Hywind 及WindFloat 漂浮式風(fēng)電項(xiàng)目技術(shù)路線(xiàn)研究

肖然 張勛奎 戴成偉 張雙益 崔靚亮 李振川

（1 大唐三亞未來(lái)能源研究所有限公司 海南三亞 572025 2 福建平潭大唐海上風(fēng)電有限責(zé)任公司 福建福州 350400）

隨著人們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的愈發(fā)重視，綠色能源的開(kāi)發(fā)利用進(jìn)入了快速發(fā)展階段。風(fēng)能發(fā)電具有清潔、發(fā)電時(shí)長(zhǎng)、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)。廣袤的海洋上豐沛且優(yōu)質(zhì)的風(fēng)能得到了各國(guó)的關(guān)注。開(kāi)發(fā)水深超過(guò)60 m 深遠(yuǎn)海優(yōu)質(zhì)風(fēng)能時(shí)漂浮式風(fēng)機(jī)更經(jīng)濟(jì)和合理。世界上80%的海上風(fēng)資源位于水深超過(guò)60 m 的海域［1］，漂浮式風(fēng)機(jī)實(shí)用化、標(biāo)準(zhǔn)化、量產(chǎn)化和商業(yè)化是風(fēng)電行業(yè)的趨勢(shì)和方向。

目前，歐洲諸國(guó)在浮式風(fēng)機(jī)的工程應(yīng)用上處于領(lǐng)先地位。本文結(jié)合目前在經(jīng)濟(jì)性和工程成熟度上都較為先進(jìn)的Hywind項(xiàng)目和WindFloat 項(xiàng)目，總結(jié)梳理出其優(yōu)缺點(diǎn)，嘗試為我國(guó)的漂浮式風(fēng)電工程提供參考建議。

1 國(guó)外浮式風(fēng)機(jī)工程項(xiàng)目進(jìn)展

目前，國(guó)外主流的浮式風(fēng)機(jī)項(xiàng)目分布于歐洲的挪威、英國(guó)、法國(guó)和葡萄牙等國(guó)，表1 整理展示出了近年來(lái)浮式風(fēng)電項(xiàng)目的節(jié)點(diǎn)和相關(guān)信息［2］。

表1 全球漂浮式風(fēng)機(jī)項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)及介紹

2 Hywind 系列項(xiàng)目

Hywind 技術(shù)經(jīng)歷了近20 年的研究和試驗(yàn)，基礎(chǔ)方案由挪威國(guó)家石油（下稱(chēng)“Equinor”）借鑒海上漂浮式航標(biāo)的創(chuàng)意于2001 年提出，為立柱式基礎(chǔ)的代表。2009 年，Equinor 在挪威Karmφy 海域開(kāi)發(fā)了世界上第一個(gè)全尺寸漂浮式機(jī)組的樣機(jī)項(xiàng)目Hywind Demo，其服役在挪威沿岸10 km 的挪威北海，水深200 m，于2009 年9 月開(kāi)始運(yùn)行。經(jīng)過(guò)5 年的樣機(jī)測(cè)試，經(jīng)歷過(guò)40 m/s 的大風(fēng)和20 m 的波浪沖擊，最優(yōu)的容量系數(shù)達(dá)到0.5（2011 年），這些數(shù)據(jù)驗(yàn)證了Hywind 技術(shù)的可行性。憑借起步早、技術(shù)成熟度高的優(yōu)勢(shì)，Hywind 步入了小批量示范應(yīng)用階段。2017 年全球第一個(gè)漂浮式示范風(fēng)電場(chǎng)Hywind Scotland Pilot Park 建成投產(chǎn)。Hywind Scotland 項(xiàng)目是目前僅有的已建成小批量漂浮式海上風(fēng)電的商業(yè)化項(xiàng)目，位于蘇格蘭阿伯丁東北方向的英國(guó)北海沿岸，距離岸邊25 km，水深95 m～120 m，風(fēng)電場(chǎng)位于兩條油氣管線(xiàn)之間。

