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中船海裝研究院文茂詩:淺談海上風電系統設計

2023-10-21 來源:能見APP 瀏覽數:720

在10月17日上午舉辦的海上風電工程裝備論壇I上,中船海裝研究院副院長文茂詩發表了題為《淺談海上風電系統設計》的主題演講。

2023年10月16日-19日,2023北京國際風能大會暨展覽會(CWP2023)在北京如約召開。作為全球風電行業年度最大的盛會之一,這場由百余名演講嘉賓和數千名國內外參會代表共同參與的風能盛會,再次登陸北京,聚焦中國能源革命的未來。

本屆大會以“構筑全球穩定供應鏈 共建能源轉型新未來”為主題,將歷時四天,包括開幕式、主旨發言、高峰對話、創新劇場以及關于“全球風電產業布局及供應鏈安全”“雙碳時代下的風電技術發展前景”“國際風電市場發展動態及投資機會”“風電機組可靠性論壇”等不同主題的21個分論壇。能見APP全程直播本次大會。

在10月17日上午舉辦的海上風電工程裝備論壇I上,中船海裝研究院副院長文茂詩發表了題為《淺談海上風電系統設計》的主題演講。

以下為發言全文:

大家上午好,我是來自中船海裝的文茂詩,今天我從整機裝備角度給大家帶來的分享,淺談海上風電的系統設計。

從四個方面開展我的介紹。首先還是簡單提一下國內外海上風電的一個現狀,由此引入我們的主題。我國風電累計并網裝機容量已經突破3億千瓦,同比增長29%,連續12年位居全球第一。近5年來,中國海上風電呈突破式增長,自2021年平價破冰以來,中國的海上風電發展進入了更快的步伐,但如何進一步提升基礎能效,降低海上風電的開發成本,仍是我們當期面臨的受要技術問題,我希望通過整機核心參數匹配設計,全局最優的載荷優化迭代,成熟IPC技術及再創新三個方面來簡單分享一下海裝是如何通過系統性創新來打造一個平臺兩款機型,破局當時我們南北海上風電平價過程。

首先談系統設計,那么第一步就是我的基型規劃,也就是我們功率等級,風輪直徑的選擇。右邊的圖是人們談論機型規劃的時候喜歡引用的一些圖,比如大部分的,橫坐標是風輪直徑,縱坐標是功率等級,或者葉片重量等等,人們希望通過單位千瓦掃風面積,或者其他的一些規律找到預測未來機型的方法,但其實這里就算是趨勢性非常顯著,也無法解答我們機型是否適應評價這個問題,因為在這里面沒有體現平價的主要工程問題。

其實,投資收益率才是決定海上風電是否能夠平價的關鍵要素,比如我們選擇的風能直徑越大,意味著我們的發電量越高,機組成本也會越高,功率等級越大,發電量雖然降低,但是整體造價也會有所降低,風輪直徑,功率等級是通過影響到風場投資和收益,從而影響投資收益率,按照傳統設計方法,我們首先確定風輪直徑,功率等級,然后建立詳細的仿真模型,進行載荷迭代,輸出詳細的載荷結果,然后完成詳細設計,至少是要完成概念設計,才能得到比較具體的基礎成本,最終才能結合風場進行投標的精細測算。

但是這種方式顯然存在很大的風險,也就是我機組織在設計末期,才能結合風場實際情況,測算這個機型是否滿足平價,是否我們開始思考,是否我們一定需要通過計算,通過設計,才能夠得到我們機組發電量,機組成本以及我機組的詳細內容。實際上,我們開始反思,實際上有一種經驗模型,我們開始嘗試經驗模型打通設計全鏈條,基于風場投資經濟性測算反過來確定我們需要的機型。

首先,找出我們歷史的所有載荷數據庫,上千套載荷數據庫,從中發現一些顧慮,以此我們構建了風輪直徑、功率等級、整機載荷、基礎載荷等多維度的內在關系,真正實現了誤差可控的載荷預測,通過這樣的模型,我們解決了整個尋優過程中的最關鍵一環,剩下就簡單多了,我們的發電量模型是比較成熟的,可以通過一個簡單的二元二次方程來理荷,我們在基礎造價模型上還是下了比較大的工夫,我們針對不同區域的地質條件,虛擬了不同的水深,不同的載荷,共有80多種組合,實實在在設計了80多個單裝機組,從而構建這樣一個載荷,地質影響基礎數量成本的測算模型,剩下的模型比較傳統,不詳細介紹了。

以上的東西,我們最終建立了一個以電價資源特征和風場投資收益率為約束的整機核心參數高效匹配的這么一套設計軟件,基于這套軟件可以針對特定區域,地質條件,上網電價,年均風速等計算所有功率等級,所有風輪直徑下的收益率舉證,用此來決策我們的機型開發,這對我們機型決策起到至關重要的作用,當時有一種聲音,陸上的小兆瓦機組下海,可能是平價的一種解決途徑,在這個模型上看來,可能就不是這么一回事。

