海上风电加速器系列回顾 | 风机基础设计

22 八月 2019 | 深度分析
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海上风电加速器(OWA)计划是碳信托(Carbon Trust)运营的产业协作研发和技术示范旗舰项目。该计划旨在通过降低成本,提高现有和未来海上风电场的可用性和效率。在过去的10年里,OWA已经启动和运营了150多个创新项目,为海上风电降本增效做出了重要贡献。

在海床上为任何设施打基础都是具有挑战性且成本昂贵,风电基础在海上风电场投资成本(CAPEX)占到了16%。原因在于很多变量会影响基础设计的形式和成本,比如水深、海底条件、与陆地的距离、风场规模和是否需要针对不同风机位置进行定制设计等等。成本压力和技术难关使得基础设计成为海上风电降本增效的关键。风机基础领域研究聚焦在降低风力涡轮机结构从制造到退役的生命周期成本。OWA开展了多样化的项目以推动风机基础创新。

图片来源:Carbon Trust

 

风机基础创新竞赛

面对风机基础带来的挑战,OWA在2009年在全球范围内发起了风机基础设计竞赛(Foundation Design Competition),探索能为下一代海上风电场提供低成本的创新设计。竞赛聚焦于过渡水深区域(30到60米),要求提交的基础设计方案在这一水域降低传统风机基础形式的成本。设计方案可以对风机基础设计在制造、安装、运维和/或退役阶段进行优化,从而达到降低成本的目的。

最终我们收到了来自全球超过100件的参赛方案,筛选了最有潜力的设计进入决赛。每件决赛作品都阐释了一种不同的创新基础设计形式,多数聚焦在如何将钢结构安装到海床上。入围参赛方案中脱颖而出的的四项获胜设计是:

  • GBF——浮沉重力基础结构(float-and-sink gravity base structure)。该设计使用了一个崭新的想法,并有潜力减少制造和安装成本, 实现较少复杂的焊接和模块化安装的结构。
  • Keystone Engineering——向内导向扭曲结构(IGBS,inward guided batter structure)支架基础,该设计配套一个桅杆被安装在在Hornsea Round 3水域
  • Universal Foundation ——吸力桶基础(Monobucket),已与两个桅杆一起被安装在Dogger Bank Round 3水域。该设计基于一个创造性的原理,利用吸力而不是传统的打桩来固定风机基础在海底的结构。该方案通过在海底放置一个倒扣的桶状结构并抽出桶内海水,借助海水压力将桶推入海底。这种方式不需要打桩操作,便能有效地进行安装。
  • SPT Offshore——吸力桶管架结构。这项设计与Monobucket利用相同的原理,但选择使用三桶而不是单桶形式。该方案最终被Ørsted接受并被应用在位于Borkum Riffgrund的一个示范项目。

作为OWA自主项目一部分,Monobucket被安装在Dogger Bank

图片来源:Forewind/Universal Foundation

 

PISA-桩土分析

结构桩土壤分析(Pile Soil Analysis, PISA)是一个研究项目,旨在探索单桩在不同土壤和环境条件下的应用,以改进设计方法,降低制造成本。 PISA项目汇集了学术界、工业界、测试机构和认证机构的精英,由Ørsted支持,OWA进行项目管理。 合作伙伴包括牛津大学,伦敦帝国理工学院和ESG等。该项目的重点是更新原有针对海上油气结构桩的保守落时的设计。这些设计标准显然不适用于海上风电大直径、小距离的单桩设计。该项目涉及在两个不同的陆上站点进行的28个单桩的大规模现场测试,其最新方法有潜力将单桩的嵌入长度(地下钢量)减少1/3。这是一项令人瞩目的成功。第二个后续项目也已经启动,希望该方法应用于更广泛的土壤条件,使它能够被广泛地应用。

 

水下检查方法

风机基础研究也扩展其关注领域至一些操作性问题,如对现有结构的检查。 OWA的一项研究着眼于水下检查方法,尤其是检查方法中海上风电行业面临的全新和特有的挑战挑战。该研究确定了许多技术空白。针对这些空白, OWA于2017年7月启动了一项竞赛,以发现可以探测钢结构中特定缺陷的新技术。

用于海上风电的吸风沉箱基础:设计指南

碳信托于2019年发布了《吸力安装沉箱基础设计指南》,为行业提供了清晰的海上风电吸力沉箱基础设计的指导。该指导汇集了最新的研究发现,总结了采用此类基础需要考虑的关键因素,同时为工程师提供了优化设计效率和成本效益的操作支持。

该指南是由一个专家作者团队代表OWA撰写的,该团队由地质技术咨询公司Cathie Associates牵头,由牛津大学(University of Oxford)和SPT Offshore的学科专家组成。OWA合作伙伴的参与确保了指南符合开发商的期望,并能够广泛适用于不同地质条件下的海上风电项目。

通过以上技术创新和研究,海上风电基础得以进一步优化,新水域开发和成本降低成为了可能,使我们更加接近海上风电普及的绿色未来。

 

相关具体信息及下载:

OWA十年十项最具影响力的风机基础创新 - https://www.carbontrust.com/our-clients/f/foundation-design/

碳信托吸力桶基础设计指南介绍 - https://www.carbontrust.com/news/2019/02/suction-caisson-foundation-guidelines/

碳信托吸力桶导架设计指南下载 - https://www.carbontrust.com/resources/guides/renewable-energy-technologies/suction-installed-caisson-foundations-design-guidelines/

基础安装:降低成本和基础安装风险 - https://www.carbontrust.com/our-clients/f/foundation-installation/

投入650万英镑的低成本风机基础进入实验阶段 - https://www.carbontrust.com/news/2014/06/6-5m-trial-of-new-low-cost-offshore-wind-foundation-to-commence-summer/

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