“千人計(jì)劃”專家翟恩地：技術(shù)驅(qū)動(dòng) 降低海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)成本

通過(guò)技術(shù)革新來(lái)減少冗余，在保證安全的情況下降低造價(jià)，是整個(gè)海上風(fēng)電未來(lái)發(fā)展的重要方向。

——翟恩地

2017年12月9日，在第二屆全國(guó)海上風(fēng)電工程建設(shè)技術(shù)研討會(huì)上，國(guó)家“千人計(jì)劃”專家、新疆金風(fēng)科技股份有限公司（下稱“金風(fēng)科技”）總工程師、海上風(fēng)電業(yè)務(wù)單元總經(jīng)理翟恩地作了題為《海上風(fēng)電塔架基礎(chǔ)載荷計(jì)算及一體化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)》的演講。

就塔架基礎(chǔ)的載荷計(jì)算及一體化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)和解決方案，翟恩地從海上風(fēng)電載荷計(jì)算、塔架設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及推薦的解決方案四個(gè)維度進(jìn)行了闡述。

翟恩地指出，在海上風(fēng)電成本中，機(jī)組采購(gòu)?fù)嫉?0%～40%，支撐結(jié)構(gòu)采購(gòu)約占20%～25%，加上施工成本往往也超過(guò)30%。因此，通過(guò)技術(shù)革新降低整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)的成本，是降低海上風(fēng)電度電成本的重要途徑。

海上風(fēng)電載荷計(jì)算是整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，涉及大氣動(dòng)力學(xué)，水動(dòng)力學(xué)，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，巖土動(dòng)力學(xué)等問(wèn)題。翟恩地指出，載荷計(jì)算，除了傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)載荷，還應(yīng)考慮機(jī)艙及葉片控制問(wèn)題等。載荷計(jì)算業(yè)內(nèi)通常采用Bladed或FAST，即便如此，使用不同軟件進(jìn)行載荷計(jì)算，都需要從這幾大模塊入手。因此整機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的模型建立和載荷計(jì)算，需要考慮風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下的氣動(dòng)、水動(dòng)、巖土、控制耦合作用。

海上風(fēng)電載荷計(jì)算應(yīng)解決五大關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

翟恩地指出，海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的載荷第一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，是整機(jī)支撐結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的自然頻率?！盀槭裁粗谓Y(jié)構(gòu)的頻率需在所謂的1P和3P之間？1P和3P又有何含義？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，某一個(gè)葉片轉(zhuǎn)一圈經(jīng)過(guò)塔架就會(huì)產(chǎn)生氣動(dòng)載荷的一次脈動(dòng)，三個(gè)葉片都會(huì)經(jīng)過(guò)塔架，在單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)就是氣動(dòng)載荷的脈動(dòng)頻率。以金風(fēng)科技6.7MW海上風(fēng)機(jī)為例，風(fēng)機(jī)1P的頻率是一個(gè)范圍，3P的頻率同樣也是一個(gè)范圍，要盡量把支撐結(jié)構(gòu)的一階頻率控制在1P頻率的上限和3P頻率的下限之間。但很多時(shí)候，找不到這樣的值，怎么辦？這要通過(guò)控制快速跳過(guò)共振轉(zhuǎn)速。同時(shí)，關(guān)于波浪載荷，通常波浪的周期在3s～20s，頻率在0.05～0.33赫茲之間，支撐結(jié)構(gòu)很容易產(chǎn)生共振問(wèn)題，這一直困擾著諸多業(yè)內(nèi)人士?！?/p>

第二個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，就是海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的阻尼。“雖然這個(gè)問(wèn)題在國(guó)內(nèi)外討論得并不多，但阻尼問(wèn)題，是海上風(fēng)電這個(gè)領(lǐng)域需重點(diǎn)關(guān)注的。陸上風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)臨界阻尼比約在0.5%，海上風(fēng)電設(shè)計(jì)通常約為0.6%。陸上風(fēng)機(jī)多采用混凝土重力式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)剛度很高，而海上風(fēng)電面臨10m～30m的水深和軟土問(wèn)題，因此相對(duì)來(lái)說(shuō)，在動(dòng)力荷載作用下消散的能量更高，即臨界阻尼比更大。

關(guān)于阻尼和載荷之間的關(guān)系，當(dāng)阻尼比由0.6%提高到1.0%時(shí)，疲勞載荷下降約50%。翟恩地指出，在支撐結(jié)構(gòu)的阻尼難以提升之際，企業(yè)需要“各顯神通”，通過(guò)調(diào)節(jié)控制，增加人工主、被動(dòng)阻尼器。“我們希望將海上風(fēng)電力阻尼比從0.6%提升到1.0%，從而大大降低基礎(chǔ)載荷及成本。當(dāng)然這仍有待研究?！?/p>

第三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，是海上風(fēng)機(jī)抗冰錐設(shè)計(jì)對(duì)載荷的影響。翟恩地指出，我國(guó)北方的海上風(fēng)場(chǎng)往往會(huì)遇到“冰”的問(wèn)題?！斑@是海上風(fēng)電整個(gè)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的又一關(guān)鍵問(wèn)題。為了減少冰載荷降低冰激振動(dòng)，通常在樁基礎(chǔ)上要加上抗冰錐結(jié)構(gòu)，但抗冰錐結(jié)構(gòu)又會(huì)導(dǎo)致波浪載荷增大。同時(shí)，北方每年冰期通常持續(xù)1～3個(gè)月，剩下的月份是沒(méi)有冰的。而且某些年份由于氣溫升高甚至可能不會(huì)結(jié)冰，如何平衡？”

