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1、,海上浮式风电平台设计中的技术问题探讨,1,一、概述,二、浮式风电平台的特点,三、浮式风电平台设计要点四、设计实例介绍五、总结,2,一、概述,3,概述发展海上浮式风电的必要性,风资源丰富，风湍流强度和海面粗糙度更小近海资源有限，深海资源充足,风能资源用海资源,由固定式到漂浮式,由浅到深,由陆向海,远离海岸，减少污染,环保,深海区域浮式基础较固定式基础经济性高为远海孤岛开发提供能源保障,经济性,岛屿开发,4,概述, 我国现有的海上风机主要采用固定式基础安装在浅海区域（小于30m水深）。随,着水深增加导致固定式风力机建造安装费用急剧增加。, 水深大于50-60米以后，浮式风机系统建造成本将大幅降低
2、，因此，水深大于50米的海域一般采用浮式基础作为风机的支撑平台。,三角式基础导管架基础桁架式基础,单桩基础重力基础,浮式基础,浅海技术 过渡海域技术,深海技术,0,20,30,60,80,100,120,140,160,水深(m),不同水深和基础结构形式的成本曲线,5,概述,2018年欧洲各国在建海上风电场平均水深及离岸距离,6,概述,有史以来制造的第一台最大的风电机组叶片（12MW风机），由GE拥有的LMWind Power生产的107米长的LM 107.0 P型号离开位于法国瑟堡的OEM工厂,7,概述,截至2019年3月底，中国海上风电已投运3.69GW，在建10GW，核准未开建41.38
3、GW；已投运海上风电容量有75%（2.77GW）在江苏省，核准未开建海上风电容量有70%（29GW）在广东省。,可以预期未来的海上风场将会离岸越来越远，单机功率越来越大，并出现越来越多的浮式风机。,中国海上风电投运、在建与核准未开建容量（GW）,8,二、浮式风电平台的特点,9,浮式风电平台特点,一般浮式结构物 船舶, 半潜式平台 导管架, GBS平台, 张力腿平台 渔业网箱平台 各种特殊平台,10,浮式风电平台特点,11,浮式风电平台特点, 半潜式：34立柱，体积较大，吃水较浅，成本较低，设计灵活, TLP式：水深适应性强刚度大，稳性和耐波性好，但技术难度大，成本高, Spar式：单立柱，结构
4、简单，水线面积及面积矩较小，需要降低整体重心保证静稳性，吃水较深，成本较高。, Barge式：与船舶工作原理类似，形式简单，设计灵活，成本较低，耐波性差,12,浮式风电平台特点,示范样机,HYWINDSCOTLAND6.0 MW,HYWIND DEMO2.3 MW,DIMENSION,Mass,5300 tonnes100 m,11200 tonnes78 m,Draught,Hub heightWater depth,65 m,98 m,220 m,105 m,SubstructureDiameter,8.3 m85 m,14.4 m154 m,Rotordiameter,Drag embe
5、ddedanchor,Anchor,Suction anchorChain,Mooring,Wire/chain,13,浮式风电平台特点,示范样机,WINDFLOAT,DIMENSIONFoundation,DEMO6 MW,3 column Semi-submersible,Displacement 5500 tonnes,Water depthHub height,40-50 m78m,Distance fromthe shore,5 km,14,浮式风电平台特点,主要特点,结构特殊：, 风载荷大，风倾力矩大 重心高, 经济性要求高由此导致稳定性差,抗台风要求：, 台风：十分钟平均风速可超
6、过每秒50米 波浪：有义波高可大于10米,15,浮式风电平台特点,性能要求高：, 浮力（排水量）：足以支撑自身及上层建筑 静稳性：在巨大风倾力矩作用下仍能保持小倾角 耐波性：在极限风浪流环境条件下保证较小运动幅度（包括加速度）, 结构安全性：在极限海况条件下保证结构强度满足安全性求,力学问题复杂：, 风机空气动力学, 平台水动力学, 系泊动力学, 全系统耦合运动,16,三、浮式风电平台设计要点,17,浮式风电平台设计要点,浮式风电平台设计要点： 浮力、静稳性 耐波性, 系泊系统, 结构安全性 经济性, 模型试验验证,18,浮式风电平台设计要点, 浮力、静稳性,浮力等于 排水量，由结构总重量决定
