怎么把风力发电机“种”到海底?

2021-07-21 11:27  来源:科技日报  浏览:  

5—7倍

该成果已实现一天一台的沉放安装速度,大大缩短了海上施工的时间,加上整机运输的时间,总体海上安装建造效率比传统装机提升了5到7倍,解决了海上风电能源发展受施工窗口期影响的一大难题。

在江苏海域,一排排整齐的“大风车”——海上风力发电机(以下简称风机),正有条不紊地为能源经济发展和百姓的生活提供源源不断的动力。这些“大风车”均采用“种树式”的一体化安装建造技术,整机浮运,平稳地“植”在海上。

这项我国原创的新技术来自天津大学建筑工程学院教授练继建带队研究的“海上风电新型筒型基础与高效安装成套技术”研究项目(以下简称风电项目)。为了实现海上资源的最大化利用,该项目突破多项技术瓶颈,实现了海上风电高效、优质、低成本、规模化建造的目标,研究成果已成功应用于响水、大丰等风电场。该成果获发明专利授权101项,核心技术获美日欧盟发明专利,团队主编国家、行业标准2部,发表论文150余篇,并获得2020年度天津市科学技术奖技术发明特等奖。

“造树根”:筒型基础结构,结实

我国近海海域风能资源丰富,50米水深内可开发量超过5亿千瓦(kW)。“但是在我国近海海域安装海上风机难度可不小。”风电项目课题组的刘润教授介绍,“我们不光要解决海上风电开发施工窗口期短的问题,还面临海上强台风、软地基等挑战。”

要想让海上风机稳稳地“站”在海里,经受得住风浪的洗礼,首先整体的结构、建造方式等都要适合我国海域的情况。

而传统移植自欧洲的单桩、多桩导管架海上风电技术施工周期长、建造安装成本高。

练继建团队经过多年的研究积累,开创性地发明了巨型多分舱海上风电筒型基础结构体系,团队还首创了工厂化批量预制基础结构和“种树式”安装风机的建造方式,以及提出新型筒型基础顶盖—筒壁—土体联合承载模式。

“传统的海上风机都是先装基础,再把风机塔筒、风机机头吊进去进行分部安装。”风电项目课题组的王海军教授介绍,而我们发明的这种新型的结构不仅可以在岸边预制,还可以带着风机一起像种树一样直接在海上进行安装,节省了大量的施工费用,降低总造价15%—20%。

“其实说起来原理很简单,海上风机由风机基础、风机塔筒、风机机头和风机叶片四个部分组成。”刘润解释,就像家用落地风扇一样,风机基础相当于落地扇的底托,托着塔筒、机头和叶片转动。宽浅型的基础相当于增大了落地扇的底盘,有利于抵抗上部结构因强台风而产生的巨大力矩荷载。

“运大树”:拖船整体浮运,高效

风机基础、塔筒、机头和叶片整体在岸上组装好后,下一步就是要把树运到需要栽种的海域了。

“传统的海上风机安装建造,一般是由运输船舶将零部件运输到海上建造的位置,分部施工安装,完成整机调试。而这样一套安装流程,至少需要5天才能完成,有时候遇到强台风,甚至时间更长。”王海军介绍,“海上施工窗口期十分宝贵,为了提高海上风机安装效率,需要把组装好的海上风机直接运送到位。”

海上风大浪急,而海上风机又高又细,如何减少运输中的晃动,更稳定地把这个庞然大物平安送达?通过反复尝试,练继建团队首创了海上风电基础—塔筒—风机整体浮运新技术,建立了筒型基础浮稳性与分舱优化分析方法,发明了船下气浮顶托风机整体浮运技术。同时提出船—筒姿态和水封安全控制指标,攻克了风浪流与船舶—气浮基础结构—风机多体耦合动力安全与性态控制难题。

运用了这种技术的运输安装船,成功实现了海上风机的整机一步式运输,让风机整体稳稳地运输到位。而且由于海上风机从运输到使用都可以保持同样的姿态,因此最大限度降低了风机各组成部分的损坏。

“种树”:筒型基础分舱,稳定

一切准备就绪,准备开始“种树”。

在平地上把树笔直地栽到土里并不是件容易的事情,而把漂浮在海上的风机笔直地“栽到”海底更是难上加难。

练继建团队发明了筒型基础整体沉放和精细调平控制技术,这项技术通过分舱来达到效果。“合理地分舱可以提高筒型基础气浮结构的浮稳性,有利于施工下沉和精细调平。”王海军介绍,通过精确计算,精准地给每个仓施加相应的压力,就可以使海上风机垂直地扎到海底了。

据介绍,目前海上风机结构筒型基础,大致分为三种形式:单筒型,多筒型(三筒或四筒)和的单筒多舱复合型,由项目组研制的巨型多分舱海上风电筒型基础结构体系就属于单筒多舱复合型。

为了保证这项技术安全地投入使用,团队还提出风浪流作用下筒型基础—塔筒—风机水中整体沉放姿态与安全性控制方法;揭示了筒型基础入土沉放过程中筒—土—渗流耦合作用与减阻机理,提出沉放阻力计算方法与减阻措施;发明了基于分仓压力差—倾角—渗流—屈曲联合测控的筒型基础沉放精细调平控制技术与装备。

据了解,目前该成果已实现一天一台的沉放安装速度,大大缩短了海上施工的时间,加上整机运输的时间,总体海上安装建造效率比传统装机方式提升了5到7倍,解决了海上风电能源发展受施工窗口期影响的一大难题。

“我们称目前这套技术为1.0版,已逐步应用在江苏海域。不久的将来,我们还会出2.0版、3.0版……进一步节省海上作业时间,降低生产、运输和安装成本,使这项技术在更多的海域更广泛地使用。”王海军对未来充满信心。

21世纪是海洋的世纪,谁拥有海洋,谁就拥有未来。与大陆经济相比,海洋经济有着巨大潜力,发展蓝色经济是必然趋势。海上风电作为一种潜力清洁能源,对于我国实现双碳目标也具有十分重要的意义。王海军表示:“由于海上工程存在软地基,使海上风电面临建造成本高等棘手的挑战,而国内新能源行业也从过去补贴政策主导走向市场竞争推动的局面。在此背景下,降成本也将是我们要研究的重要课题。”

中广核新能源:什么是海上风电?

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