2024海上风电大会：我国深远海风电设计技术的思考

第九届全球海上风电大会我国深远海风电设计技术的思考新能源工程院1开发潜力全球海上风电发展现状75.2GW注：数据来源GWEC全球海上风电发展现状75.2GW注：数据来源GWEC截至2023年底，全球海上风电总装机容量达75.2GW，中国累计装机量37.3GW，占比达50%，居世界第一；第二、第三依次为英国、德国。从区域布局看，海上风电主要分布在欧洲、中国和日本、韩国、越目前全球深远海风电正逐步进入商业化开发阶段，已建项目主要分布于欧洲和中国，中国已开展了柔性直流输电、漂浮式风电试验示范项目。HywindScotland风电场是全球首座商业化漂浮式风电场，装机容量30MW，安装5台6MWHywindScotland风电场是全球首座商业化漂浮式风电场，装机容量30MW，安装5台6MW风苏格兰HywindScotland远海：英国HornseaOne风电场、德国HoheSee风电场、Albatros风电场、Sandbank风电场等离岸超过100km。深海：Hywind风电场、Windfloat风电场水深超过100m，尤其是Hywind风电场部分水深甚至超过200m。英国Seagreen是目前全球最深（最大水深为59m）的固定式基础海上风电场，装机容量为1.1GW，安装114台10.0MW海上风机，离岸距离约27km，采用3回225kV交流海缆送出，于2023年11月投产。远海风电场：场区离海缆路由登陆点所在岸线最近距离大于深海风电场：场区水深大于理论最低潮位以下50m的风电场。欧洲是全球深远海发展最早的区域，已实现规模化开发。》我国海上风电发展现状3729万kW我国海上风电发展起步于2007年前后；2009年正式启动全国海上风电规划，采用特许权招标方式探索发展；2014年6月确定标杆电价后，我国海上风电迎来了稳定发展期。截至2023年底，我国海上累计装机容量3729万kW，主要分布在江苏、广东、山东、浙江、福建等省份，占全国总装机的93%。》我国深远海风电发展潜力我国近海风电资源预计在2030年之前大部分建成并网，未来海上风电的发展方向在深远海。我国深远海风电开发前景广阔，专属经济区海上风电理论开发量约45亿kW。2035年之前，我国深远海风电总规划容量约2.3亿kW，规划场址中心离岸距离在150km范围内，水深在100m以内。其中，浙江、广东、海南省具有广阔的专属经济区，深远海风电储量较大。1开发潜力》海洋环境差异性极端波浪频发、波况更为恶劣大气、洋流等多动力场影响明显相互作用恶劣海况预估困难极端波浪频发、波况更为恶劣大气、洋流等多动力场影响明显相互作用恶劣海况预估困难极端流速有所降低内波、洋流相互作用无法忽视大尺度动力场发生机制尚不明确风平均风速相对更大且稳定极端风速出现频次多台风及海洋环境影响更复杂发电量折减系数依据不足加之运维复杂、设备故障率未知、大型风机不成熟等共同作用海洋水文条件评价困难多动力场耦合复杂，精确预报难度大，直接影响后续结构设计施工运维窗口期受限深远海海洋环境复杂，施工和运维窗口期零散，管理成本增加结构型式差异性结构设计制造困难参数增多、控制目标愈加复杂某近海项目浙江某项目海南某项目结构设计制造困难参数增多、控制目标愈加复杂某近海项目浙江某项目海南某项目n尺寸：直径7~10m桩长80m桩长70-100m导管架高90m+高40m+（桩+导管架）(浮体+附属结构)结构连接复杂更深更大更重设计制造困难控制目标繁多近海：吊运分离一体化大水深/长距离大吊高/大尺寸施工窗口期短重量大/难度高高强轻质材料叶片性能设计精确制造工艺安装维护技术深远海风资源观测及最大风速评估面临的挑战：亟需在台风影响的深远海海域，实施深远海风资源观测及最大风速评估面临的挑战：亟需在台风影响的深远海海域，实施安全、可靠的风资源测量；完善漂浮激光雷达数据分析方法以及基于历史台风特征参数的最大风速分析方法，进而构建深远海风资源评估系统。浮式风机设计及评估浮式风机设计及评估面临的挑战：考虑不同海况入流风特性、深远海大型风电场阻滞作用等，明确运动风机尾流解析模型。