主题发言

北京鉴衡认证中心有限公司技术总监蔡继峰:漂浮式风电机组载荷分析方法现状

2020-12-14    东方风力发电网

  蔡继峰:各位专家,各位领导,各位同仁,大家下午好!

  我今天要给大家分享的是谷雨漂浮式风电机组方面的情况。

  载荷分析是连接外部条件和结构强度胶合的中间环节,它需要把外界的各种各样的环境设计成一套载荷公况来进行载荷分析,并且把载荷结果用于强度分析。

  如果载荷分析结果不那么准确的话,强度胶合的时候,就需要取比较大的安全系数来保证它的安全,或者把这个风险留到项目当中。

  所以,载荷分析准确性与否,对控制项目成本和降低项目的风险都是至关重要的。

  这是我今天要分享的几部分内容,首先介绍漂浮式风电的现状,二是介绍漂浮式风机是什么样的载荷特点,三是介绍漂浮式载荷分析研究,最后是总结和讲话。

  有80%的海上风能资源超过60米水深的海域,所以漂浮式的技术经济性逐渐凸现。

  大家看右边的两张图,分别是2009Hywind nemo世界首台浮式样机和2019Hywind nemo世界首个浮式商业项目。

  这是漂浮式风电发展的现状,样机项目有英国、日本、葡萄牙等都有相关的相等,中国目前还没有。好在国内有好几个漂浮的项目正在建设阶段,比如说绿能海、三峡阳江、海装湛江、龙源南日岛。

  漂浮式的载荷有什么样的特点呢?

  这是漂浮式基础的形式,我从受力的角度给大家做简单的分析。

  第一,驳船式。一般情况下,船是比较稳定的,但是如果上面有这么大的风机,会产生很大的吸附力矩,这种形式是非常不稳定的。相对于其他几种模式,这是最不稳定的基础形式。

  第二,半潜式。半潜式其实就相当于把驳船式薄片用小柱子来替代,小柱子的重心会低一些,半潜式相对于第一种,受力更稳重。

  第三,单立柱式。它的重心更低,稳定性更好,前3种里稳定性最好,但是为了稳定性好,吃水比较深,对于单立柱式需要100米水深的海域才适用。

  第四,张力腿式。它需要有一个预张力,这有什么好处?它的浮体结构不需要重物来压,所以它的漂浮式可以做得很轻,成本比较低。但是同样有一个问题,需要有很大的预张力,施工过程中就会带来困难,以及对海底的沿途有比较高的要求。

  虽然它有4种形式,但是归纳起来,组成部分都是一样的,有一个风机机拖的部分,还有浮体支撑结构,然后是系泊系统。

  漂浮式风机,其实是多自由度、多载荷元、部件强耦合的问题,所以这个问题是比较复杂的。

  那现在我们是怎么做风机?有一些技术也列入超单载(音)技术,把一些模块做了耦合迭代,但是整体都做耦合迭代比较少。这些软件,大多是海工软件,在分析的过程中,很少出现顶部有一个大载荷的模型,它对这方面的经验不足。

  一说起载荷,肯定会说它的工况,其实除了正常运行下来的载荷工况,还有一些特殊的工况,我参考了最新版的ISSO312标准,它提出了需要考虑4种特殊情况,一是支撑结构的控制系统坏了怎么办?二是多舱的时候,如果舱进水了,稳定性怎么样?三是系泊系统,断了之后怎么样?四是系泊系统在安装过程中走锚了怎么办?这样情况,载荷也同样需要考虑到。

  国际能源落有一个课题IEA Wid Task30,它是研究海上风电的。

  这个课题是由Amy博士在2005年的时候发起的,最早是OC3,想通过海上风电软件之间的同行比对来提高这方面的能力,这是整体的历程。

  OC3阶段没有做万,就来了OC4,后来发展光比对不行,还得有测试,然后就有了OC5OC5比对的时候又发现不确定性的控制又非常的重要,所以又来了OC6,这里面每一个阶段都有一些浮式相关的研究。

