技术 | 深入理解 Ideol-Damping Pool漂浮式风电技术

风能专委会CWEA 2022-08-01

The following article is from 千尧科技 Author 沧海一粟

导读

随着深远海域风电开发的逐步进行，各国对漂浮式风电的研发不断深入。Hywind和WindFloat概念分别代表了Spar型和Semi型技术方案，今天我们讨论另外一种创新性较强的漂浮式风电概念——由Ideol公司的Damping Pool，从基础特征上可以把它归类为Barge型。

参考：风能科普｜Ideol的漂浮式海上风电基础视频

Ideol-Damping Pool漂浮式风电技术简析

Ideol-Damping Pool技术里程碑事件

近年，Damping Pool技术快速应用发展。Damping Pool采用阻尼池专利技术，利用驳船设计理念，可在较浅水深（据悉最小工作水深至30m）区域应用。与Hywind和WindFLoat的漫长发展过程相比，Damping Pool发展较快且过程清晰，图1展示了Ideol-Damping Pool里程碑事件。

图1 Ideol-Damping Pool里程碑事件

Damping pool技术能够快速发展，短短几年即进入样机测试，主要原因一是赶上了漂浮式风电开发的潮流，二是凭借其自身的技术优势。2018年，Floatgen项目成功安装一台2MW样机，次年于日本HIbiki项目安装一台3MW两叶片风机。表1给出两个项目主要技术参数。

表1 两个项目Damping Pool技术参数表

据悉，Floatgen项目在2019年发电量达6GWh，其中第二季度风机可利用率超过94.6%。该基础遭遇最大波高达11.7m，在22m/s风速和最大波高8.5m海况下，风机仍可正常发电，这一优良表现归功于基础良好的耐波性和可维护性。同时该基础可以在有义波高2.3m状况下，凭借自身较低的干弦和通道设计，使得运维人员在全年90%的时间内方便登靠。同时，Hibiki项目在完成安装后已至少遭遇3次台风，从现场情况来看，其出色的耐波性可以媲美Floatgen项目。

Ideol-Damping Pool关键技术

1总体设计

Floatgen项目位于法国第一个用于多功能测试场址SEM-REV，该场地范围被限制在1km^2，风电场最大波高可达16m，场址规划如图2所示。该项目基础型式为Ideol公司设计的Damping-Pool，外形为四边环形基础，材料为钢筋预应力混凝土，中间开口为阻尼池，用于减少整体运动响应。该技术为Ideol公司专利，公司宣称这是降低漂浮式风电成本最经济和简单的方案。相对于陆上风电和其它漂浮式基础型式，该基础装配可在码头完成，更加容易实现批量化，成本较低；同时以混凝土为风机基础材料使得基础建造场地临近目标风电场，可进一步减少运输成本。

在总体设计上，日本Hibiki项目与Floatgen区别较大。Hibiki的试验性更强，敢于在漂浮式测试样机上使用一些非主流的技术，例如安装的一台3MW的两叶片风机，采用与几年前日本福岛二期项目V型基础一样的下风向风机。同时，与Floatgen混凝土材料不同，基础采用钢制材料，兼顾本土加工能力和充分利用Damping pool技术。

图2 Floatgen项目场址规划信息

图3 Hibiki项目样机

2性能分析

风机基础设计寿命为25年，但是基础不同系统设计使用的极端环境条件重现周期为50~200年。位于中央开口的海水晃荡可以减小涌浪造成基础的振动，该基础可以直接搭载用于固定式风机基础的风机，不必做过多的改变。由于环形基础和大开口设计，Ideol采用了CFD方法模拟基础在流体中的运动，并将载荷传回SIMPACK中进行多体动力分析，这种方法的挑战在于如何准确传递载荷和运动的结果。通过仿真结果得出，由于中央水池和基础边缘旋涡脱落的影响，使得基础垂向运动阻尼很大。

从图6可以看出，模型试验和数值仿真结果相对一致，在大周期段具有较大的波动，原因是由人工处理和水池反射造成的，在进行时序分析时可以得到较好的一致性结果。而实测数据和数值仿真结果相比，在水平运动方向匹配性较好，但在摇摆方向上仿真结果比较保守，与预期基本相符。在风机安装后，在码头采用小功率进行测量，测试结果如图7所示。可以看出机舱加速度吻合较好，但低速轴弯矩有一定的偏差，经分析认为其主要原因是湍流和风向变化造成的。

对于安装在Ideol上风机控制系统只需设计多个目标控制回路，保证发电机扭矩、发电功率和风轮转速在一个合理的位置上，从而使得极限和疲劳载荷在可接受的范围并捕获更多的风能。

