目技术成熟度可以把这些项目分为三个发展阶段。第一阶段是单台兆瓦级样机开发阶段；第二阶段是50兆瓦以内小批量示范风电厂项目开发阶段；第三个阶段是大于50兆瓦规模化商业运营项目阶段。 当然目前大多数飘拂式风电项目处于或者即将进入第一阶段，只有少量技术成熟度比较高的，未来还有更多项目可能会进入第二阶段。 在国内根据网上统计信息我们可以发现，国内针对于飘浮式风电研究这两年深耕比较快，目前主要国内飘浮式样机项目有6个，上海电气有幸参与两个项目，龙源和绿能的项目，国内项目还有一些特殊性，启动时间相对较晚，2018年、2019年两年时间启动起来，完工时间比较紧张，海上环境条件与国外也有很大不同，沿海这些地区很多都是平均风速比较低，台风也比较多，水深相对国外来说相对较浅，它是过度水深也是比较尴尬的。国内业主开发要求比较多，它有多产业结合的要求，这为海上飘浮式风电设计和研发都有一系列的挑战。 第二部分给大家介绍一下我们在过去项目当中风机设计时候遇到一些挑战，刚才也回顾了欧洲飘浮式样机研发项目，他们这些研发项目实际上在研发过程中总体是遵循循序渐进、螺旋式的设计过程，在这个过程当中设计初期阶段采用工程化低进度设计方式进行基础或者是风机设计与优化，因为这时候效率比较高，在研发中后期一般都是采用高保证度的仿真方法进行设计结果的验证。 在设计过程中也主要涉及以下六个技术方向，第一是飘浮式风机设计优化，也就是基础设计优化；第二风机全耦合载荷计算与仿真；第三基础总体设计优化；第四风机结构与基础结构设计与校核；第五系泊及海缆设计与校核；第六风机建造安装与运维，我们系统设计步骤比较多，设计效率低，我们与设计院进行数据交互频次和数量比较多，数据交互可靠性很难保证，设计环节中各个许可专业差异性比较大，各个环节对数据理解也可能出现一些偏差。 上海电器过去两年当中与一些设计院合作过程中总结出了一套耦合设计的流程，我们将基础数据给设计院进行基础总体设计和系泊设计，他们给我们出版数据我们进行整机建模和控制策略优化，整机全耦合全工况载荷计算分析，将全工况载荷分析结果一方面传达给主机厂商内部各个职能科室进行大部件和塔架组件计算。将载荷数据传递给设计院，由他们进行基础极限疲劳校核，他们对进行动态系统和海缆的完成，这个次数相对固定式也是不少。内容和数量都是与传统有很大不同，这些内容我这里不再详细一一介绍。 和设计院相互合作过程中，我们也会共同面临一系列实实在在的挑战与问题，比如说风机设计的时候，我们首先要考虑结构系统频率该怎么布置，基础怎么建模，对于负责系泊系统怎么建模和模拟，拿龙源项目来说，要风电与养鱼进行结合，养鱼是水动力阻尼怎么考虑，全耦合仿真过程中风机和技术在进行仿真对时间尺度要求有很大不同，对于这些问题我们都将面临到，我在后面将针对于前面面临问题挑出几个跟大家一起分享我们是怎么解决的。 刚才提到参与了飘浮式项目包括绿能张力腿项目和龙源半潜型项目，这里困难和挑战比较多，在这里时间问题只挑出五个跟大家分享一下。 首先飘浮式风机进行设计的时候，首先设计整个系统的频率，还有主控程序怎么进行策略调整和参数的优化。就拿系统频率而言，我们与固定式风机不同是频率成分更多，不光遇到风频、波浪频率、风能EP和3P转动频率，同时面临浮体自由体运动六个频率，在主控程序设计调整的时候必须要避开这些频率，由于这些频率比较多对于主控程序调整比较困难，我们在过去项目当中通过自己研发以及与定位即摇合作，我们开发有飘浮式风电主控程序，这个程序运用龙源项目中，我们发现半潜型基础功率曲线跟传统固定式功率曲线是非常接近的，也就是能够满足设计要求。 