7、。,静稳性由静水刚度决定（重心、浮心相对位置，水线面积、面积矩）,提高静稳性的方法：,1. 降低重心相对浮心的位置（如在平台底部加配重）,2. 增加水线面积和面积矩（增加立柱直径及立柱到平台中心的距离）,19,浮式风电平台设计要点, 耐波性（即波浪中平台的运动响应）,（）, =,（ + ） + （）,由波浪激励力F、质量M（包括附加质量）、,刚度K及阻尼C等综合因素决定。,20,浮式风电平台设计要点,减小运动响应的方法：1. 减小波浪激励力,减小迎浪面积、增大迎浪面所在水下深度。,2. 合理设计平台静水刚度和质量（包括附加质量）。使平台运动自然周期（=(/)）远离波浪谱峰周期。（但往往与静稳性
8、矛盾）,3. 增大平台阻尼,使用增大水动力阻尼的设计，如阻尼板。,21,浮式风电平台设计要点, 系泊系统,浮式风电平台系泊系统主要特点：,1. 浅水系泊悬链线效应差,同样幅度位移下锚链张力增幅远大于中深水情况。2. 系泊系统对平台抗风倾力矩能力影响较大3. 周边结构物密集，系泊半径及布设方向受限4. 系泊系统建造安装价格较高，直接影响风电场建设的经济性。,22,浮式风电平台设计要点,水平移动8m,水深,系泊半径,锚链直径120mm,锚链长度,40m,160m,173m,项目,移动前,移动后,变化率,顶端角度(deg) 49.98,20.94160.890,-58.10%476.67%-100%
9、,张力(t),27.987,躺底段(m),23,浮式风电平台设计要点,水平移动8m,水深,系泊半径,锚链直径120mm,锚链长度,400m,1600m,1730m,项目,移动前,移动后,变化率-4.64%9.30%-5.18%,顶端角度(deg) 50.69,48.34296.51842,张力(t),271.27888,躺底段(m),24,浮式风电平台设计要点,水平移动8m,水深,系泊半径,锚链直径120mm,锚链长度,40m,320m,333m,项目,移动前,移动后,变化率,顶端角度(deg) 50.16,22.94125.68297,-54.27%354.05%-27.21%,张力(t),
10、27.68408,躺底段(m),25,浮式风电平台设计要点,水平移动8m,水深 系泊半径 锚链直径 锚链长度 聚酯缆直 聚酯缆长,径,度,40m 320m,120mm移动前,300m移动后,120mm,33m,项目,变化率,顶端角度(deg) 43.08,26.3858.15196,-38.77%268.27%-23.74%,张力(t),15.79257,躺底段(m),26,浮式风电平台设计要点, 系泊系统,浅水条件下系泊系统设计要点：1. 加大躺底段锚链重量以提高悬链线效应2. 悬垂段部分采用合成缆增加弹性（如聚酯缆，Polyester）,以上两项措施均有助于减小张力，减小系泊半径，从而减小
11、对锚固基础承载力的要求，减小海底占用面积，提高系泊系统整体经济性。,27,浮式风电平台设计要点, 结构安全性,结构极限载荷：浮式风机与固定式风机的最主要区别是浮式平台的波频运动（位移、速度和加速度）将引起额外的结构载荷、振动、疲劳。,结构共振：需要分析结构的振动自然周期与波浪周期的关系，避免发生结构共振。,疲劳分析：需要依据波浪,长期散布图进行结构疲劳分析,28,浮式风电平台设计要点, 结构安全性,通用电气在美国内布拉斯加州的一处风场7月5日发生倒塔事故，这是GE今年在美国发生的第三次风机倒塌事件,浮式风电平台设计要点, 经济性, 风机功率及平台用钢量、建造难度 系泊形式、系泊缆材质和数量 锚
12、固基础形式及数量 运输安装费用, 可靠性及运维费用 ,30,浮式风电平台设计要点, 模型试验验证,通过对风机气动、浮式平台水动力及系泊系统全系统实验室模拟验证数值模拟手段及结论的正确性 ，为设计方案的论证提供可靠数据。,主要难点,风浪流模拟中Froude数与雷诺数同时相似,的问题，主要表现在风机叶轮的空气动力学与平台波浪力学之间的不可协调。应对措施,等效阻力盘法：采用具有与风机叶轮同等阻力特性的阻风载荷对平台的作用,整体,31,浮式风电平台设计要点, 数值模拟方法,1. 风机气动力, 通过软件计算或风洞试验获得实时气动力载荷或气动载荷系数。常用软件有BLADED, FAST等。2. 浮式平台水
13、动力, 绕射/辐射理论频域求解浮体水动力系数，对细长体采用 Morison公式时,域求解波浪力。, 对不规则时历入射波，将频域水动力系数转换到时域，与入射波一起构,成时历波浪力加到运动方程右侧作为外力输入。,常用软件有SESAM， AQWA， HYDROSTAR， THAFTS（自研）等,32,浮式风电平台设计要点, 数值模拟方法,3. 系泊系统张力, 用基于悬链线方程的准静态方法或者有限单元的动力学方法求解锚链张力，锚链顶端（与平台相连）的运动作为输入，计算张力后迭代计算平台运动直至收敛。,常用软件：ORCAFLEX, SESAM，AQWA等4. 全系统耦合运动响应, 实时求解风机叶片气动力