图4 水池模型试验（1:32）

图5 CFD仿真旋涡脱落结果（t=601s）

图6 实测与仿真运动RAO对比

图7 机舱加速度和低速轴扭矩仿真与实测比较

3系泊和锚固系统

考虑试验场地面积限制、水深较浅以及浮体允许运动不大、简化系泊系统安装等因素，本项的系泊方案选用半张紧式系泊方案，为3×2布置，锚固系统采用拖曳力锚。Floatgen项目系泊系统采用上部chain，下部为synthetic fiber（Nylon）的组成形式，两部分分别由两家公司提供。系泊系统触底段没有采用传统的锚链结构，而采用复合纤维尼龙缆，原因一是具有更好的抗腐蚀性，二是其弹性更好，更加能吸收由涌浪产生的运动和载荷。

图8 Nylon缆测试实验

图9 拖曳锚安装示意图

4结构设计

由于复杂的海上环境条件，采用混凝土材料的风机基础结构设计将会比陆上复杂很多。根据混凝土强度设计，该项目混凝土等级为C55/67，张拉区的混凝土厚度在50~55mm，非张拉区厚度在30~45mm。结构外形尺寸的确定主要基于稳性和耐破性要求，但局部强度和疲劳特性将会是一个挑战。海上漂浮式基础混凝土循环次数将会由低周变成高周，即由10^6变成10^8，尤其是位于风机塔架下部的基础区域疲劳很难满足，风机功率越大，影响区域越大。为了保证疲劳性能，需要采用专门的设备进行钢筋张拉，同时需采用高强预应力混凝土。另外，所有甲板上放置设备的地方都要进行预埋钢板和阴极保护处理。

对于风机塔架和混凝土之间的过渡结构，同时传递着风机和基础产生的载荷，Ideol对这部分结构方案专门进行了有限元分析验证。

图10 基础混凝土疲劳性能分析

图11 基础钢筋与预埋板

图12 过渡段结构

5施工方案

基础初始的建造方案是在陆地上进行混凝土浇筑，然后转移到码头滑道。但是考虑港口的设施和运输设计，最终采用的建造方案是在绑到一起并系泊住的三条驳船上进行建造，然后整体托运至码头完成下水。

图13 三个驳船上建造

图14 码头与风机装配

Floatgen项目整体进度规划如下图所示，但是由于风机并网时电缆出现了问题，问题解决了很久，到2018年底，该项目才正式并网。

图15 Floatgen项目进度表

总结与展望

虽然法国海上风电的发展相对较为滞后，但在没有固定式海上风电场建成的状况下，却率先规划了四个漂浮式风电场，并且分别采用四家公司研发的漂浮式风机基础，搭载不同厂家的风机。项目建成后，将成为Damping-Pool技术最好的验证途径。具体见图16。

图16 法国规划漂浮式风电示范项目

虽然Ideol公司对其Damping-Pool基础本身的优化已经很少，但公司的研发团队一直在努力降低基础的施工成本。据宣传，采用该技术方案，可以使批量化基础建造成本大幅降低，如果经过优化和统一的建造方式，可以实现年产25台。标准化的建造流程见图17。

图17 批量化建造示意图

与此同时Ideol公司和AOE、ABB、STX、SNEF等公司将联合研发、建造、安装一座浮式变电站，项目名为SeeOs。据宣传，该变电站能同时用于水深较浅的海底固定式风场和深水漂浮式风场。这种通用化、模块化的方案是基于Ideol公司专利的浅吃水Damping Pool技术。该概念目前处于设计和工程阶段，具有灵活性，能满足客户、当地法律、标准、认证等各种需求，建成后将一定程度上影响海上变电站市场。然而迄今为止，唯一建成的示范性浮式变电站是位于日本的福岛前沿示范项目。

图18 SeeOs项目浮式变电站

图19 日本福岛项目变电站

虽然Damping-Pool技术还存在甲板上浪、结构设计复杂、测试验证时间短等问题，但由于其良好的耐波性和经济性，这都不妨碍它在全球推广。根据Ideol的统计，以下几个项目将会使用该技术，让我们拭目以待吧。

表2 Ideol-DampingPool潜在商业化项目

文末附上Hibiki项目样机精彩视频。

撰稿 | 沧海一粟

本文来源：千尧科技

关于Floatgen演示平台，请访问：

https://www.ideol-offshore.com/en/floatgen-demonstrator

★ 如欲了解Damping Pool技术更多详情，请访问

https://www.ideol-offshore.com/en/technology

图片来源：ideol-offshore