Hywind Scotland 項(xiàng)目裝機(jī)容量為30 MW，采用5 臺(tái)6 MW的西門(mén)子SWT-6.0-154 機(jī)組，輪轂高度101 m，槳葉直徑154 m。項(xiàng)目年平均風(fēng)速10.1 m/s，輸電電壓33 kV～36 kV。每臺(tái)浮式風(fēng)機(jī)間距1 km 左右，采用3×1 系泊系統(tǒng)樁錨，系泊纜為147 mm的鋼鏈并有60 t 的配重。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為立柱式，基礎(chǔ)總重3 200 t，包括1 000 t 的固定壓載，總投資20 億挪威克朗。Hywind 技術(shù)經(jīng)過(guò)三代的發(fā)展，基礎(chǔ)型式一直沿用立柱式（Spar），風(fēng)機(jī)功率等級(jí)逐漸增加，技術(shù)水平逐漸成熟，綜合成本不斷下降，三代漂浮式風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)對(duì)比表如表2 所示。

表2 Hywind 技術(shù)三代參數(shù)對(duì)比表

Hywind Scotland 工程中，風(fēng)機(jī)與風(fēng)機(jī)之間距離在1 km～1.6 km，采用33 kV 電纜連接，最后的外輸電纜從HS5 輸出，經(jīng)過(guò)25 km 達(dá)到陸地集控中心。風(fēng)機(jī)與風(fēng)機(jī)之間最大內(nèi)部連接電纜長(zhǎng)度控制在3 km，電纜構(gòu)型采用懶波形（S-shape）設(shè)計(jì)方案。

Hywind Scotland 工程應(yīng)用立柱式設(shè)計(jì)，需經(jīng)過(guò)濕拖、扶正、系泊系統(tǒng)回接、海上壓載、海上機(jī)組安裝、整體調(diào)試等環(huán)節(jié)。風(fēng)電場(chǎng)的施工分別在歐洲不同的國(guó)家完成，主要通過(guò)海上運(yùn)輸輸送到蘇格蘭的碼頭進(jìn)行最后組裝。整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的施工復(fù)雜而且設(shè)計(jì)單位眾多，按期完成風(fēng)電場(chǎng)的投產(chǎn)對(duì)業(yè)主的經(jīng)驗(yàn)和能力提出了很高的要求。最先開(kāi)始的海上施工是吸力錨的安裝，花費(fèi)2 周完成。錨鏈系統(tǒng)安裝花費(fèi)2 周完成。電纜系統(tǒng)安裝花費(fèi)5 周完成，包括內(nèi)部電纜和外部電纜的挖槽、敷設(shè)和保護(hù)?；A(chǔ)建造完畢后橫向裝船，整體干拖運(yùn)輸至組裝碼頭，同時(shí)風(fēng)電機(jī)組托運(yùn)到碼頭，在建造場(chǎng)地完成豎立并總裝完畢，在灣內(nèi)完成扶正，隨后采取整體吊裝的方式完成風(fēng)機(jī)和基礎(chǔ)的總裝，濕拖至安裝海域完成于系泊系統(tǒng)和外輸電纜的回接。Hywind Scotland 工程是Hywind 技術(shù)實(shí)現(xiàn)漂浮式風(fēng)機(jī)小批量的關(guān)鍵一步，不僅通過(guò)小批量來(lái)優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，還可以評(píng)估漂浮式風(fēng)機(jī)的尾流效應(yīng)和漂浮式風(fēng)電場(chǎng)的供應(yīng)鏈能力。Equinor 下一步將會(huì)結(jié)合市場(chǎng)的需求進(jìn)入大批量商業(yè)化階段，展開(kāi)Hywind Tampen 項(xiàng)目，應(yīng)用11 臺(tái)8 MW 風(fēng)機(jī)安裝于挪威附近海域，水深260 m 至300 m，預(yù)計(jì)于2022 年投入運(yùn)營(yíng)，屆時(shí)將嘗試新的運(yùn)營(yíng)模式并降低成本到可與海上固定式風(fēng)機(jī)相媲美的程度。

