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《基于风洞实验的浮动式海上风电机组载荷控制技术研究取得进展》

  • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者： guokm
  • 发布时间：2019-06-27

  • 随着陆上风电场可开发资源的减少，风电场建设 “ 由陆到海、由浅到深、由固定式到浮动式 ” 是发展必然趋势，海上风电开发已逐渐成为风能利用的重要研究方向。海上风具有低湍流度和风速相对较高等优点，浮动式海上风电机组因其对海底环境破坏小而备受青睐。浮动式风电机组是复杂的多柔体系统，风 - 浪 - 流组合扰动具有非定常性和强非线性特点，由于其气动 - 弹性 - 水动力学相互耦合作用，相对陆上风电机组其气动载荷更为复杂和难以控制。如何在复杂海况下实现对浮动式海上风电机组的有效控制和调节是目前风能领域的热点和关键问题点。 　　

    工程热物理研究所国家能源风电叶片研发（实验）中心海上风电团队针对复杂海况条件下浮动式风电机组气动载荷控制难的科学难题，联合团队的海外合作单位日本三重大学，采用结合机械工程和空气动力学的多学科交叉方法，研究了风浪组合模式下浮体平台水动力学耦合机制，提出了自适应来流风浪环境和浮体平台运动的载荷抑制技术，为实现浮动式海上风电机组对风能的高效利用提供了新的方法。 　　

    本团队提出的周期性变桨技术通过浮动式海上风电机组的耦合机制，综合考虑风电机组 - 浮动平台 - 洋流的内在关联和本质规律，采用斜盘装置控制桨距角，给出该技术对风电机组性能量化影响的规律。在风洞中通过大量实验验证该项技术的有效性，研究发现，桨距角和回转角之间的相位差在不同风向下保持恒定，进而导致出力系数和推力系数也保持相对稳定，从而实现对浮动式海上风电机组在风和波浪双重冲击影响下的有效调节，降低了风电机组的疲劳载荷，提升了风能利用效率。上述成果已在国际重要能源领域学术期 Energy 上发表，该成果为深远海上浮动式风电机组载荷的有效控制提供了技术支撑。

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  • 《国内外浮动式核电站发展现状的研究》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2020-08-07
    • 浮动式核电站是近年来世界各国为解决能源危机，充分利用核能发电以及海洋开发的一项技术，该技术已日渐成熟，并展现出高效、经济性等特点，被认为是核能开发的一大热点，美、俄、法、韩等国都对浮动式核电站的建设投入了巨大的精力，并规划在未来5年来实现规模化、商业化发展。该文就浮动式核电站的发展史进行了介绍，并就相关技术的应用、在国内外的发展情况和未来的发展前景进行了分析。 0 前言 随着人类社会的不断进步，对于能源的需求逐年增加，然而传统的能源获取对于环境的破坏越来越严重，相关资源的储备也日渐枯竭，经济、干净、环保、储量丰富的新能源成为世界各国的开发重点，核能是目前人类最具希望的未来能源之一。核能发电避免了火力发电向大气中排放大量污染物质的情况发生，不会造成空气污染，也不会产生加重地球温室效应的二氧化碳，同时燃料费用占比较低，发电成本较其他发电方法更为稳定，因此成为当前最受欢迎的新能源。在深度挖掘核电利用潜能的过程中，浮动式核电站为核电应用提供了更广阔的空间，并成为当前世界各国争相研究的课题。 1 浮动式核电站应用分析 浮动核电站是一种建设在船舶上可以随时移动的核电站，其特点是可以同时满足人们对电、热、淡水和高温蒸汽等多种产品的需求，在区域供电、供热，海上石油开采， 极地或偏远地区等特殊区域的能源供给方面表现出了极强的灵活性，可以有效扩展核电的应用。 1.1 商业价值 浮动核电站在研究之初，主要是为了满足经济发展的需求。