当然在频率这一块也有需要注意的地方，比如传统海上固定式风机塔筒频率1P—3P之间，风能转速在1圈或者是三分之一圈频率之间，但是放在这个区间好处是可以节省材料同时避开与环境频率的碰撞，对于飘拂式风机是不是塔筒频率放在1P—3P之间是非常值得思考的问题，需要全耦合的仿真进行仿真计算结果，根据载荷信息进行确定。通过国外经验有一些项目放在1P—3P之间，很多项目放在3P以上，放在3P以上意味着塔筒非常高，也就是塔筒运钢量相对传统固定式风机增加非常多。 另外在飘浮式风电全耦合载荷仿真过程当中也会遇到一系列的挑战问题，举个例子来说，在主机厂商一般采用的Bladed软件怎么建立基础模型，实际上也是与传统海工软件以及船一三维建模思路不一样，Bladed软件将基础结构塔筒一部分，进行集中质量点和塔件作为基础，一般设计院给我们初版基础信息的时候，它只是给了我们一个基础整个重心，也就是一个点的数据，但是Bladed软件需要把它等效成很多个量和集中质量点模拟基础信息，我们没有这些信息需要在Bladed当中根据前面提到海工软件集中质量点信息进行等效形成分布点的信息，等效过程中面临全系统有10个变量约束，重量是一个变量、重心三个自由度变量，转动惯量6个自由度变量，你怎么让Bladed软件模型和海工软件质量点模型数据等效精度非常高，这是很麻烦的问题。 一般情况下需要手动在Bladed软件进行调整设计，这个过程一方面效率很低，另一方面很难达到满意的精度，我们需要开展一些自动等效建模技术，基于自动等效建模技术快速生成Bladed软件所需要关于飘浮式基础的模型，达到精度对比目标精度在5%以内，这也是一个挑战点。 目前国内样机很多选择离岸距离不是很远，这里水深比较尴尬，浅水系泊技术比较麻烦，需要采用比较浅的系泊技术，在Bladed软件如果采用动态锚电进行建模。风机我们选择5万个计算工况，如果动态锚电进行计算，动态迭代是半年以上，这个动态迭代难以接受，我们开展了系泊系统等效钢度的研究，将复杂系泊系统等效弹簧运输，刚度要保证与复杂系泊系统刚度一致，这需要开展一系列基础收破运动试验，我们会总结出一套等效刚度数据，等效刚度数据作为全耦合Bladed软件的条件，进行500个工矿计算。 建模和系泊系统都是通过等效技术，等效技术可靠不可靠必须进行验证，怎么验证呢？拿Bladed软件建的等效模型和传统海工软件做的模型结果进行时域仿真计算，不管规则波还是不规则波，仿真软件通过等效模型与传统海工软件非常接近，所以可靠性我们非常有自信。 另外前面系泊系统采用等效模型，但是等效模型有一个问题是系泊系统有一些阻尼，如果采用等效模型会低估实际阻尼数据，在海工软件对基础进行自由设计试验，我们会得到阻尼的值，我们将阻尼值作为一个目标值，同时在等效模型也做相应自由衰减实验，我们不断调整Bladed软件阻尼设计，将阻尼设计最后作为5万多工矿的输入条件。 此外刚才提到全耦合仿真过程中主机仿真时间和基础仿真时间不同，一般主机仿真10分钟，由于基础受到时间条件，一般仿真3—6小时，这个时间差是非常大的矛盾，一些规范比如IECD对差异有明确要求，必须全耦合仿真有明确考虑，至于怎么考虑全耦合仿真需要做一系列的试验研究，风机仿真采用3—6小时的时间，会产生非常不真实的大风，会出现载荷过大的现象，如果基础采用10分钟仿真试验，会严重忽略阶段的飘浮效率，我们只有通过一系列的数字实验进行解决。 首先对四个工矿系列进行计算，采用10分钟风浪环境条件，1分钟+随机波风浪环境条件，一小时随机波，3小时随机波，通过四个系列仿真实验发现10分钟随机波和条件得到技术运动响应是低估，不够保守，10分钟加随机波是和3小时随机波是相同的水平，10分钟和随机波相对3小时仿真时间有大幅度减少。