14、、平台运动响应、系泊张力，如 BLADED （水动力系数由外部输入）。, 输入风机气动载荷系数实时求解风载荷、平台运动响应、系泊张力，,如 SESAM，AQWA，ORCAFLEX（水动力系数由外部输入）等。从,浮式平台及系泊系统设计角度看，这种方法简单而不失精确性。,33,四、设计实例介绍,34,设计实例介绍,5.5MW风机浮式平台设计实例设计极限海况：Hs=10.1m,Tp=17s,Gamma=2;风速：55m/s(10分钟平均）+脉动；流速：1m/s,参数立柱间距立柱直径立柱高度下浮体宽度下浮体高度上部撑杆边长吃水,单位m,数值70.0,m,13.0,m,28.0,m,14.0,m,3.5
15、,m,3.5,m,13.5,排水量,kgte,1.417E+073050903,平台用钢量风机总重压载重量,te,te,10200,重心垂向距离（距水线）,m,-0.71,横摇惯量纵摇惯量艏摇惯量,kgm2kgm2kgm2,1.552E+101.557E+101.503E+10,35,设计实例介绍,静稳性按船级社关于海上平台稳性规范校核,36,设计实例介绍,自由度,垂荡,横摇,纵摇,耐波性,自然周期（s）,24.8,25.1,25.1,平台运动的自然周期平台运动的RAO,平台各自由度受到的波浪力,2.001.501.000.500.00-0.50,3.503.002.502.001.501.0
16、00.500.00-0.50,3.002.502.001.501.000.500.00-0.50,0,10,20Period (s),30,40,0,10,20Period (s),30,40,0,10,20Period (s),30,40,1.0E+078.0E+066.0E+064.0E+062.0E+060.0E+00-2.0E+06,2.5E+082.0E+081.5E+081.0E+085.0E+070.0E+00-5.0E+07,3.0E+082.5E+082.0E+081.5E+081.0E+085.0E+070.0E+00-5.0E+07,0,10,20Period (s),3
17、0,40,0,10,20Period (s),30,40,0,10,20Period (s),30,40,37,设计实例介绍,系泊系统（时域耦合分析，风载荷通过风力系数计算得出）浮式风电平台运动,浪向-90-75-60-45-30-15015304560,垂荡最大位移5.326,横摇最大角度12.42,纵摇最大角度0.00,-5.092-5.099-5.175-5.223-5.164-5.079-5.085-5.088-5.043-5.193-5.310-5.390,11.589.1966.5596.367,4.5596.4058.0429.30610.1410.229.5308.3647.5
18、85-6.297-3.6390.00,6.454,-6.051-7.365-8.149-8.246-8.915-9.967-10.47,7590,60度浪向系泊缆张力,系泊缆编号,最大张力,最小躺底段长度,破断张力,保险系数,Line 1Line 2Line 3Line 4Line 5Line 6,3.583E+043.579E+041.247E+061.376E+064.696E+064.500E+06,197.8197.944.5243.038.0189.876,9.398E+069.398E+069.398E+069.398E+069.398E+069.398E+06,262.29262
19、.597.54,6.83,2.00,2.09,38,设计实例介绍,结构安全性,风机塔底弯矩,平台垂荡运动,5.4,平台倾斜角度塔底弯矩,12.4,3.71E+083.31E+08,风载荷引起的塔底弯矩,重力引起的塔底弯矩,1.10E+081.40E+08,惯性力引起的塔底弯矩,39,设计实例介绍,结构安全性,强度校核,以垂向弯矩为特征载荷的应力分布,以垂向剪力为特征载荷的应力分布,40,五、总结,41,总结,目前国内在海上浮式风电领域的设计和建造能力, 风机设计制造,建造能力国际一流，设计水平先进，需要针对浮式风电平台特点进行调整改进。, 浮式风电平台,具有很强的海洋平台设计建造经验和能力，具