作为一种比太阳能、生物质能以及风能等清洁能源更具优势的能源，研究人员在探索核电的应用时发现，通过建立浮动核电站，可以将核电用于近海油气勘探平台的能源供应、应对近海人口稠密地区用电高峰期电量供应不足的问题、满足沿海居民的生活用水需求、应对海洋孤岛用电及居民生活用水、为远洋船舶提供大功率推进动力等， 这其中的商业价值不可估量。 1.2 战略价值 随着核电利用规模的不断扩展，核能成为新能源中较为重要的战略资源。尤其是在对海洋领域的开发方面，浮动核电站首先可以解决海洋岛屿基础设施建设中必要的电力供应、海水淡化问题 ;其次是可以为推动核动力船舶的研发提供大量的参考数据。未来，随着浮动核电站技术的不断成熟，必将体现出更大的战略价值。 1.3 安全价值 一直以来，核电的利用都存在很多争议，那就是核能发电的安全问题。2011 年，日本福岛核电站事故使得各国开始重新评估核能发电的风险，并引发了专业人士关于核电应用的新思考。在广袤无人的大海上建立浮动式核电站， 将核能发电与人类的生活区分开，可以最大限度地降低核泄漏造成的生命财产安全风险。这一思路促使以俄罗斯、美国、法国、韩国、中国为代表的国家致力于研究建造海上浮动式核电站项目。 2 国外浮动式核电站发展现状分析 2004 年，国际原子能机构(International Atomic Energy Agency ;IAEA)宣布重新启动“小型反应堆开发计划”[2]，浮动式核电站因其采用成熟小型核反应堆技术达到高效、经济的能源供给的优势，成为美国、俄罗斯、韩国等核电强国争相研发的项目，旨在谋求核电能源的多元化应用市场，成为近年来世界核能界的关注热点。目前，国外对于浮动式核电站的研究主要有两个方向，一种以是俄罗斯为代表的典型浮式核电站，另一种是以美国为代表小型海上核电站(OFNP)。同时，法国、韩国在浮动式核电站的研发方面也取得了一定的成绩。 2.1 俄罗斯典型浮式核电站发展现状 典型浮式核电站其实可以理解为就是一艘生产核电的船舶，俄罗斯原子能公司制造的“罗蒙诺索夫院士”号是此类浮式核电站的代表。以“罗蒙诺索夫院士”号为例，可以了解典型浮式核电站的特点。该型浮式核电站长144 m、宽 30 m、高 10 m，重 21 500 t，是迄今为止世界上唯一运营的浮动核电站和世界上最北端的核装置，其主要任务是为偏远工业企业、港口城市及海上油气平台提供电力。它拥有典型的船型平台，甲板面积较大、装载能力很强，可以实现各种核电生产设施的布置，同时有充分的空间布局划分各功能舱室。该型浮式核电站上目前装配了两座 35 MW 的改良型 KTL-40 反应堆，可达到 7 万 kW 的年发电量，即可满足 30 万人的生活供电，预计使用寿命 40 年。 同时，这种船舶式的浮式核电站在机动性方面的表现非常出色虽然自身没有推进系统，但是在牵引船的牵引下，可以较为轻松地转移到任何海上作业区域。由于“罗蒙诺索夫院士”号采用的大型船舶制造技术较为成熟、造价成本较低，体现出了较明显的经济优势，在开发生产运用方面表现突出。 2.2 美国小型海上核电站(OFNP)发展现状 美国是最早提出浮动式核电站设想的国家，受 20 世纪70 年代石油危机的影响，曾一度停止过对相关项目的研发建造计划。与俄罗斯的研究开发方向不同，美国对浮式核电站的研究以麻省理工学院设计的小型海上核电站(OFNP) 为主。此类浮式核电站最明显的特征是外型整体结构是直立的多层圆柱形，因此其平台为圆筒形，并设有生活区和直升机停机坪，其余大部分则是在水下由水密舱壁隔开的隔间，可放置 300 MW 或 1，100 MW 机组的核反应堆以及相关的安全系统。 这种设置方法可以在核反应堆过热时快速引入海水降温，并不断更新提供无限的冷却源，从而增强核电站的安全性。与船型平台相比，圆筒型平台的结松更为简单，面对海洋的风、浪、流可以更好的适应环境，同时这种结构可以实现对来自各个方面压力的平均载荷，降低疲劳载荷，安全性更高。同时，圆筒型平台的重心更低，对于惯性问题的控制能力更强，可以保持整个浮式核电站的稳定性，这一点对于在海上作业的平台来说非常重要。 