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

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

——翟恩地

2017年12月9日，在第二屆全國海上風(fēng)電工程建設(shè)技術(shù)研討會上，國家“千人計劃”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)載荷計算及一體化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)》的演講。

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

翟恩地指出，在海上風(fēng)電成本中，機(jī)組采購?fù)嫉?0%～40%，支撐結(jié)構(gòu)采購約占20%～25%，加上施工成本往往也超過30%。因此，通過技術(shù)革新降低整個支撐結(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)電載荷計算是整個支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵所在，涉及大氣動力學(xué)，水動力學(xué)，結(jié)構(gòu)動力學(xué)，巖土動力學(xué)等問題。翟恩地指出，載荷計算，除了傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)載荷，還應(yīng)考慮機(jī)艙及葉片控制問題等。載荷計算業(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算，需要考慮風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下的氣動、水動、巖土、控制耦合作用。

海上風(fēng)電載荷計算應(yīng)解決五大關(guān)鍵技術(shù)問題

翟恩地指出，海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的載荷第一個關(guān)鍵問題，是整機(jī)支撐結(jié)構(gòu)對應(yīng)的自然頻率。“為什么支撐結(jié)構(gòu)的頻率需在所謂的1P和3P之間？1P和3P又有何含義？簡單來說，某一個葉片轉(zhuǎn)一圈經(jīng)過塔架就會產(chǎn)生氣動載荷的一次脈動，三個葉片都會經(jīng)過塔架，在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的圈數(shù)就是氣動載荷的脈動頻率。以金風(fēng)科技6.7MW海上風(fēng)機(jī)為例，風(fēng)機(jī)1P的頻率是一個范圍，3P的頻率同樣也是一個范圍，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。但很多時候，找不到這樣的值，怎么辦？這要通過控制快速跳過共振轉(zhuǎn)速。同時，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)生共振問題，這一直困擾著諸多業(yè)內(nèi)人士。”

第二個關(guān)鍵問題，就是海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的阻尼。“雖然這個問題在國內(nèi)外討論得并不多，但阻尼問題，是海上風(fēng)電這個領(lǐng)域需重點關(guān)注的。陸上風(fēng)機(jī)設(shè)計臨界阻尼比約在0.5%，海上風(fēng)電設(shè)計通常約為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的水深和軟土問題，因此相對來說，在動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，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”，通過調(diào)節(jié)控制，增加人工主、被動阻尼器。“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。”

第三個關(guān)鍵問題，是海上風(fēng)機(jī)抗冰錐設(shè)計對載荷的影響。翟恩地指出，我國北方的海上風(fēng)場往往會遇到“冰”的問題。“這是海上風(fēng)電整個支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計的又一關(guān)鍵問題。為了減少冰載荷降低冰激振動，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)又會導(dǎo)致波浪載荷增大。同時，北方每年冰期通常持續(xù)1～3個月，剩下的月份是沒有冰的。而且某些年份由于氣溫升高甚至可能不會結(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，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)科技和上海勘測設(shè)計研究院聯(lián)合開展相關(guān)研究項目，已取得初步成果。

第四個關(guān)鍵問題，是抗震設(shè)計。目前，國內(nèi)無論在陸上還是海上，這方面經(jīng)驗明顯不足。這其中最困難的，是抗震標(biāo)準(zhǔn)的選擇，目前國內(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題，因此地震風(fēng)險承受標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)該與房屋建筑物不一樣。可見，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。

第五個關(guān)鍵問題，是地基剛度對載荷的影響，也就是在無沖刷和有沖刷時、初期及長期循環(huán)荷載作用下樁土相互作用對支撐結(jié)構(gòu)頻率的影響。模擬樁土相互作用，無非就是三種方法，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而不再直接考慮土體，第三種也是最實用的方法是用實體樁，用非線性彈簧來模擬土抗力和樁相互作用。這里面還涉及到很多問題。翟恩地曾多次在行業(yè)大會上表示，對于大直徑單樁而言，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)計方法是不同的。

塔架設(shè)計面臨的技術(shù)“難關(guān)”

目標(biāo)。

此外，翟恩地指出，通過人工防護(hù)減少沖刷，這一問題目前還仍有待進(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)計方法上，在疲勞載荷下進(jìn)行設(shè)計，與塔架的方法基本類似，目前來看，國內(nèi)很多基礎(chǔ)的疲勞設(shè)計方法相對仍比較簡單。未來要多采用大數(shù)據(jù)、云計算，采用更科學(xué)的時程方法進(jìn)行疲勞計算。

關(guān)于海上風(fēng)電塔架設(shè)計，翟恩地指出，塔架的設(shè)計應(yīng)從以下幾方面進(jìn)行檢驗：一是塔架載荷所產(chǎn)生的極限應(yīng)力，二是焊縫疲勞，要通過載荷計算，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)計的制約

在海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)方面，翟恩地指出，目前國內(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)科技在載荷計算時，已朝著一體化的方向不斷邁進(jìn)。具體來說，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，甚至在整個計算當(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)計算和成本。

金風(fēng)科技擁有上百人的塔架基礎(chǔ)設(shè)計和載荷計算團(tuán)隊，團(tuán)隊成員遍及丹麥、挪威、德國、美國等多個國家。上千臺計算機(jī)聯(lián)合在云端進(jìn)行運算。未來，希望通過大數(shù)據(jù)、云計算，實現(xiàn)設(shè)計院與整機(jī)廠商在技術(shù)設(shè)計上的緊密合作。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。

演講最后，翟恩地指出，發(fā)展海上風(fēng)電，離不開風(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)隊進(jìn)行各項創(chuàng)新，在保證安全的前提下減少冗余成本。這是整個海上風(fēng)電未來發(fā)展的重要方向。