第一情报 ---能源与环境

海上风电安装的成本减低——挑战与解决方案

供稿人:罗天雨  供稿时间:2018-11-30   关键字:风力发电  海上风电  LEANWIND  

一、海上风电安装的挑战

风力发电场在近海深水域的发展,需要同时依靠先进的涡轮机基建技术及能够建造并服务这些风力发电场所需的船舶。远离海岸的风电场受到严酷的海洋环境的影响,有利的天气选择变小进一步限制了船只的可操作性,电网连接和电力基础设施的成本也更高。这些因素会大大增加海上风电项目在基础建设解决方案、运输、部署和电机退役的成本。

优化的基础和创新设计需要与运输方式、运输和安装船、安装流程和机组退役策略一起改革,以达到并保持低能源成本LCOE的减少达到预期。涉及风电场设计规划的主要挑战如下:

1、更大型的涡轮机组和更深的水域需要适宜、创新的平台设计;

2、运输大型的涡轮和平台需要新型的驳船;

3、要求安装具有较高起重能力和可抵达高度的船舶;

4、起重齿轮需要根据新型平台大小的要求进行调整;

5、港口基础设施需要配套新型平台和驳船的要求进行升级;

6、陆地运输段更严格的交通限制;

7、灵活移动安装的可能性;

8、更恶劣的气候和远离海岸的工作地点意味着适宜近海作业的天气选择更少。这就需要员工的交通的规划进一步的细致化。

LEANWIND项目针对新一代海上风电场所面临的挑战,通过优化设计、材料消耗、运输策略、设计修改等子结构概念,减少安装时间,提高开发海上风电场的整体成本。此外,该项目还开发了深水理念以满足行业未来的需要。

二、为建造、部署和机组退役提供结构优化支持

LEANWIND项目确定了相关的子结构概念、相关的制造方法及安装策略,为未来十年风能行业降低成本提供了最大的潜力。项目包括固式和浮式的子结构类型,这个项目为提高工程的价值创造了可能。

对于固式平台,技术工作被分解为重力概念和钢结构,分别使用一系列数值计算工具进行研究,并结合一些物理模型进行测试。以重力为基础的概念是从通用角度来考量,以确定浮力结构的相对优点,这些浮力结构可以在压载前先漂浮到适当的位置,而传统结构则是使用重型升力船来安装。本研究包括概念工程、细节分析、供应链研究和经济模型。对钢结构的研究调查得到了导管架结构和超大(XL)单桩式的创新方法,从而满足如何以更高效和“更精简”的方式实现设计、建造和部署的目标。这项工作的结果是确定能实现成本降低的关键技术变革。

对于浮式概念,联合安装方式(包括涡轮机的安装)被认识到其在技术上并不成熟,因此,这个方面的首要工作是研究最符合市场理念的概念。这项初步探索使得创新可以应用于一种特定的浮式方式,无论是张力腿平台、半潜式或梁式概念。

为了涵盖所有工作范围,一系列相关设计案例浮出水面。下表列出了相关的设计案例,覆盖了欧洲水域已同意和计划的大部分风电场的参数。

此外,针对案例1和案例2设计了一款可供借鉴的8兆瓦涡轮,案例3则使用了NREL 5MW涡轮。

这些研究的结果可以分为两个部分。一是着力于目前常用的单桩式、重力平台(GBFs) 等传统单元的设计过程进行优化改良。作为LEANWIND创新的单元引入的新式方案的概念开发和测试。

 

表1 LEANWIND设计案例

 

周边情况

地面情况

案例号

水深 (m)

距离港口距离 (km)

浅基岩

中密砂

0

20

30

X

X

1

40

30

重力平台

XL单桩式重力平台

2

60

100

点阵结构

点阵结构

3

100

30

X

  浮式平台

 

1、平台优化

(1)XL单桩式

单桩式一般由大口径钢管驱动或钻机打进土壤的竖向和横向将荷载转移到较强的土底来支撑风电涡轮。单桩式是目前最常见的平台类型——可能也是未来较推荐的选择。简单而常规的设计流程以及相对快速的安装过程使它们成为大多数在建海上风电场的最佳选择。随着越来越多的风力发电场计划建在离岸更远的地方及水深更深的地方,单桩式在海上建设中的受欢迎程度正在下降,而新一代的单桩直径的增加可以使他们成为部署在深水水域的极佳选择。