翟恩地認(rèn)為，使用抗冰錐減少冰力及冰激振動(dòng)，和結(jié)構(gòu)尺度增加引起的波浪載荷增大，需要平衡。目前，金風(fēng)科技和上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院聯(lián)合開(kāi)展相關(guān)研究項(xiàng)目，已取得初步成果。

第四個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，是抗震設(shè)計(jì)。目前，國(guó)內(nèi)無(wú)論在陸上還是海上，這方面經(jīng)驗(yàn)明顯不足。這其中最困難的，是抗震標(biāo)準(zhǔn)的選擇，目前國(guó)內(nèi)大多沿用房屋建筑的抗震標(biāo)準(zhǔn)，即在50年的設(shè)計(jì)壽命中，允許結(jié)構(gòu)損傷超越概率為10%。而風(fēng)機(jī)與房屋建筑物不同，它的設(shè)計(jì)壽命才20～25年，海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)損傷也不涉及人員傷亡問(wèn)題，因此地震風(fēng)險(xiǎn)承受標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)該與房屋建筑物不一樣?？梢?jiàn)，風(fēng)電行業(yè)亟待制訂相關(guān)的抗震標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范方法。

第五個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，是地基剛度對(duì)載荷的影響，也就是在無(wú)沖刷和有沖刷時(shí)、初期及長(zhǎng)期循環(huán)荷載作用下樁土相互作用對(duì)支撐結(jié)構(gòu)頻率的影響。模擬樁土相互作用，無(wú)非就是三種方法，一種是在泥面處設(shè)置超單元，用剛度矩陣，第二種就是求出等效樁長(zhǎng)而不再直接考慮土體，第三種也是最實(shí)用的方法是用實(shí)體樁，用非線性彈簧來(lái)模擬土抗力和樁相互作用。這里面還涉及到很多問(wèn)題。翟恩地曾多次在行業(yè)大會(huì)上表示，對(duì)于大直徑單樁而言，它已不是傳統(tǒng)意義上的“樁”了，它更像擋土墻結(jié)構(gòu)，這兩種土中結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法是不同的。

塔架設(shè)計(jì)面臨的技術(shù)“難關(guān)”

目標(biāo)。

此外，翟恩地指出，通過(guò)人工防護(hù)減少?zèng)_刷，這一問(wèn)題目前還仍有待進(jìn)一步研究，以達(dá)到既安全又降低成本的目的。

在樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法上，在疲勞載荷下進(jìn)行設(shè)計(jì)，與塔架的方法基本類似，目前來(lái)看，國(guó)內(nèi)很多基礎(chǔ)的疲勞設(shè)計(jì)方法相對(duì)仍比較簡(jiǎn)單。未來(lái)要多采用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算，采用更科學(xué)的時(shí)程方法進(jìn)行疲勞計(jì)算。

關(guān)于海上風(fēng)電塔架設(shè)計(jì)，翟恩地指出，塔架的設(shè)計(jì)應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行檢驗(yàn)：一是塔架載荷所產(chǎn)生的極限應(yīng)力，二是焊縫疲勞，要通過(guò)載荷計(jì)算，找出每條焊縫處的疲勞載荷，焊縫截面進(jìn)行校核。

如何對(duì)塔架進(jìn)行優(yōu)化？翟恩地指出，以直徑、壁厚為變量，以頻率、屈曲、疲勞等為約束，以總體重量最小化為

打破傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的制約

在海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)方面，翟恩地指出，目前國(guó)內(nèi)主要采取分步迭代法的方式進(jìn)行。值得一提的是，金風(fēng)科技在載荷計(jì)算時(shí)，已朝著一體化的方向不斷邁進(jìn)。具體來(lái)說(shuō)，即不再提供塔底界面載荷，直接提供基礎(chǔ)不同高程包括塔底、水面處、泥面高程的極限載荷和疲勞載荷，甚至在整個(gè)計(jì)算當(dāng)中，采用這些疲勞和極限載荷，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形校核，從而降低重復(fù)計(jì)算和成本。

金風(fēng)科技擁有上百人的塔架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和載荷計(jì)算團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)成員遍及丹麥、挪威、德國(guó)、美國(guó)等多個(gè)國(guó)家。上千臺(tái)計(jì)算機(jī)聯(lián)合在云端進(jìn)行運(yùn)算。未來(lái)，希望通過(guò)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)院與整機(jī)廠商在技術(shù)設(shè)計(jì)上的緊密合作。目前金風(fēng)科技正努力打造積極推進(jìn)建設(shè)相關(guān)大數(shù)據(jù)平臺(tái)。

演講最后，翟恩地指出，發(fā)展海上風(fēng)電，離不開(kāi)風(fēng)機(jī)的研發(fā)和進(jìn)步，更有賴于包括塔架基礎(chǔ)專業(yè)的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行各項(xiàng)創(chuàng)新，在保證安全的前提下減少冗余成本。這是整個(gè)海上風(fēng)電未來(lái)發(fā)展的重要方向。