20、备设计性能优良的浮式风电平台的基础。, 系泊系统,具有很强的海洋平台系泊系统的设计能力和丰富经验，具备设计性能优良的浮式风电平台系泊系统的基础。, 数值模拟,具有很强的软件分析手段，包括国际通用的商业软件和自主开发的分析软件。, 模型试验验证,具有国际一流的海洋工程和气动力学模型试验设施，积累了丰富的试验经验，具备进行海上浮式风电系统模型试验的软硬件能力。,42,总结,中船重工第七二所浮式平台和系泊系统设计,总结,中船重工第七二所模型试验设施,风洞试验段主尺度：8.5m3m3m风速范围：,393m/s,波浪水池主尺度：,69m46m4m,44,总结,中船重工第七二所,海上风电运维船设计,45,
21、总结,中船重工第七二所,海上风电状态监测与故障诊断,海上风电总体布置,风电内部结构组成,综合采用低频与高频分析方法进行海上风电状态监测与故障诊断 油液分析 温度监测 振动监测, 应变力监测,风电故障类型与比例,齿轮箱内部件故障比例,总结,中船重工第七二所,海上风电状态监测与故障诊断,轴承内圈损伤,轴承滚动体损伤,轴承外圈损伤,齿轮齿面磨损,风电机组传感器布置,提出一种新的风电系统多变量深度学习的故障诊断模型，提取早期微弱故障信息 以风电机组传动链为对象, 基于SCADA数据与振动信号（数据采集与监视控制系统） 基于堆叠多水平自编码器的深度学习模型,总结,中船重工第七二所,海上风电场环境噪声预测
22、,计算流体动力学,旋转叶片气动噪声,风电机组结构参数输入,声类比理论,机舱冷却系统齿轮传动噪声,多刚体动力学,风机机组噪声源特性分析,变桨减速系统噪声,摩擦学,模态分析,制动摩擦噪声,噪声源影响因素分析及贡献量排序,声场分析理论仿真,考虑声源指向性的点声源模型,风电机组噪声传递规律,半经验工程法,海面上近场远场辐射噪声,水下噪声,建立了风电机组振动噪声源特性及其引起的环境噪声的预测方法，为海洋环境噪声评估提供技术支撑。,海洋环境噪声限值标准,总结,中船重工第七二所,海上风电场环境噪声检测,序号,检 测 项 目,12,中点投大风海上风电示范项目海洋声环境现状调查与评价,海装如东300MW海上风电
23、场工程海洋声环境现状调查与评价专题,3,中电建江苏如东C1海上风电场项目海洋声环境现状监测与评价,456789,江苏蒋家沙（H2#）300MW海上风电场噪声调查中广核岱山4#海上风电场工程海洋声环境现状调查与评价国家电投滨海南区H3#300MW海上风电场项目检测国家电投滨海北区H1海上风电场项目检测射阳南区海上风电噪声,华电玉环1号海上风电场,建立了海上风电场环境噪声的测量方法及数据库，掌握了海上风电场海洋声环境现状。,总结,中船重工第七二所,低噪声机械设计及可靠性分析,定性分析, 以甲板机械起升机构齿轮箱为研究对象，顶事件：起升失效，求各底事件, 按照故障模式和演绎规律，建立故障树，通过故障
24、规范法、简化与分解，建立产生顶事件的各个故障模式及发生条件。,M2,A,掌握导致起升失效的8个主要因素，指导设计，也为后续状态监控提供方向,M4,X5,M5,M6,M7,X6 X7 X8 M8,X12 X13 M9 X19 X20 X21 X22 X23 X24 X25 X26,X9 X10 X11 X14 X15 X16 X17 X18,图： 故障模式演绎规律,液压泵振动功率谱及故障特征,总结,中船重工第七二所海上风电抗震安全评估技术,四项关键问题, 连接结构的非线性动力学特性,4,风电装置内部设备，法兰结合面、螺栓等连接结构的安全性评估的重要依据,连接结构非线性处理方法连接结构冲击安全评估
25、准则, 塔架与海水流固耦合分析方法,结构动态响应分析的有效保障,有限水域棒束流固耦合分析方法有限水域棒束抗冲击设计方法,3,求解冲击载荷作用下流体域内多体结构的瞬态响应。, 桩基与土层耦合分析方法,外载荷传递至风电结构的关键环节,瞬态流固耦合分析CEL方法,拥有自主研发的二阶DAA边界元处理程序,求解强冲击载荷作用下流固耦合问题，能够解决全频段结构与介质的冲击,相互作用问题。,2, 地震载荷谱,评估的输入载荷直接决定考核的严酷度,频域分析,拥成熟的DDAM分析方法，并且拥有自主研发的密集模态处理软件。时域分析,1,在瞬态冲击响应分析方面积累有大量理论基础,总结,浮式风电平台的设计首先需要满足浮
26、式风机对静稳性和耐波性的苛刻要求，同时相比陆上和海上固定式风机，浮式风机的结构安全性问题更为突出，需要对运动、载荷及强度等进行精确数值预报和模型试验验证； 在优化浮式风电平台设计的同时，风机厂商有必要在固定式风机的设计基础上进行适应浮式风电平台特点的设计改进，通过设计优化和降低对浮式平台运动性能指标的要求，有可能显著降低浮式风电平台的造价； 浮式风电平台的系泊定位系统是影响浮式风电成本的重要因素，需要针对平台布设海域的海洋环境和地质条件开展对系泊形式、系泊缆材料及锚固基础形式进行研究和设计优化以降低成本；, 国内目前在海洋工程领域的技术积累和工程经验，已经足以支撑浮式风电平台的自主设计和建造。,52,谢谢！,53,