目前有XL单桩式平台安装在水深36m的水域并且设计师们认为这种类型的平台有潜力被部署在水深60m以下。然而,这需要减轻大型构件对建筑物流带来的运输、储存和安装方面的挑战。如果要部署直径大于7米的单桩管,就必须研制新的安装船和驱动设备。其他的挑战包括弯曲和厚焊接板——随着桩径与板厚的比值增加,板材在运输过程中弯曲的可能性也会增加。为了充分发挥XL单桩管的潜力,目前针对传统单桩的设计方法需要改进和变化。为了减少设计中的保守和不确定性,桩-土相互作用模型的计算方法和既有理论也同时应该被更新。


图1 德国北海风力发电场创新单桩平台安装现场

目前的海上单桩式平台设计准则主要是根据油气行业的设计原则,针对直径1~2米的细长桩进行设计。离岸海上风电使用的XL单桩管直径在5到9米之间。这种直径变化使桩体的行为接近刚体,导致桩侧阻力的增加。在XL单桩岩土工程设计中,考虑到这种额外的阻力,设计可以变得更简洁,从而节约潜在成本。由于桩长和桩厚较小可以满足设计要求,钢用量可以因此减少。此外,这可以增加适用于海上风电结构单桩所可以应用的水深范围。这可能会减少对其他昂贵材料的使用,如对三脚架和传统的夹套式平台的需要。因此,适应海上风电要求的开发工具和设计方法、标准和指南,成为优化设计的必要条件。

作为LEANWIND的一部分,一项关于传统的p-y方法在预测致密砂层XL单桩侧向能力方面的准确性的比较研究进行了开展。在没有全尺寸试验结果的情况下,XL单桩的有限元(FE)模型被认为是最准确的现场性能指标,并被用作比较的基础。使用3D岩土工程Plaxis对XL单极子进行建模,为了证实传统方法低估了XL单桩的容量,采用数值有限元方法进行了比较研究。本研究的结果被用来比较分析方法和数值方法预测的挠度。API结果通过对LPile中的单元几何形状和相关荷载进行建模得到,同时对涡轮荷载和与LEANWIND项目相同的土体剖面进行建模得到。

 


图2  Plaxis三维单桩基础三维有限元模拟

 

研究结果表明,与Plaxis方法相比,API方法具有较大的挠度。还应注意的是,随着桩体尺寸的增大,挠度预测的差异也越来越大。这证明了应用数值模型(而不是传统的API分析方法)可以得到更为经济的大直径单桩管设计,并且随着桩径的增大,成本节约效益将变得更加显著。

(2)GBFS粒状高炉矿渣

GBF通常是一种混凝土结构,依靠自重来抵抗倾覆力矩。然而,当平台部署在海上时,浮力效应降低了平台的自重,因此与岸上建造的平台相比,海洋中的平台的抗倾覆能力更小。GBFS在波罗的海这片平静的浅海得到了广泛的应用。在这些平台上使用混凝土有几个好处,包括降低钢材价格相对波动的预期,以及消除对海底打桩的需求。由于GBFS的重量较重,其安装和运输通常需要重型起重船和起重机。因此,浮力GBFS被提议作为传统提升结构的一种替代方案,目的是减少对较昂贵的运输船舶的需求,并推广一种更经济有效的平台方案。

具有浮力的GBF被浮起并拖到离岸地点,在那里装满压舱物,然后用标准拖船沉到海底。然而,为了使平台模块在浮沉、过桥和压载过程中保持稳定,平台模块的可浮性和水力稳定性需要被改进。

 

图3 重力式平台示意图

 

研究结果表明,达成尽可能低的初级吃水是浮动GBFs可行性的一个重要考虑因素,因为它对模块运离港的选择具有重大限制。压载过程是最敏感的阶段,压载过程会显著改变平台的重心高度,从而影响平台的稳定性。研究表明,为了保证整个压载过程的稳定性,需要对自由表面效应进行控制。压载水舱高度和舱室数是决定水动力稳定性的关键因素,不宜在舱室高度以上继续压载。应该注意的是,内部构件给平台增加了明显的额外重量,导致了初级吃水的大幅度增加。