另外，圆筒形平台在空间布置方面可以实现各功能舱室围绕反应堆设置，具有更高的空间利用率，预计第一批小型海上核电站 OFNP 可以在 15 年实现部署。 2.3 法国 Flexblue 下沉式海上浮动核电站发展现状 Flexblue 下沉式海上浮动核电站是由法国国有船舶制造企业(DCNS)开发的产品，是一种下潜式柱形全模块化移动式浮动式核电站，采用的是小型压水反应堆。此类型浮动式核电站采用舰艇模块化建造技术，核电站在船厂完成建设组装后再被运送到工作场所进行安装。它被安装于距海岸线 5 km~15 km 的海床上，大约在海平面下方 60 m~100 m 处，考虑到地震危害，结合安装场所的地理环境，要么水平固定于海床上，要么正浮悬挂在距离海底几米高的位置，并依靠海底电缆输送电力。Flexblue 下沉式海上浮动核电站的特点是可以在不同的地点同时制造。 3 国内浮动式核电站发展现状分析 我国对于浮动式核电站开发研究较美、俄等国略晚。但我国发展浮动式核电站 3 个优势：首先，我国的核电产业正在不断壮大，虽然相比于世界上其他拥有核能发电能力的国家，我国核电发电量占比暂时处于落后局面，但近年来我国的核电总发电量量正在不断上升，且有很大的提升空间。据《2017-2022 年中国核电行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》中的内容显示，我国自 2011~2016 年核电的发电量由 872 万 kW 提升到了 2 132 万 kW，核电发电量占我国总发电量的比重从 1.8% 提升到了 3.6%。可见我国在核电开发方面的长足进步和良好发展前景，这为国 内浮动式核电站的研发建设提供了契机。其次，我国对于 清洁能源的需求量正在不断攀升，政府为了促进核电的生 产发展，推出了一系列扶持政策，2016 年 12 月 30 日，国家能源局在其发布的《能源技术创新“十三五”规划》中， 将”建设海洋核动力平台”写入到相关规划中，并提出在 “十三五”期间开展 50-100MW 级海洋核动力平台的研制建造工作，并实现掌握自主知识产权的核心技术以及建立健全相关的标准规范体系。最后，我国的地理环境对浮 动式核电站有一定的需求，我国拥有较长的海岸线，沿海 作业项目较多，对于电力的需求旺盛，因此浮动式核电站 研发成为当前较为重要的课题。中国对于浮动式核电站的 研究目标是在开阔水域建设核电站，为石油钻井平台和沿 海岛屿提供电力，并实现对受灾海岸提供救援的目的。 2017 年 8 月 10 日，由中国核能电力股份有限公司牵头成立中核海洋核动力发展有限公司正式拉开了对海洋核动力装备开发、建造、运营和管理业务的序幕，并将业务延伸到相关产品如蒸汽、海水淡化等。这一系列举措为浮动式核电站在国内的研究开发奠定了良好的基础。目前， 浮动式核电站的研发方面已取得一定的成绩，如中核集团的 ACP100S 海上浮动堆和中广核集团的 ACPR50S 海洋浮动核动力平台。 4 结语 浮动式核电站是在对核能研究开发过程中产生的一种新的核电应用方式，不仅能够解决长期以来人们在核电生产过程中对人类生命财产安全的顾虑，同时能有效解决偏远地区、沿海区域的用电、用水、供热问题，与普通热力发电相比还能起到减少二氧化碳排放作用，对于满足人类能源需求，保护地球环境都具有重要意义。针对海上浮动式核电站的研究开发应用，各国都取得了一定的进展与突破。我国对该项目也进行了系统的规划，计划将来建立一系列小型浮式核电站，用于沿海石油开采以及偏远岛屿的供电供热及海水淡化需求。相信在不久的将来，海上浮动式核电站的前景会更加明朗。
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  • 《海上风电机组的可靠性技术》
    • 来源专题：能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2023-04-24