刚才提到基础二级效应也是很难有所保证，我们这里通过将5万多工程绝大部分进行10分钟加随机波，仅有典型工矿开展1小时的仿真，既保证了仿真精度又大量节省仿真时间。 另外对水深也是非常敏感，开展了水深研究，50米以内基础运动响应和50—100米不是减小，相对来说是比较大的运动幅度，并且对系泊系统的张力也是非常大的考验，所以在基础设计尤其是针对50米以内水深环境条件基础条件一定开展一系列的敏感性研究。 最后，通过实践给大家提一些飘浮式风电设计过程中一些建议，因为设计过程需要多轮迭代，需要跟设计院之间做密切配合，我们要建立灵活合理的合作机制，同时要规范数据的传递，比如通过一些标准化的模板进行数据传递，这样能够大幅降低数据传递过程中的错误。因为飘浮式风电数据传输量级和固定式而言数量和内容上有很大的差异，所以这一块要非常重视。 设计过程中加强内部各个系统之间的协同，设计过程中一些方法和结果建议要经过第三方的验证，这样会加大飘浮式风电研发进度和可靠性。研发过程中要引入一些新方法和新技术，这是我给大家提的一些建议。 我的汇报到此结束，谢谢大家！ （根据演讲速记整理，未经演讲人审核）
在15日上午召开的海上风电工程装备分论坛上，上海电气风电集团股份有限公司技术部海上漂浮式基础室主管张友林发表《 飘浮式风机耦合设计的挑战及应对实践》主题演讲。 以下为发言实录： 张友林：大家好！我是来自上海电气的张友林，今天很容幸站在这里分享我们在过去两年当中飘浮式方面做的工作，我汇报题目是关于四川飘浮式风机耦合设计挑战以及过去怎么做的应对措施。 今天我的报告分三部分内容，首先大家一起回顾海上飘浮式风电发展现状。现在海上风电已经从近海浅海走向深远海发展，为了更好捕捉深远海优质风资源，现在世界范围内很多国家和地区都在开展相关飘浮式风电的研究，根据咨询机构做出了统计，截止2019年全世界范围内海上飘浮式风电项目规划达到接近20个左右，相应规划的规模也在12MW左右。这个数据当中需要注意的是在2018年、2019年两年当中，关于海上飘浮式风电项目规划数量和规模极具增加，传递一个信号说明全世界范围内海上风电对于飘浮式前景比较认可。 我们对于过去飘浮式项目也进行了一些调研，我们将调研结果根据飘浮式项目技术成熟度可以把这些项目分为三个发展阶段。第一阶段是单台兆瓦级样机开发阶段；第二阶段是50兆瓦以内小批量示范风电厂项目开发阶段；第三个阶段是大于50兆瓦规模化商业运营项目阶段。 当然目前大多数飘拂式风电项目处于或者即将进入第一阶段，只有少量技术成熟度比较高的，未来还有更多项目可能会进入第二阶段。 在国内根据网上统计信息我们可以发现，国内针对于飘浮式风电研究这两年深耕比较快，目前主要国内飘浮式样机项目有6个，上海电气有幸参与两个项目，龙源和绿能的项目，国内项目还有一些特殊性，启动时间相对较晚，2018年、2019年两年时间启动起来，完工时间比较紧张，海上环境条件与国外也有很大不同，沿海这些地区很多都是平均风速比较低，台风也比较多，水深相对国外来说相对较浅，它是过度水深也是比较尴尬的。国内业主开发要求比较多，它有多产业结合的要求，这为海上飘浮式风电设计和研发都有一系列的挑战。 第二部分给大家介绍一下我们在过去项目当中风机设计时候遇到一些挑战，刚才也回顾了欧洲飘浮式样机研发项目，他们这些研发项目实际上在研发过程中总体是遵循循序渐进、螺旋式的设计过程，在这个过程当中设计初期阶段采用工程化低进度设计方式进行基础或者是风机设计与优化，因为这时候效率比较高，在研发中后期一般都是采用高保证度的仿真方法进行设计结果的验证。 