研究发现,增大底径有利于减小初始吃水,因为它能显著增加排水量,增强浮力。如果压载物高度不超过分隔舱的高度,这种情况尤其突出,因为超过这一点,较大的基径会产生较大的自由表面效应,从而以更快的速度降低核心高度。

提高平台高度限制了稳心高度的变化范围,有助于避免平台稳定性的突然波动,增加了高度。但是,由于平台总重量的增加,初始吃水也相应增加。当下室高度增加时,这种效应更加明显,因为室壁的额外重量是引起过重的初吃水的主要原因。


图4 重力基础参数研究,沉深过程中稳心高度的变化

 

 

总体来说,关于活跃的可行性GBFs的最终选择,不仅仅是一个技术工程的决定,应该由给予组合参数来予以考量,如重量和几何的基础、基础设施和端口可用性、建造成本、海洋和海洋操作的可行性。因此,建议进行详细的成本评估研究,并根据具体情况确定传统GBFs与浮动GBFs的相对成本效益。根据目前的研究结果,虽然解决设计障碍和技术挑战至关重要,但适当的基础设施的可用性可能是决定浮力GBFs对海上风电行业是否可行和具有成本效益的关键因素。

在LEANWIND的研究基础上,PLOCAN12的平台设施的研究被应用在LEANWIND对GBF的设计中。PLOCAN平台支持一个研究实验室,由2016年建成的立方体重力结构组成,采用了与ACCIONA在LEANWIND期间提出的GBF概念相同的施工方法和技术。自海上部署原型平台建立以来,设计并安装了一套创新的监测系统,用于测量流体结构与土体结构之间的相互作用。该系统用于验证GBF设计阶段实现的理论模型,以及测量结构上的波浪作用。通过测量入射波(垂直壁面传感器)和次底部压力(通过结构下部的砾层下部压力),推断该系统可以在安装期后大约两年内提供有价值的数据。

 

图5 沉箱内的传感器管道安装

共24个传感器被安装,12个安装在垂直墙壁上,12个安装在底板上。预计2017 - 2018年期间收集的数据之间的相关性会在两个垂直和基底的位置得到波高和波压数据。监测过程包括港口临时砾石平台施工,到最后的压载过程和冲刷保护阶段。在T&I设置装在的过程中,出现了几个问题,随后得到了解决,最终压载过程将于2016年11月30日完成。

在这个过程中所学到的主要经验是:

由于内部镇流器单元(混凝土冷接头)之间出现了小的泄露,在拖放作业中需要安装临时钢浮系统以获得积极的预测模型(GM)。在未来,这一问题可通过对底板与立墙进行适当的节点处理来解决压载过程的模拟活动为确定和优化安装容器的数量和尺寸提供了一种有价值的工具(压载过程中只使用了两个拖轮,而不是实际作业中使用的四个拖轮)。

图6  临时浮体结构

 

图7 为PLOCAN平台安装选择的配置

 

2、概念开发和测试

(1)导管架结构

导管架结构适用于支持安装在深水(>40 m)的大型海上风力涡轮机风电场。荷载通过网架细长构件的轴向特性传递到桩上。相对较小的构件直径将结构划分为透明支撑结构,水动力荷载较小。一旦桩体结构正确地定位在海床上,桩体可以预压或穿桩套。这些也是轴向荷载桩,相比较单桩结构,减少了海水冲刷预防保护的需要。

海床的宽截面提供了令人满意的抗倾覆力矩。护套基础也为其重量提供了更坚固的支撑结构,承重量大约在600吨左右。这使它们成为极端环境条件下深水地区的理想选择。在浮式安装之前,护套可以完全组装,从而减少了所需的海上安装工作量。

抽吸沉箱技术在油气行业已经应用了几十年。在世界各地,成千上万的吸力式凿岩机被安装在各种各样的设备上作为平台和锚。虽然作为风力发电行业,负荷条件有很大的不同,但这项技术仍有很大的空间来促进快速安装。吸入沉箱可用于辅助传统GBF的水平化,也可用于支撑导管架或三脚架结构。但必须小心谨慎以确保所安装的结构能够抵抗地质技术上的拉力载荷。

