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，深海资源充足近海资源有限，深海资源充足风能资源风能资源用海资源用海资源由固定式到漂由固定式到漂浮式浮式由浅到深由浅到深由陆向海由陆向海远离海岸，减少污染远离海岸，减少污染环保环保深海区域浮式基础较固定式基础经济性高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为远海孤岛开发提供能源保障经济性经济性岛屿开发岛屿开发4概述 我国现有的海上风
2、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，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020306080100120140160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
3、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41.38GW；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
4、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示范样机HYWINDSCOTLAND6.0 MWHYWIND DEMO2.3 MWDIMENSIONMass5300 tonnes100 m11200 tonnes78 mDraughtHub heightWater depth65 m98 m220 m105 mSubstructureDiameter8.3 m85 m14.4 m154 m
5、RotordiameterDrag embeddedanchorAnchorSuction anchorChainMooringWire/chain13浮式风电平台特点示范样机示范样机WINDFLOATDIMENSIONFoundationDEMO6 MW3 column Semi-submersibleDisplacement 5500 tonnesWater depthHub height40-50 m78mDistance fromthe shore5 km14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
6、可超过每秒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。静稳性由静水刚度决定（重心、浮心相对位
7、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
8、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水深水深系泊半径系泊半径锚链直径锚链直径120mm锚链长度锚链长度40m160m173m项目项目移动前移动前移动后移动后变化率变化率顶端角度(deg) 49.9820.94160.890-58.10%476.67%-100%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
9、深水深系泊半径系泊半径锚链直径锚链直径120mm锚链长度锚链长度400m1600m1730m项目项目移动前移动前移动后移动后变化率变化率-4.64%9.30%-5.18%顶端角度(deg) 50.6948.34296.51842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水深水深系泊半径系泊半径锚链直径锚链直径120mm锚链长度锚链长度40m320m333m项目项目移动前移动前移动后移动后变化率变化率顶端角度(deg) 50.1622.94125.68297-54.27%354.05%-27.21%张力(t)27.68408躺底段(m)25浮式风电平台设计要点水
10、平移动8m水深水深 系泊半径系泊半径 锚链直径锚链直径 锚链长度锚链长度 聚酯缆直聚酯缆直 聚酯缆长聚酯缆长径径度度40m 320m120mm移动前移动前300m移动后移动后120mm33m项目项目变化率变化率顶端角度(deg) 43.0826.3858.15196-38.77%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，从而减小对锚固基础承载力的要求，减小海底占
11、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
12、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。
13、 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、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
14、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70.0m13.0m28.0m14.0m3.5m3.5m13.5排水量kgte1.417E+073050903平台用钢量风机总重压载重量tete10200重心垂向距离（距水线）m-0.71横摇惯量纵摇
15、惯量艏摇惯量kgm2kgm2kgm21.552E+101.557E+101.503E+1035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自由度垂荡垂荡横摇横摇纵摇纵摇耐波性自然周期（自然周期（s）24.825.125.1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2.001.501.000.500.00-0.503.503.002.502.001.501.000.500.00-0.503.002.502.001.501.000.500.00-0.5001020Period (s)304001020Period (s)304001020Period (
16、s)30401.0E+078.0E+066.0E+064.0E+062.0E+060.0E+00-2.0E+062.5E+082.0E+081.5E+081.0E+085.0E+070.0E+00-5.0E+073.0E+082.5E+082.0E+081.5E+081.0E+085.0E+070.0E+00-5.0E+0701020Period (s)304001020Period (s)304001020Period (s)304037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浪向-90-75-60-45-30-15015304560垂荡最大位移垂
17、荡最大位移5.326横摇最大角度横摇最大角度12.42纵摇最大角度纵摇最大角度0.00-5.092-5.099-5.175-5.223-5.164-5.079-5.085-5.088-5.043-5.193-5.310-5.39011.589.1966.5596.3674.5596.4058.0429.30610.1410.229.5308.3647.585-6.297-3.6390.006.454-6.051-7.365-8.149-8.246-8.915-9.967-10.47759060度浪向系泊缆张力系泊缆编号系泊缆编号最大张力最大张力最小躺底段长度最小躺底段长度破断张力破断张力保险系
18、数保险系数Line 1Line 2Line 3Line 4Line 5Line 63.583E+043.579E+041.247E+061.376E+064.696E+064.500E+06197.8197.944.5243.038.0189.8769.398E+069.398E+069.398E+069.398E+069.398E+069.398E+06262.29262.597.546.832.002.0938设计实例介绍结构安全性风机塔底弯矩平台垂荡运动平台垂荡运动5.4平台倾斜角度平台倾斜角度塔底弯矩塔底弯矩12.43.71E+083.31E+08风载荷引起的塔底风载荷引起的塔底弯矩弯
19、矩重力引起的塔底弯重力引起的塔底弯矩矩1.10E+081.40E+08惯性力引起的塔底惯性力引起的塔底弯矩弯矩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
20、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：69m46m4m44总结中船重工第七二所海上风电运维船设计45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
21、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
22、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序号号检检 测测 项项 目目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
23、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。M2A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M4X5M5M6M7X6 X7 X8 M8X12 X13 M9 X19 X20 X21 X22 X23 X24 X25 X26X9 X10 X11 X14 X15 X16 X17 X18图： 故障模式演绎规律液压泵振
24、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四项关键问题 连接结构的非线性动力学特性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的重要依据连接结构非线性处理方法连接结构非线性处理方法连接结构冲击安全评估准则连接结构冲击安全评估准则 塔架与海水流固耦合分析方法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流固耦合分析方法有限水域棒束抗冲击设计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
25、流体域内多体结构的瞬态响应。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外载荷传递至风电结构的关键环节瞬态流固耦合分析瞬态流固耦合分析CEL方法方法拥有自主研发的二阶拥有自主研发的二阶DAA边界元处理程序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全频段结构与介质的冲击相互作用相互作用问题。问题。2 地震载荷谱地震载荷谱评估的输入载荷直接决定考核的严酷度评估的输入载荷直接决定考核的严酷度频域分析频域分析拥成熟的拥成熟的DDAM分析方法，并且拥
26、有自主研发的密集模态处理软件。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