3 WindFloat 系列項(xiàng)目

WindFloat 的設(shè)計(jì)理念源于海上油氣領(lǐng)域的半潛式石油平臺(tái)。2011 年，EDP（Energias de Portugal）等企業(yè)在葡萄牙AguCadoura 近海完成了WindFloat I 項(xiàng)目，安裝了首臺(tái)WindFloat 2MW-VESTAS 樣機(jī)，這是全球首個(gè)半潛式海上風(fēng)電樣機(jī)項(xiàng)目。該樣機(jī)在陸地上完成組裝后，經(jīng)400 km 海上濕拖到達(dá)目的地。樣機(jī)投入運(yùn)行后連續(xù)發(fā)電5 a，共計(jì)發(fā)出16 GW 電能。經(jīng)受住了超過(guò)17 m 的巨浪以及30 m/s 大風(fēng)的惡劣天氣考驗(yàn)，沒(méi)有受到任何損壞，具有良好的可靠性。2017 年，該項(xiàng)目以少于50 萬(wàn)歐元的成本拆除，充分體現(xiàn)出漂浮式機(jī)組在拆除方面的優(yōu)勢(shì)。

PPI 公司的WindFloat 半潛式技術(shù)較Hywind 立柱式技術(shù)適用水深更寬泛、更符合市場(chǎng)的需求，目前已啟動(dòng)兩個(gè)小批量示范項(xiàng)目。位于葡萄牙的Wind Float Atlantic 項(xiàng)目由WindPlus公司開(kāi)發(fā)。位于距葡萄牙維亞納堡20 km 處。項(xiàng)目裝機(jī)容量為25.2 MW，采用3 臺(tái)MHI Vestas 的V164-8.4MW 機(jī)組，該系列工程的部分信息見(jiàn)表3。

表3 WindFloat 項(xiàng)目主要技術(shù)參數(shù)

WindFloat 漂浮式機(jī)組技術(shù)采用非對(duì)稱(chēng)浮體布置方案，機(jī)組塔筒偏置于其中一個(gè)浮體上，省去中心立柱和大浮箱，把上部機(jī)組布置在一根立柱上，從而降低結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。WindFloat Atlantic 項(xiàng)目系泊系統(tǒng)采用3×1 的懸鏈線(xiàn)式設(shè)計(jì)方案，采用chain-rope-chain 加拖曳錨的設(shè)計(jì)。電纜系統(tǒng)和Hywind 類(lèi)似，采用懶波形設(shè)計(jì)方案，電纜采用電壓等級(jí)為66 kV。WindFloat Atlantic 項(xiàng)目的組裝全部在岸上完成，有助于降低運(yùn)輸、財(cái)務(wù)和環(huán)境成本。該設(shè)計(jì)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)使該其能夠在更大的規(guī)模上復(fù)制到世界任何地方。Kincardine 項(xiàng)目是繼Hywind Scotland 之后蘇格蘭海域的第二個(gè)漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目，由Cobra 公司開(kāi)發(fā)，裝機(jī)容量為49.5 MW，采用1 臺(tái)2 MW 和5臺(tái)MHI Vestas 的V164-9.5MW 機(jī)組。第一臺(tái)漂浮式機(jī)組來(lái)自于WindFloat 項(xiàng)目的退役機(jī)組和基礎(chǔ)，現(xiàn)已并網(wǎng)發(fā)電，2020 年底安裝完成第一臺(tái)9.5 MW 風(fēng)機(jī)。當(dāng)WindFloat Kincardine 完全完工交付時(shí)，其將成為歐洲大陸上安裝功率最大的浮動(dòng)風(fēng)電場(chǎng)。

4 總結(jié)和借鑒

回顧Hywind 項(xiàng)目和WindFloat 項(xiàng)目的發(fā)展，均按照單臺(tái)樣機(jī)工程—小規(guī)模風(fēng)場(chǎng)開(kāi)發(fā)—大規(guī)模商業(yè)化開(kāi)發(fā)的三步走路線(xiàn)推進(jìn)。每走過(guò)一個(gè)階段，風(fēng)電機(jī)組和海洋工程的設(shè)計(jì)都會(huì)有大量數(shù)據(jù)反饋以?xún)?yōu)化現(xiàn)有設(shè)計(jì)，降低開(kāi)發(fā)成本。我國(guó)目前的技術(shù)瓶頸是多元的，技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)包括一體化仿真技術(shù)、水池試驗(yàn)、浮式風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)以及建造和海上施工等，這些能力和技術(shù)都需要通過(guò)工程實(shí)踐和應(yīng)用反饋才能得到提升，歐洲先進(jìn)的開(kāi)發(fā)商不約而同的選擇三步走的策略，某種意義上說(shuō)明了這條路線(xiàn)的科學(xué)和嚴(yán)謹(jǐn)性。