浮动导管架设计的一般概念是采用一种导管架基础,这种基础可以通过传统拖船拖到安装现场,在控制下沉后固定在海床上。这可以通过减少安装时运输和提升能力的需要来降低成本。LEANWIND的参与者开发了用于浮筒基础的吸水桶。在导管架转驳到安装现场的过程中,吸水桶可以作为浮缸使用。到达时,钢瓶可以被淹没,并用作吸水桶,将导管架基础固定在海床上。

图8  LEANWIND浮筏基础

作为浮力系统的一部分,拉到现场的导管架子结构与吸水桶相结合,特别有助于降低成本、便于运输,减少安装过程中运输和提升能力的要求。设计人员认为,为了鼓励行业采用这种输出,将需要物理尺度模型测试和数值模型验证。导管架解决方案的尺寸数据已用于指定运输和安装这一创新概念所需的船舶。

图9  预调研夹套式漂浮架草图(垂直案例)

基于5兆瓦的夹套式NRELFAST,对两种浮选系统进行了广泛的评价。第一个解决方案涉及到从端口到站点的垂直浮动导管架。然后考虑水平浮动导管架的解决方案。第一种解决方案只需要浮动系统的一个方向,而第二种解决方案需要一个能够管理两个方向的浮动系统(港口水平方向和现场垂直方向)。由于导管架的固有浮力较低,第二种解决方案需要一个浮力更大的浮力系统和一个更复杂的现场安装过程。基于这些原因,结论是只研究垂直浮动的导管架。

研究了浮筒顶部的混凝土压载物对浮力的影响。考虑了几种压载重量和结构,确定了稳定性和效率方面的最佳情况,进行了进一步的优化分析。根据结构和岩土力学性能,对浮筒或吸水桶的最终几何形状进行了进一步的校核,并分析了浮筒或吸水桶结构在水压作用下的完整性。

(2)浮动式平台

在水深超过60m时,当底部固定设计不再可行而且近海场地足够深,可以有效系泊时,浮式平台成为一种经济有效的选择。浮动锚的主要挑战是保持稳定性、可接受的位移范围、有效的系泊,同时避免昂贵的设计、安装和维护费用。在浮式海上基础中,最常被研究的概念是压载稳定浮体(即桅杆浮筒)、浮力稳定浮体(即半潜式浮体)和系泊稳定浮体(即张力腿平台)。

通过对不同代海上浮动风电解决方案的LCOE技术进行比较可以推断,为了与其他可再生能源形成竞争,有必要进行重大技术开发,以降低投资和运营维护成本。浮动结构为降低海上风能成本和增加海上风力资源的利用提供了一个机会,使人们能够在经济上不适合于目前的海底固定解决办法的地区进行开采。在LEANWIND项目中,在进行了最先进的研究和风险评级之后,半潜式浮式技术被选为最适合所提议的案例研究试验点(位于爱尔兰西海岸,靠近贝尔莫勒特,梅奥)的具体条件和极端环境的技术。

半潜式平台是一个为海上风电场设计的漂浮子结构,可在水深超过50米的水下作业。它被设计用来支撑一个5兆瓦的涡轮机。该结构由钢制成,采用三点悬链线系泊。该平台设计相对简单,制造方便,牵伸浅,水动力性能好,平台重量与涡轮额定值比较好。

在LEANWIND平台上进行了完整的基础设计,不仅进行了几何设计和重量计算,还进行了所需辅助系统、系泊系统和锚固系统的基础设计。此外,还开发了一种新颖的定制WT控制器,并获得了基准仿真结果。平台设计通过物理罐试验验证,这些试验是由科克大学的Lir国家海洋试验机构在1:36比例模型上进行的,用于典型的操作和生存条件,但也适用于运输和安装阶段。水槽试验条件包括在全尺寸下暴露于相当于32米高度的波浪中。

在数值模拟和试验水池试验中,LEANWIND的半潜式平台的动力特性和设计一致性受到了广泛评价。这一点,加上运输和安装的便利性(由于平台的自稳定性以及在这些操作中所达到的草案条件),决定了在设计过程中所达成/开发的解决方案的健壮性。通过对半潜式平台概念设计的研究,验证了其技术可行性。

 

参考资料

1、https:// www.leanwind.eu

2、https://www.offshorewind.biz/2014/02/10/new-offshore-wind-cost-reduction-project-launched/

 


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