    • 风力发电是世界上发展最快的绿色能源技术，陆地风电场建设在快速发展的同时，占地面积大、噪声污染等问题逐渐显现出来，使得陆上风能的开发受到一定的限制。由于海上丰富的风能资源和当今技术的可行性，海洋将成为一个迅速发展的风电市场。相比陆上风电，海上风况明显好于陆地，渗流较小，空间较大，空气污染和噪声污染小，利于开发设计。但是，海上风电的前期投资较大，在选择实施风电机组的基本结构模型，风电机组的运输及其中后期维护方面的技术难度较大，因此，积极探讨海上风电的技术问题对于海上风力资源的开发、设计和应用具有重要的现实意义。 海上风电技术 1可靠性的重要性 海上风电机组运行环境复杂、严酷，高运维、成本竞价、平价上网竞争环境使得业主期望海上风电设备的更高可靠性、更好发电性能；风电设备制造商渴望产品少维修、终生免维等；电网希望不停机，同时输出稳定。因此，可以看出，提高产品质量可靠性成为行业的共同愿望和追求。 一般来说，海上风电在运行过程中失效的形式有很多种。叶片在极限、疲劳载荷下变形损伤、裂纹扩展、拆斯坠落、风机倒塔；电气设备在高温、低混、湿热、盐雾、砂尘等环境下短路、斯路、失效、失火；齿轮箱、轴承、螺栓等关键件的振动、过载、开裂等。以某风电场在四年间出现的失效和故障为例，如图所示，可以看出电气系统、叶片/变桨装置和传感器出现故障次数最多；控制系统、齿轮箱和电气系统故障时间最多。   图1 某风电场故障统计 2风电可靠性设计 一般来说，海上风电可靠性设计过程大概是：明确产品研制阶段的可靠性工作的内容、制定可靠性设计准则及要求(标准、规范等)并建立可靠性模型；进行系统可靠性指标的预计和分配(可靠性建模、预计、分配)；进行各种可靠性分析(故障模式影响及危害度分析、故障树分析等)；进行整机及子系统的可靠性设计。 在进行可靠性分析时，一般会将风电机设备划分为三个部分分别分析： 塔架、叶片、齿轮箱、变桨装置、偏航装置等机械结构； 控制柜、发电机、变频柜、电抗器、传感器等电气设备； 保障风电机组高效运行的硬件、软件控制系统。 对于结构设计，从工程角度来说实际相当于裕度设计，对于海上风电来说主要针对零件磨损和断裂。 图2 裕度设计流程 结构可靠性设计中常用的物理量为：载荷、材料力学特性参数、工况变化、几何尺寸、其他不确定因素(载荷简化、力学模型简化等)。据统计，机械结构破坏80%是由疲劳引起的，因此，必须重视机械结构的疲劳可靠性，充分开展疲劳可靠性设计和试验。   图3叶片强度试验 风机基础下部钢管桩直径大、入土深度深、承载力要求高，这种大直径钢管桩的承载力试验经验较少。为确保工程设计和施工的安全可靠，工程实施前需要在工程海域进行桩基承载力试验。通过现场试验，确定钢管桩的竖向和水平极限承载力，并获取土层的侧阻、端阻力和桩身的应力及变形数据，为桩基设计提供可靠的数据。海上风机桩基础承受的荷载通常都很大，如果采用传统的堆载静载法或锚桩反力静载法进行试验，需要很大的堆载量和锚桩数量，试桩成本很高。近年来出现的自平衡法为海上桩基承载力试验提供了一种新的手段。自平衡法的试验原理见图5，该方法采用在桩身内部某位置预埋加载设备，通过加载设备将桩身的一部分往上顶，另一部分向下压，同时测量桩侧和桩端的阻力。该方法利用桩身上、下两段阻力的相互平衡互为反力，免去了传统方法中的堆载或锚桩，试验费用相对低廉。 图4 自平衡法实验原理 对于电控系统的可靠性而言，具体要求如下： 在自检、启动、软切入、并网运行、停机、维护状态时，控制系统能准确、有效并及时发出指令； 在故障情况下，控制系统应能及时保护停机并显示相应的故障类型； 具备主要数据的监测功能； 机组与中心控制室应当有安全稳定的远程通信功能，中央控制室能够得到机组所有的数据，机组能够得到控制室的所有指令。 集电系统可靠性研究中常用失负荷概率、失负荷频率、失电量期望等指标描述电力系统稳定且充裕地提供所需电能的能力。但在海上风电系统并网分析中，并未有明确意义的负荷，所以海上风电集电系统可靠性分析更侧重于研究海上风电系统为主网提供有效出力的水平及出力波动水平。考虑到风机出力还受环境因素影响，若仅分析系统的故障情况，采用可用容量描述更加适宜。