数据数据耦合计算模型实测数据和数值模拟相结合的全要素标准化数据库拿高精度的深远海环境全要素联合评价体系》数据数据耦合计算模型实测数据和数值模拟相结合的全要素标准化数据库拿高精度的深远海环境全要素联合评价体系n海洋环境恶劣，极端天气频发，海洋水文实测数据的获取越来越困难n大气、海洋、海浪等不同物理场相互作用更为复杂，缺乏全要素标准化数据库n对海洋环境要素精准评估提出更高的要求，急需建立深远海环境全要素联合评价体系多要素、全天候、全自动的一体化观测手段》深远海风电勘察n面临的挑战：勘测装备方面：传统综合勘测平台、钻探和取样系统、原位测试设备等装备已不能满足深远海风电场评价理论与方法方面：深远海特殊沉积环境下深厚软弱土层等不良地质条件普遍存在，精细化的不良重型部件施工经验尚少，风险大，重型部件施工经验尚少，风险大，现有市场船机资源少，海上施工成本高，方案论证困难程度不足，重量指标高于国外结构及设备须一体化分析，重量与设备可靠性综合平衡难度大专业交互复杂，多学科优化设计边界不清晰，重量指标优化困难建设挑战：成套系统及设备可靠性要求严苛，换流站多学科集成交互设计重量控制难度高，海上施工作业挑战大换流阀子模块数量较多，换流阀整体功率密度的提升难度较大高压大截面直流海缆对绝缘要求、深远海风机结构设计针对大型机组和大水深条件的导管架基础逐渐成为主流，并不断突破国内海上风电应用水深的上限适用于漂浮式风电的大兆瓦风机成熟度低、可靠性待验证，平台建造安装难度高，降本压力大华电阳江青洲三导管架基础三峡“引领号”深远海导管架基础吊装海装“扶摇号”深水多桶导管架基础海油“观澜号”漂浮式风机结构建造、运输、安装n大兆瓦风机超长柔性叶片先进设计、超低频稳定控制、降载增效、轻量n漂浮式基础的体型巨大，对模块生产与外场总组的车间、场地、起吊机械要求高，建造场地不宜小于5万m2，国内现有生产基地难以满足规模化开发需求。n平台结构及附属结构繁杂，设施类型多，生产工艺要求高、周期长，国内已建项目的单个漂浮式基础的生产周期超过6个月，难以满足开发建设的总体需求。n对下水码头等级要求高，码头等级不低于50000t级，前沿水深不小于10m。n国内现有满足浮式基础生产与出运的生产基地有限，无法完成规模化施工建造。n建造场地、码头形式、风机吊装能力等因素限制了基础结构的设计，需改造。n超长柔性叶片可靠运输与转运、高效经济的超长柔性单叶片安装方案亟需优化n浮体平台湿拖工艺复杂，施工运输、船只控制要求高，受风浪影响大，效率低n适应浮体基础运输的大马力拖轮船舶数量有限。1开发潜力(一)深远海综合勘测成套设备和岩土工程评价方法数字三维地震探测仪数字三维地震探测仪深水勘测平台和船舶深水浅地层剖面仪深水钻进原位测试设备为深远海风电勘察提供基础装备与关键技术保障(二)远海风电柔性直流友好送出系统解决方案送出方案总体综合优选成熟性成熟性经济性可靠性经济性可靠性灵活性创新性灵活性创新性场站系统级优化设计跨专业协同配合设计关键性设备研发升级华东院工作我国第一个海上风电柔性低频送出工程（玉环2号海上风电工程执行中）(二)远海风电柔性直流友好送出系统解决方案2GW海上风电场输变电系统经济性分析220kV交流330kV交流500kV交流柔性直流220kV低频(三)深远海固定式与漂浮式风机基础设计技术体系关键技术突破：支撑结构高精度、精细化、全局寻优，研发新型漂浮式结构方案(三)深远海固定式与漂浮式风机基础设计技术体系l导管架主体结构自主寻优优化设计方法迭代优化过程优化设计结果与关键结构响应对比优化设计-1优化设计-2优化设计-3参考设计结构总质量(吨)1482(best)迭代次数-最大应力(MPa)267.4262.0266.7288.7最大位移(mm)86.7184.4385.1487.12最大顶部旋转(o)0.2920.2920.2900.309最大泥面位移(mm)最大泥面旋转(o)0.1160.1200.1180.120应力云图比较结构整体旋转云图比较结构整体位移云图比较泥面处旋转云图比较(三)深远海固定式与漂浮式风机基础设计技术体系l导管架过渡段自主寻优优化设计方法整体平均应力水平上升，应力分布更均匀，应力集中现象减少结构总体质量大幅下降迭代优化过程优化体型（应力分布）演化过程(三)深远海固定式与漂浮式风机基础设计技术体系工程设计规范不完善，现场运行数据无，降本需求大运动性能、结构强度优化主尺度-水动力性能快速智能设计大型浮体局部时域应力一体化分析数值水池、物理水池CFD运动性能、结构强度优化主尺度-水动力性能快速智能设计大型浮体局部时域应力一体化分析数值水池、物理水池CFD多物理场多系统数值试验高保真缩尺水池物理模型测试定位性能、可靠度提升荷载预测、主动控制深层卷积神经网络实现荷载预测TMD、DP控制系统等控制手段非线性系泊、海床土作用新型材料、新型复合系泊方案(三)深远海固定式与漂浮式风机基础设计技术体系漂浮式基础与系泊系统设计技术分布式单点式锚锚海上风电与海上光伏融合发展l最大限度地利用有限的海域资源l风光互补提高能源利用率实施海上“风光融合”发展，海上光伏应与风电场同期建设(四)海上风电与海上光伏融合发展l最大限度地利用有限的海域资源l风光互补提高能源利用率实施海上“风光融合”发展，海上光伏应与风电场同期建设自然资源部《关于规范海上光伏发电项目用海管理的通知》海上光伏项目仅支持在四类海域开展：核电温