第二個分享的是全局最優的載荷優化迭代,內部稱為這是效率革命帶來的技術創新,整機設計最關鍵的在于載荷仿真,初期載荷仿真迭代周期基本上是一個月一輪,全靠人去完成,大概需要數十萬次的操作,那個時候整機的設計,整機的迭代,主要是為了完成葉片的設計,沒有什么尋優而言,后面隨著各種前后處理的大量的小工具出現,大量取代人的操作,第二代的仿真體系大概把效率提高4倍,基本上一周一輪迭代時間,使我們尋優工作產生了可能。隨著輕量化葉片概念提出,大家一輪又一輪迭代,為了降低葉片重量,這種模式依然存在一些弊端,比如這個程序處理完之后,我還是需要人工導到另一個程序處理,這個過程中需要反復確認參數,避免出錯,人干預這個工作的時候,人總是需要休息,總是也有干不完的工作,所以這一做一等之間,大量的時間又被浪費了。

所以說我們海裝推出的第三代仿真模式徹底取消了程序的界面,直接以模型文件作為驅動,打通了軟件和軟件之間的連接,實現快速迭代,真正實現7乘24小時全天候計算,基于這套體細,我們繼續打造SuperBladed+的這么一個平臺,以局部文件為驅動,自動進行模型拼接,自動完成控制器的整定,自動完成仿真,自動的結果回傳,結合我們的HPC超算平臺實現葉片整機迭代,最快一小時可以完成一輪計算,主要受限于現在的硬件,那么這套系統我們已經開發給了(雙瑞、艾朗)等主流葉片廠家,接下來還會和更多友商進行開放。

基于這么一套體系,我們可以做更多的事情,更多的問題,得到我們更想要知道的一些答案,這一代機組我們進行近400多輪迭代,是我們傳統設計的10倍,這里面解釋了很多載荷影響規律,借此實現全局最優的基礎輕量化設計,整機降載超過20%。

第三個是我們成熟的IPC技術及其再創新應用。海裝在獨立變槳技術上是第一個吃螃蟹的企業,我們從2019年在(錦霞)風場開始測試過后,已經有5年的應用時間,有上千臺的批量的成熟運用,這里降載效果不再闡述了。我們內部認為,獨立變槳技術是讓風機擁有觸覺的一項創新性基礎,基于穩定、可靠的葉根載荷數據監測,可以實現整機載荷的實時估計,極限載荷的直接保護,疲勞載荷的有效預警以及主動干預等,極大提升了機組安全性。

這里可能不是太清晰,右上角是我們一個真實風場運行一個月的多臺機組的這么一個葉片和齒輪箱的疲勞壽命的一個累計情況,從這上面可以看到我現在機組運行情況非常良好,下面是我們一個傳統鏈極限扭距保護的測試,這里面測試結果效果也是非常良好的。這里分享一下沒有獨立變價技術和沒有IPC干預的情況,左上角呈現是我們某機組在三個月時間內,葉根MY疲勞載荷,疲勞壽命快速增長,右圖闡述這個事情,這個圖垂直的,正對于我們的這個面,表示風輪平面,垂直往里表示時間軸,這個風輪平面原本應該是一個圓形,往內凹的部分表示載荷變小,往外凸表示載荷變大,藍色紅色也是表示這個意思。這里闡述一個湍流非常小,基本上風速沒什么變化,載荷特征也沒什么變化,但是切面非常大的這么一個過程,按照標準設計,我們湍流切面,切面應該是0.16,但是這個實際的切面達到了大概是0.5的水平,遠超設計認知,短短6個小時時間里面,發現葉片疲勞損上,機架疲勞損傷可以達到一個月的程度。

下面這個圖是跟上面這個圖展示方式一樣,換了一個視角,四處藍色的區域,這里的原因,根本原因是上游機組產生的尾流影響,作用在風流一側,導致葉片旋轉的時候,交替進入尾流影響區域和沒有尾流影響區域,導致了很大的葉片載荷交變,同樣產生在機架上,也導致非常大的這么機架載荷的交變,同樣產生數倍的這么疲勞損傷,而這一切的問題在有獨立變槳技術的基礎上,是天然可以規避掉的。

最終我們基于科學合理的系統設計,基于深度的載荷優化,基于自主的保護策略,率先研制出適應海上風電平價需求的輕量化、高可靠的210 10兆瓦,220 8兆瓦的海上機組,實現了機頭重量降低30%,同級別載荷降低10%以上的效果,率先破局平價市場。

前面說的都是以前,未來海裝如何持續優化,助力海上風電高質量發展的?首先,立足高起點,我們依然依托與80兆瓦平臺進一步挖掘余量,進一步突破載荷仿真技術,實現同平臺,盡可能不變情況下,升級到260,12.5兆瓦明星產品。依托于海上風電,長葉片領跑者的業績,依托高功率密,傳動鏈技術,高濕高溫倉內控制技術,智能感知技術以及我們的模塊化易安裝,易維護的特點,以及我們大數據智能化運維,助力我們海上風電高質量發展。

最后是一點展望,目前海上風電的建設成本和運營成本仍然很高,也是限制發展的主要因素之一,隨著技術的進步和規模的擴大,成本也將逐漸下降,此外政府的支持和鼓勵也會促進海上風電的高質量發展。在技術方面仍然需要在氣彈設計、海洋工程、數字化技術、材料科學、海洋裝備技術等領域持續不斷創新,進一步提高海上風電基礎能效,使得風電機組成本更低,運行更穩定,生產更安全。好,我的分享結束,謝謝大家。

 

(根據演講速記整理,未經演講人審核)


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