Hywind 項(xiàng)目中，由于浮式風(fēng)機(jī)的搖擺運(yùn)動(dòng)，使得輪轂處的相對(duì)風(fēng)速時(shí)刻變化，如采用海上固定式風(fēng)機(jī)的控制策略，在額定功率及以上風(fēng)速區(qū)域?qū)?huì)造成負(fù)阻尼現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而引發(fā)機(jī)組與基礎(chǔ)共振現(xiàn)象的出現(xiàn)。為了改善這種現(xiàn)象，Hywind 控制策略主要優(yōu)化措施有2 個(gè)：①降低控制器的PI 響應(yīng)頻率，使其低于基礎(chǔ)一階固有頻率，保證變槳?jiǎng)幼鞑粫?huì)產(chǎn)生負(fù)阻尼；②在額定功率處轉(zhuǎn)速扭矩控制策略由原來(lái)的恒功率變成恒扭矩，這樣可以使得轉(zhuǎn)速控制時(shí)不出現(xiàn)負(fù)阻尼的現(xiàn)象，但這樣的改變會(huì)使得機(jī)組的扭矩載荷變大一些。采用傳統(tǒng)固定式的控制策略，浮式風(fēng)機(jī)的橫搖出現(xiàn)了明顯共振現(xiàn)象，不得不多次停機(jī)，采用上述措施后橫搖振幅明顯偏小、穩(wěn)定且不受激振。WindFloat 項(xiàng)目在漂浮式風(fēng)電機(jī)組的控制策略上亦采取了類(lèi)似的方法。另外，Hywind 工程系泊系統(tǒng)針對(duì)風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)和基礎(chǔ)的艏搖響應(yīng)進(jìn)行了有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，每條系泊線(xiàn)在終端分出兩條子線(xiàn)連接至基礎(chǔ)平臺(tái)，這樣在滿(mǎn)足破斷強(qiáng)度和縱蕩等要求的同時(shí)，還有效降低限制了艏搖響應(yīng)的幅值。另外，在最新的Hywind Tampen 項(xiàng)目中，Equinor 將采用共享錨樁的系泊設(shè)計(jì)，減少系泊系統(tǒng)的采購(gòu)和安裝成本。

WindFloat 項(xiàng)目的基礎(chǔ)平臺(tái)設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)機(jī)的通用性強(qiáng)，風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)和塔架與基礎(chǔ)連接部位進(jìn)行較少的優(yōu)化設(shè)計(jì)便可適用。另外，其水動(dòng)力性能好。在立柱底部壓載艙裝滿(mǎn)壓載水來(lái)保證穩(wěn)性要求，而在每個(gè)立柱中上部布置主動(dòng)壓載艙，可以實(shí)現(xiàn)3 個(gè)立柱間壓載水動(dòng)態(tài)調(diào)整，用來(lái)補(bǔ)償風(fēng)速和風(fēng)向變化。同時(shí)采用垂蕩板設(shè)計(jì)，增加自身的阻尼，使得基礎(chǔ)固有周期避開(kāi)波浪能量集中范圍，從而減小風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)［3］。最后，作為半潛式平臺(tái)，其淺吃水特點(diǎn)可以適應(yīng)更多的場(chǎng)址，允許整個(gè)系統(tǒng)可以在碼頭進(jìn)行組裝，然后采用濕拖方案運(yùn)輸至目標(biāo)風(fēng)電場(chǎng)。

Hywind 和WindFloat 分別代表了當(dāng)前兩大主流的工程技術(shù)路線(xiàn)，兩者都有其各自的特點(diǎn)和技術(shù)空間來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化和完善。國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)商在開(kāi)發(fā)深遠(yuǎn)海域風(fēng)資源時(shí)，應(yīng)根據(jù)場(chǎng)址實(shí)際條件選擇合理的技術(shù)路線(xiàn)并深入挖掘，既可以采取類(lèi)似國(guó)外的三步走策略，也可以借鑒其樣機(jī)工程階段的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行跨越式開(kāi)發(fā)，但工程技術(shù)上應(yīng)始終遵循對(duì)海洋工程和風(fēng)電機(jī)組的有機(jī)結(jié)合，尊重兩類(lèi)工程之間的客觀規(guī)律并對(duì)兩者之間結(jié)合點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)的研究。