因此，停运表更适宜描述集电系统的故障状态。停运表是系统可能出现的容量值对应的概率频率参数的有序集合，包括确切概率（系统为某容量事件的概率）、累计概率（系统小于等于某容量事件的概率）和累计频率（系统小于等于某容量事件的频率）等等。以某停运表为例，如下图所示。 图5 集电系统可靠性分析流程 海上风电对恶劣天气的防护 海上风电场大部分工程都是离岸施工，工作场地远离陆地，受海洋环境影响较大。在建设过程中和建成后的使用期间，自然灾害风险都是其不可避免的影响因素。所以，在建设初期应充分收集海上目标风电场的自然条件资料，包括风、浪、流、潮汐、气温、降雨、雾等的历年统计资料和实测资料；根据统计和实测资料，分析影响施工的自然条件因素；通过分析统计影响施工作业的时间制定合理的施工窗口期。同时，一般海上风电项目对设备和选址具有较高的要求，在选择设备时，选择质量可靠、技术成熟、有批量运行业绩的适合机型，机型和厂家必须要有第三方认证机构技术认证，从而确保风电设备的质量。例如，当选址在浙江、广东、福建等易受台风影响的沿海区域时，风机应采用抗台风机型。在设备生产时聘请专业的监造团队，保证设备的出厂质量。最后，在可行性研究和设计阶段，需对项目建设条件进行深入细致、长期的调查、勘测、分析和方案比较。详细勘察时对每个机位采用较先进的海上孔压静力触探试验技术，提高土壤参数的准确性，保证风机基础设计安全的同时，使基础设计达到最优化。同时采用第三方认证单位对设计进行认证，保证设计的合理性。 海上风电防火预案 目前，已经并网的海上风电场在运行期间，已经发生了几起风电机组的火灾安全事故。一般来说，海上风电火灾可能发生在机舱、塔基、风场及风机变电站。目前，大多数风电机，开关装置、逆变器、控制柜、变压器等部件通常安装在发动机舱内；因此，火灾风险显著增加。同时，机舱内技术设备的高度集中和易燃材料的使用，火灾会迅速扩散，塔体上部也有被损坏的危险。如果机舱完全损坏，修复费用可能会达到风机本身的价值。而且海上风电场，由于使用特制船只、浮式起重机或电缆铺设船，相关费用相比陆上风电场大大增多。 1海上风电机组火灾的特点 通过国内外部分风电机组火灾案例加以分析研究，总结出海上风电机组火灾具有如下基本特点。 （1）大量高价值的设备高密度地集中在一个狭小的机舱里，潜在的着火源也比较集中。 （2）海上风电场一般都处在离岸10 km以外的海上，均为无人操作和值守；同时，风场塔台较高，一旦发生火灾，几乎不存在进行消防扑救的可能。 （4）随着近几年装机容量不断增加，单机容量也越来越大，转运船舶、安装浮吊船舶的调遣周期一般都较长，海上风电机组及部件的成本以及发生火灾后恢复运营的成本均在不断增加，中断运营导致的损失也越来越大。 2海上风电机组火灾预案 在设计机舱结构时，应尽量避免在机舱中使用电线和电缆连接（电缆端子通常是导致电缆着火的罪魁祸首），不可避免的电缆接头要用阻燃剂包封。对于发动机舱中的塑料电气设备，应尽可能将其放置在铁质文件柜中，即使塑料组件着火，也只能在铁制文件柜中点燃，不容易将火灾事故延伸到其他地方。在发动机舱中，可以将经过专业设计的自动灭火系统安装在发动机舱的顶部，该系统带有多个火灾事故传感器和泡沫灭火剂打印机喷嘴，一旦发生火灾，可以自动打开火警系统，自动操作灭火系统，迅速喷洒泡沫灭火剂扑灭大火，从而将火灾事故的危害降到最低。 结语 在现阶段，我国的风电厂基础建设正在积极推进，不可避免地存在很多专业性和稳定性问题。这种问题不容忽视。一个小问题很可能会导致毁灭性的安全事故。与陆上风电相比，海上风电运行环境更加极端，始终必须在潮湿、寒冷、海上、强风和耐腐蚀的条件下进行工作，并且安全系数和稳定性要求更高。因此，这显然为海上风电机组设计及其风电场选址，工程建设和运营人员提出了更加严苛的要求，有必要额外考虑海上风电场在独特环境中的稳定性问题，从而确保海上风电健康发展，真正确保在问题发生之前就进行预防，着眼于长期。
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