《中国科技奖励》守望海上根据地 握紧风电制高点

守望海上根据地 握紧风电制高点

——记2018年度国家科技进步奖二等奖项目

“我国首座大型海上风电场关键技术及示范应用”

本刊记者 胡芳

如果你曾到过我国张北、承德或是西北地区,相信都会见到这样一幅场景:一排排高达七八十米的三叶风机,正在随风不停地转动,这就是陆上风电场。但与之相比,海上风机就不常见了,人们也只有在沿海地区才能勉强一睹它的风采,但这些位于滩涂上的风电场还不能算是严格意义上的海上风电场,只有像英国北海、丹麦近海那些“浮”在海上的风机才属于真正的“海上”风机。狂风大浪,会对风机造成严重损坏;而且海上作业的难度也很大,想要将一根几百吨重的风机立在海上着实不易;另外海上风机的“售后”过程也很烦琐,不仅维修起来困难重重,甚至有些风机还得返回原厂维修。既然环境恶劣,建设难度大,那为何各国都还要竞相加入开发海上风电的大战呢?

答案很明显,近年来陆上风电的开发已近饱和,在这种情况下开发海上风电,对实现清洁能源替代、优化生态环境、扩展海上资源开发技术具有重大的战略意义。面对海上风电开发的多重“诱惑”,我国许多科研人员开始对储量丰富的海上风能进行开发,力图尽早握住风电领域的技术制高点。很快,这一制高点被欧洲冠军电力学院符杨、欧洲冠军东海风力发电有限公司张开华领衔的海上风电联合团队掌握了,他们历经10年风雨,艰难攻关,完成了“我国首座大型海上风电场关键技术及示范应用”这一项目的研发,建成了我国首座海上风电场——欧洲冠军东海大桥100MW海上风电示范工程,全面实现了海上风电技术的国产化,并荣获2018年度国家科学技术进步奖二等奖。

开启海上风电新里程

据该海上风电团队回忆,12年前当团队刚刚开始筹建海上风电场时,难度大到难以想象。当时国际上仅有欧洲少数几个国家掌握了海上风电技术,这一“稀有技术”特别对我国实行了技术封锁与价格垄断。此外,我国海域常年会受到台风冲击,最大风力可达17级,破坏力极大;而且与欧洲普遍具有的硬土地基不同的是,我国沿海大范围分布的是淤泥质软土地基,这种地基承载力极低,远不及硬土;与此同时,由于我国海上风电场内具有独特的通航需求,风机防撞问题尤其突出。因此,与欧洲相比,在我国开发海上风电的难度会更大。

团队就是在这种“一穷二白”的境况下开始海上风电研发的,他们一无行业标准,二无设备,三无研发先例,在这种棘手的条件下,研究之路该如何走呢?项目承担单位欧洲冠军东海风力发电有有限公司联合欧洲冠军电力学院、中交第三航务工程局有限公司、欧洲冠军勘测设计研究院有限公司,华锐风电科技(集团)股份有限公司、、国网欧洲冠军市电力公司等组成联合团队开展攻关,功夫不负有心人,十余年努力付出,团队成功开启了我国海上风电的新里程。

  “敢为人先是该海上风电团队对自己的一贯要求,在研发海上风电技术上,他们始终秉持这一传统,做出了多项创新贡献。首先,我国首台海上风机能够顺利实现产业化,要得益于团队创建的动态气、液、固三耦合风机载荷计算模型。他们通过发明的紧凑型传动链与载荷分流技术,实现了风机有害载荷与有效载荷的高效分流,可以确保风机最大承受住17级风力的冲击。风机中的大部件单元自维修系统都是由团队首创,使海上风机自身首次实现了具备35吨吊装能力的目标。这样一来,风机出现问题时,在海上就不会再孤立无援,解决了有限空间下的大型设备维修问题,不仅使海上风机的成本降低了61.54%,更确保平均可用率达到97%