在设计过程中也主要涉及以下六个技术方向，第一是飘浮式风机设计优化，也就是基础设计优化；第二风机全耦合载荷计算与仿真；第三基础总体设计优化；第四风机结构与基础结构设计与校核；第五系泊及海缆设计与校核；第六风机建造安装与运维，我们系统设计步骤比较多，设计效率低，我们与设计院进行数据交互频次和数量比较多，数据交互可靠性很难保证，设计环节中各个许可专业差异性比较大，各个环节对数据理解也可能出现一些偏差。 上海电器过去两年当中与一些设计院合作过程中总结出了一套耦合设计的流程，我们将基础数据给设计院进行基础总体设计和系泊设计，他们给我们出版数据我们进行整机建模和控制策略优化，整机全耦合全工况载荷计算分析，将全工况载荷分析结果一方面传达给主机厂商内部各个职能科室进行大部件和塔架组件计算。将载荷数据传递给设计院，由他们进行基础极限疲劳校核，他们对进行动态系统和海缆的完成，这个次数相对固定式也是不少。内容和数量都是与传统有很大不同，这些内容我这里不再详细一一介绍。 和设计院相互合作过程中，我们也会共同面临一系列实实在在的挑战与问题，比如说风机设计的时候，我们首先要考虑结构系统频率该怎么布置，基础怎么建模，对于负责系泊系统怎么建模和模拟，拿龙源项目来说，要风电与养鱼进行结合，养鱼是水动力阻尼怎么考虑，全耦合仿真过程中风机和技术在进行仿真对时间尺度要求有很大不同，对于这些问题我们都将面临到，我在后面将针对于前面面临问题挑出几个跟大家一起分享我们是怎么解决的。 刚才提到参与了飘浮式项目包括绿能张力腿项目和龙源半潜型项目，这里困难和挑战比较多，在这里时间问题只挑出五个跟大家分享一下。 首先飘浮式风机进行设计的时候，首先设计整个系统的频率，还有主控程序怎么进行策略调整和参数的优化。就拿系统频率而言，我们与固定式风机不同是频率成分更多，不光遇到风频、波浪频率、风能EP和3P转动频率，同时面临浮体自由体运动六个频率，在主控程序设计调整的时候必须要避开这些频率，由于这些频率比较多对于主控程序调整比较困难，我们在过去项目当中通过自己研发以及与定位即摇合作，我们开发有飘浮式风电主控程序，这个程序运用龙源项目中，我们发现半潜型基础功率曲线跟传统固定式功率曲线是非常接近的，也就是能够满足设计要求。 当然在频率这一块也有需要注意的地方，比如传统海上固定式风机塔筒频率1P—3P之间，风能转速在1圈或者是三分之一圈频率之间，但是放在这个区间好处是可以节省材料同时避开与环境频率的碰撞，对于飘拂式风机是不是塔筒频率放在1P—3P之间是非常值得思考的问题，需要全耦合的仿真进行仿真计算结果，根据载荷信息进行确定。通过国外经验有一些项目放在1P—3P之间，很多项目放在3P以上，放在3P以上意味着塔筒非常高，也就是塔筒运钢量相对传统固定式风机增加非常多。 另外在飘浮式风电全耦合载荷仿真过程当中也会遇到一系列的挑战问题，举个例子来说，在主机厂商一般采用的Bladed软件怎么建立基础模型，实际上也是与传统海工软件以及船一三维建模思路不一样，Bladed软件将基础结构塔筒一部分，进行集中质量点和塔件作为基础，一般设计院给我们初版基础信息的时候，它只是给了我们一个基础整个重心，也就是一个点的数据，但是Bladed软件需要把它等效成很多个量和集中质量点模拟基础信息，我们没有这些信息需要在Bladed当中根据前面提到海工软件集中质量点信息进行等效形成分布点的信息，等效过程中面临全系统有10个变量约束，重量是一个变量、重心三个自由度变量，转动惯量6个自由度变量，你怎么让Bladed软件模型和海工软件质量点模型数据等效精度非常高，这是很麻烦的问题。 