海上风电项目“一体化设计”难点分析

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自从中国的风力发电产业开始涉足海上项目，“综合设计”的概念已经广泛传播。该术语最初源于欧洲海上风力发电优化设计，据信已在各种场合使用或听过不止一次，无论是整机供应商、设计机构、业主还是开发商。

然而，并不是每个使用这个词的人都能清楚地解释“集成设计”的真正含义，以及国内风电项目设计中阻碍“集成设计”实现的因素。甚至许多实践者将“集成建模”的实现等同于“集成设计”的实现，对设计解决和优化哪些问题缺乏探索，不利于未来通过“集成设计”在优化和降低成本方面取得实际效果。

本文阐述了当前海上风电行业在“一体化设计”方向上需要解决的一些客观问题，旨在提高行业对此的认识，并提出可能的研究方向。

“一体化设计”的内容和意义

“一体化设计”是将海上风力发电机组、支撑结构(包括塔架、基础和外部环境条件(尤其是风况、海况和海底地质条件))作为一个统一的整体动态系统进行模拟分析、验证和优化的设计方法。该方法不仅可以更全面地评估海上风电设备系统的受力状况，提高设计安全性，而且可以增强行业对设计方案的信心，保证设计安全性，不依赖于过于保守的估计，为设计优化提供了空的范围，有利于系统整体成本的降低。

根据鉴定认证的5.5MW四桩承台机组模拟计算结果，与现有的机组与基础分离迭代设计方法相比，海上风电一体化设计可以进一步优化整体结构(见表1)。在廉价互联网接入的压力下，“一体化设计”是海上风电行业降低成本的必然途径之一。

“集成设计”的难点分析

目前，整机供应商和设计院分别负责机组和基础的设计。为了实现真正的“集成设计”，必须统一以下几个方面:设计标准、建模集成、工况设置和环境条件加载的集成、动态载荷的整体提取。

一、标准的整合

目前，海上风电行业涉及到许多标准。IEC61400系列国际标准及其相应的国家标准主要涉及风力发电机组的设计。设计院的基本设计主要受香港工程设计标准(如JTJ215、JTS167-4等)的限制。)和一些行业标准(如NB-T10105等。)。国际标准从整体设计的角度规定了基本设计方法的要求，但在某些要求或指标上与香港工人的设计标准和行业标准有所重叠和冲突。其中一个比较突出的例子是，在极限负荷下，风电行业的国际标准通常使用1.35的安全系数，而国内港口标准和线路标准使用1.4和1.5的安全系数，从而增加了基础的成本。行业正在积极推动这些标准的统一。例如，提出了一些风力发电特定标准，以缓解设计院的限制。

二。建模的集成

海上风力涡轮机、基础和各种外部环境条件是一个统一的整体。这些结构和边界条件的建模和仿真是“一体化设计”的最基本要求，因为只有这样才能充分考虑涡轮机和基础的整体动态响应，并有可能在设计优化中实现整体调整和整体优化。目前，许多项目或多或少会进行集成建模工作，并将其视为“集成设计”的标志。然而，如果忽略其他问题，行业对“集成设计”的理解可能会过于狭隘。由于基本设计的单元和责任主体的分离，即使只考虑“集成建模”项目，重点也不应该是是否进行整体建模和仿真，而是是否实现全局优化。

随着整机企业R&D能力的提高、设计院合作模式的开放、知识产权的保护以及第三方的协调和附着，全球优化成为可能。因为基本模型比单元模型更容易打开，所以这个任务更多地取决于整个机器供应商的单元的整体设计能力的改进以及它们能够影响设计院的基本设计的程度。

三。工况和外载荷的综合

根据海上风电设计标准的要求，通过模拟项目生命周期中各种可能的工况组合来确定结构设计荷载。这些综合因素包括不同的风况、海浪和机组控制条件，这意味着在特定的极限综合条件下会产生一定的极端负荷。这些工作条件的组合有一定的原则，如机组故障和最恶劣的风浪条件，这些情况通常不会同时发生。

当机组和基础设计属于不同的主体时，设计相互作用信息往往通过塔底法兰的“界面荷载”传递。这种情况很容易导致双方工作条件的结合不能作为一个整体来考虑。从复杂的工作条件设置中分离出几个简单的数字将会丢失当时的工作条件信息，并最终使几个不应该无意中叠加在一起的极端条件叠加在一起，使设计载荷过于保守。

还有一个问题是，海况反复叠加。单元和基础设计使用不同的模拟环境。整机企业对机组的设计计算通常不局限于风荷载，而是包括波浪荷载在内的综合荷载结果。但是，由于设计院不能分解“界面荷载”的值，在设计中只能同时对基础施加“界面荷载”和波浪荷载，导致波浪荷载被反复考虑，增加了基础成本。

在一个实例中，与独立工况设置相比，工况一体化设计方法可以避免极端工况的不合理叠加，仅一项就可以降低基础顶部荷载约3%。但是，如果在机组整体模拟和基础设计模拟中同时使用波浪荷载，塔底荷载将增加约2%。通过加强单元和基础设计之间的协作和验证，可以有效地减少这种问题。

四、动载荷和载荷总体提取

如果你在球场上给一个运动员拍一张静止的照片，只让别人看他的脚，恐怕没人能想象他身体的其他部位在哪里，也猜不出他在参加什么项目。同样，海上风力发电设备总是在运动，结构设计需要知道整个系统每个关键位置的状态。设计的双方只使用塔底的“界面载荷”作为设计基础，就像通过运动员的脚推断其他部分的状态一样。如果这种推论仅仅以静态外部载荷的形式给系统增加了极端应力，那么所获得的结果可能与实际运动状态大不相同，并且很可能由于保守假设而高估了其他位置的应力状态。

设计中追求的理想状态应该是在统一的模拟中获得每个位置最合理的应力状态，而不是进行附加和局部载荷计算。这就好比设计师可以看到运动员的整体运动状态，无论是负责分析“上身”还是“下身”，都能得到正确的结果。在某些项目中，整机企业向基础设计者的整个界面提供的时间序列负载(连续的时间序列负载)，如果能够合理使用，将是“集成设计”的一大进步。

摘要

本文讨论了目前“集成设计”中一些常见的客观技术问题。总之，海上风电最终追求的“一体化设计”不仅要有一个整体模型，还要在统一的标准要求下，实现工作条件的统一组合、环境条件的统一加载和同一模拟下动态载荷的整体提取，并在此基础上实现设计的全局优化。

目前，虽然上述技术问题已逐步得到改善，但仍有一些机制因素在拉长这一过程，如中标后的优化动机、突破技术问题过程中的主要责任、对知识产权的关注等。与此同时，业主也面临着对这些问题解决的程度缺乏理解和监督的困难，并且不能有效地量化和评价“一体化设计”的效果。因此，这个行业离理想的“集成设计”还很远，还需要做大量的工作。在海上风电上网平价的背景下，我相信业内各方都感受到了这方面的紧迫性。

来源：BBC新闻网