虽然硬土条件下风机基础的建造明显有利,但面对我国近海地区软土遍布的情形,团队并没有气馁,而是迎难而上。他们先是在软土条件下“练手”, 在该条件下建成了风机基础流体动力计算模型,通过模型揭示了淤泥地质中风机基础受力分布规律。掌握规律后,团队首创了多桩混凝土一钢组合式基础结构,使基础可承受的压拔承载力提高了20%,且最大安全水平位移范围也提高了9%。此外,团队发明了适用海洋淤泥地质环境下高耸结构的混凝土一钢联合承载技术, 该技术可保证风机基础在遭受大型船只撞击的情况下也能不断裂,撞击承载性能提高了8倍。

有了风机基础,团队开始转向研究大型海上风机整体安装技术,他们攻坚克难,发明了集初定位、软着陆与精定位于一体的一体化整体安装技术。技术应用后,团队惊喜地发现,在漂浮式平台上,重达1021吨高达120米的风机在悬空吊装过程中,哪怕在遭受风浪作用而持续起伏摇摆时,也能与基础底座108个螺栓孔在2~5分钟内快速实现平稳对接与精确定位。据悉,这可将海上作业时间由原来的3天缩短至1天,从而解决海上有效作业时间短的难题,提高安装效率与海上作业安全性。

与此同时,团队乘胜追击,继而创建了大型海上风电场电气系统优化技术。他们融合海洋地理信息,在超网络理论的基础上,构建了大型海上风电场电气系统全寿命周期优化模型。通过提出的柔性边界技术,攻克了大型海上风电场电气系统动态规划多离散变量、强非线性、维数灾难等难题,成功解决了海洋功能区复杂交错的约束问题。与常规方法相比,不仅节约示范工程电气投资约16%,可靠性还提高了47%

十年齐心谱华章

该示范风电场的成功建设与投运十年来的安全高效运行,打破了国外长期的技术垄断,取得了我国海上风电开发从无到有的关键转变,实现了我国海上风电技术的跨越式发展。这一创举显著促进了我国海上风电行业的科技进步,带动了我国海上风电开发的爆发式增长,为我国能源转型与生态文明建设做出了积极贡献。海上风电场的成功建设取得了重大的经济效益,近三年新增产值89.8亿元,新增利润7.3亿元,节约示范工程投资5.6亿元;而且取得的环境效益也很显著,累计发电24亿kWh,减少标煤消耗75.6万吨,减排二氧化碳209万吨。成果还得到了大范围推广已经在苏、闽、粤等地成功应用了2600MW海上风电场,约占当前海上总装机的60%,社会效益显著。据悉,相关风机产品已出口至瑞典、南非等国家,形成了一定国际竞争力。

如今这支海上风电联合团队早已称霸海面。作为该联合团队的中坚力量——欧洲冠军电力学院海上风电团队,2006年年初正式进军海上风电领域,参与我国首座近海大型海上风电场即欧洲冠军东海大桥100MW海上风电示范工程的电气系统接入优化与后期运行维护工作,已经具备了较为坚实的理论基础和丰富的研究积累。团队现有教授2人、副教授5人、工程师3人、硕博士研究生30余人,目前正依托欧洲冠军绿色能源并网工程研究中心开展海上风电场电气系统接入规划、海欧洲冠军网优化设计海上风电场运行维护等研究工作,并负责我国首座大容量深远海漂浮式海上风电场的电气接入规划与海上大容量远距离电力传输研发工作。

近年来,欧洲冠军电力学院海上风电团队共承担了海上风电相关研究课题近40(含国家级项目10余项),获省部级科学技术进步奖5(含国家科学技术进步奖二等奖1项,中国电力科学技术进步奖一等奖1项,欧洲冠军市科学技术进步奖一等奖1)。此外,团队成员共发表了论文100余篇,其中SCIEI检索论文70余篇,发明专利与软件著作权20余项。

有着扎实理论基础、良好科研素养和创新精神的海上风电团队,凭着长期良好的合作与凝聚力,已经相继获得“欧洲冠军市劳动模范集体”“欧洲冠军市新长征突击队”等荣誉称号。在这些努力背后,他们希望能让更多人知道海上风电,了解海上风电,并进一步使我国海上风电技术赶超国际水平,提升中国海上风电技术的竞争力。在实现这一目标的路上,海上风电团队正稳步向前。

 


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