一般情况下需要手动在Bladed软件进行调整设计，这个过程一方面效率很低，另一方面很难达到满意的精度，我们需要开展一些自动等效建模技术，基于自动等效建模技术快速生成Bladed软件所需要关于飘浮式基础的模型，达到精度对比目标精度在5%以内，这也是一个挑战点。 目前国内样机很多选择离岸距离不是很远，这里水深比较尴尬，浅水系泊技术比较麻烦，需要采用比较浅的系泊技术，在Bladed软件如果采用动态锚电进行建模。风机我们选择5万个计算工况，如果动态锚电进行计算，动态迭代是半年以上，这个动态迭代难以接受，我们开展了系泊系统等效钢度的研究，将复杂系泊系统等效弹簧运输，刚度要保证与复杂系泊系统刚度一致，这需要开展一系列基础收破运动试验，我们会总结出一套等效刚度数据，等效刚度数据作为全耦合Bladed软件的条件，进行500个工矿计算。 建模和系泊系统都是通过等效技术，等效技术可靠不可靠必须进行验证，怎么验证呢？拿Bladed软件建的等效模型和传统海工软件做的模型结果进行时域仿真计算，不管规则波还是不规则波，仿真软件通过等效模型与传统海工软件非常接近，所以可靠性我们非常有自信。 另外前面系泊系统采用等效模型，但是等效模型有一个问题是系泊系统有一些阻尼，如果采用等效模型会低估实际阻尼数据，在海工软件对基础进行自由设计试验，我们会得到阻尼的值，我们将阻尼值作为一个目标值，同时在等效模型也做相应自由衰减实验，我们不断调整Bladed软件阻尼设计，将阻尼设计最后作为5万多工矿的输入条件。 此外刚才提到全耦合仿真过程中主机仿真时间和基础仿真时间不同，一般主机仿真10分钟，由于基础受到时间条件，一般仿真3—6小时，这个时间差是非常大的矛盾，一些规范比如IECD对差异有明确要求，必须全耦合仿真有明确考虑，至于怎么考虑全耦合仿真需要做一系列的试验研究，风机仿真采用3—6小时的时间，会产生非常不真实的大风，会出现载荷过大的现象，如果基础采用10分钟仿真试验，会严重忽略阶段的飘浮效率，我们只有通过一系列的数字实验进行解决。 首先对四个工矿系列进行计算，采用10分钟风浪环境条件，1分钟+随机波风浪环境条件，一小时随机波，3小时随机波，通过四个系列仿真实验发现10分钟随机波和条件得到技术运动响应是低估，不够保守，10分钟加随机波是和3小时随机波是相同的水平，10分钟和随机波相对3小时仿真时间有大幅度减少。刚才提到基础二级效应也是很难有所保证，我们这里通过将5万多工程绝大部分进行10分钟加随机波，仅有典型工矿开展1小时的仿真，既保证了仿真精度又大量节省仿真时间。 另外对水深也是非常敏感，开展了水深研究，50米以内基础运动响应和50—100米不是减小，相对来说是比较大的运动幅度，并且对系泊系统的张力也是非常大的考验，所以在基础设计尤其是针对50米以内水深环境条件基础条件一定开展一系列的敏感性研究。 最后，通过实践给大家提一些飘浮式风电设计过程中一些建议，因为设计过程需要多轮迭代，需要跟设计院之间做密切配合，我们要建立灵活合理的合作机制，同时要规范数据的传递，比如通过一些标准化的模板进行数据传递，这样能够大幅降低数据传递过程中的错误。因为飘浮式风电数据传输量级和固定式而言数量和内容上有很大的差异，所以这一块要非常重视。 设计过程中加强内部各个系统之间的协同，设计过程中一些方法和结果建议要经过第三方的验证，这样会加大飘浮式风电研发进度和可靠性。研发过程中要引入一些新方法和新技术，这是我给大家提的一些建议。 我的汇报到此结束，谢谢大家！ （根据演讲速记整理，未经演讲人审核）