  这是这个课题的参与机构,我简单统计了了一下,涵盖了检测认证、开发商、软件工艺上等66家机构,检测认证机构有5家,中国目前除了建行之外也有另外5家企业参加。

  先来看OC3OC4的仿真比对情况。这是仿真比对的几个模型,OC33种形式,一种是单桩,一种是多桩,两个固定式的,一个漂浮式的,中间还有一个桁架式的固定基础,还有半潜式的。

  这里主要是半潜式的情况,在计算之前,所有的参与方先做了模型的对标,通过模态分析和自由筛选等,保证他们的模态频率等参数一致性,在这样的前提下进行下一步的仿真。

  这个仿真选了两大类工况,一个工况是把轮部锁定,轮部锁定意味着风载是非常小的,几乎可以忽略不计,也就是说,不考虑风载的情况下,在水动力载荷作用下的特性。第二个是把轮毂锁解开了。

  我们来看结果怎么样,上面是带风浪耦合全自由度的结果,位移稍微有一些差异,但是总体上较为一致。大如果仅仅是看受水动力载荷的结果,尤其是钟相的运动,各家几乎有颠覆性的差异,转动得稍微好一些,受力也稍微好一些,这是漂浮式,水动力是主导,所以水动力展开很重要。

  课题组也分析原因,这是几个关键的时序,分析原因发现,这些时序出现了聚堆的情况,这种差异谁好、谁坏,无法通过仿真分析得到,于是课题组决定在下一个阶段把测试放进来,就是OC5

  OC5的时候,也选了3个测试模型,一是圆柱水池实验,二是刚才提到的完全同一个模型,但是是半潜式的模型,三是全尺寸航架式样机试验,因为它是海上的,前面也有很多固定式的计算。

  咱们还是看这个,也是三方面的模型,

  我们来看结果,结果比较遗憾,红色的是仿真的,黑色的是测试的,横坐标是不同的工况,所有的工况下,测试的结果都比仿真机构大,所以课题组一直找原因,找了很多原因发现找不到原因。这个测试中有很多不确定性度,这些不确定性的叠加注意造成差异,所以哪里出了问题找不到。

  那也进行了反思,改进下一个阶段,下一阶段一定要把受力源进行分开,同时也引入了高精度的CFD工具。

  再来看OC6的情况,OC6目前正在进行中,一共有4个阶段,目前在第一个阶段,第一个阶段是关于水动力研究的,疫情原因,还没有安装结束。

  我们来看第一阶段的情况,做了两大类的实验,第一类叫约束实验,第二类叫系泊实验。约束实验只有一个浮体,把这个浮体固定在一个支架上,这个支架可以按照你预计的实验要求进行编程来运动。系泊实验,它是把3根系泊线连在浮体上,但是浮体上端的风机被拿掉了。

  这里面黑色的部分是测试结果,黑色的结果也是聚集各家机构的中间,相对来说略微接近一些。但是看右边两张图,约束情况下,都远远小于实验结果。这是什么原因呢?固定情况下水动力偏小,阻力小了,但是阻力如果小了,把它调大,运动又会受到阻碍,运动的差异会变得更大,所以背后的原因不止是阻力小了这么简单。

  在这方面,目前也没有锁定原因,目前正在进行CFD方面的计算,希望能够通过CFD的结果帮助我们找到原因。

  这是到目前为止这个课题的情况,做个小结:

  第一阶段,仿真比对有差异,不知道哪一个理论是对的。

  第二阶段,也有差异,不知道哪一个环节有问题。

  第三阶段,拆开了,发现不知道哪一个参数选得不合适,还是有差异,所以现在等看CFD结果怎么样。

  最后做一个总结。

  第一,漂浮式风电是未来海上风电的一个重要发展方向。

  第二,漂浮式风电受力特点为顶部大载荷,底部大位移,风、浪、结构三者强耦合,现有海工分析软件适用性可能有限。

  第三,现有的研究成果显示,目前漂浮式载荷仿真结果与试验结果还存在较大差异,需要投入更多的研究力量攻关,模型样机试验是一个关键的手段。

  第四,认证是把前沿技术应用风险的重要手段,但要真正体征认证的价值,需要认证机构对象关技术有深入研究。

  我用一句话来做结尾:践行知识传递是使命,让认证不止于证书,谢谢大家!