天津天易海上工程有限公司

海上风电工程公司,海上风电海缆敷设丨天津天易-凯发国际ag

2022-11-07
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近年来,随着极端气候频繁出现以及“碳达峰、碳中和”目标设定,对清洁能源的需求将会成为今后一段时间关注的焦点。而随着潮间带、近海机位逐渐饱和,风电场建设走向深远海已成为必然趋势,由陆向海、由浅到深、由固定基础到浮式平台将成为海上风电的发展趋势。浮式风电将成为继风机大型化之后,海上风电的主要降本方式,根据全球风能理事会预测,2030年全球浮式海上风电累计装机将达到16.5gw,从2026年开始,浮式海上风电将进入新增装机达到gw级商业化阶段。2022年9月15日,美国能源部、内政部、商务部和交通部联合启动了一项“浮式海上风电行动计划”(floating offshore wind shot),旨在开辟传统底部固定式风力发电装置无法到达的新区域,并推动美国在浮式海上风电设计、开发和制造方面处于领先地位。


科技前沿速递——走向深蓝的浮式海上风电


1 何为浮式风电?

浮式海上风电技术组成如下:浮式基础支撑上部风机,通过系泊系统与海床相连,关键技术包括风机、基础 系泊、动态电缆、升压换流站等。较为重要的浮式基础即可大致分为单立柱式、半潜式、张力腿式、驳船式等,半潜式大概占50%。

浮式风电的优势主要有以下几点:①拓展海上风电的使用范围,向深海、远洋扩展;②克服海床地质条件问题;③深海的风力更稳定、更强劲;④可以建设更大规模的风场;⑤减少对环境(渔业区、旅游区以及海洋生物)的影响。

浮式风电技术发展方向将围绕着以下几种方式:①风机大型化,可降低度电成本,节约基础、系泊、电缆等投资成本,提高电力可靠性;②通过计算机高精度、全耦合仿真与优化,简化安装方式;③基础新形式、新材料、新工艺应用;④与海上石油天然气实现能源一体化。通过推动海上风电与海洋牧场、海上油气、海水淡化、制氢、储能等多种资源的综合利用和融合发展,提升资源利用效率。⑤建设和运维的智能化、数字孪生技术运用。建立高度仿真的深远海浮式风电机组实时动态模型,实时更新虚拟实体与物理实体的对应关系,以达到模拟、监测、预测等目的。

2  浮式风电研究现状

国外浮式海上风电项目是单机或多机示范项目,如挪威hywind demo、葡萄牙windfloat、日本goto及fukushima forward、法国floatgen和丹麦tetraspar等。hywind scotland及wind float atlantic、法国的eolmed、groix&belle-ile、provence grand large等为小型阵列的试点项目,对于研究浮式风场尾流、布置、共享系泊等技术问题提供了很好的条件。目前唯一在建的预商业项目是95mw的hywind tampen。而我国目前建成投产的浮式海上风电项目有三峡引领号,中国海装扶摇号,但造价均超过3亿元,距离商业化大规模开发仍有较大差距。

挪威hywind 项目

世界首个海上浮式风力发电机hywind demo项目于2009年9月由挪威国家石油公司在斯塔万格海湾安装,立柱式基础,并通过三根锚索固定在海下。


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挪威hywind demo项目 资料来源:nhst.tech


在完成demo项目后,2020年10月,挪威国家石油公司equinor正式开始建造全球首个由浮式风机向石油平台供电的项目hywind tampen。项目总装机容量已升级95mw,将为挪威北海snorre和gullfaks海上油气作业平台提供每年约35%的电力需求,采用混凝土立柱式(spar)下部结构和 seasystems新型系泊系统。表1分别给出了hywind demo和hywind tampen项目主要设计参数。

表1 hywind项目参数

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日本goto和fukushima forward项目

2011年,由日本环境省启动的goto项目,是亚洲首例全尺寸浮式机组样机,位于日本的长崎县五岛市桦岛(kabashima)离岸1km、水深91m的海域,今年9月已开始继续建设16.8兆瓦的goto海上浮式风电场,成为日本首个商业化运营项目,预计于2024年1月投入使用,设计运营寿命20年。

而日本fukushima forward 浮式海上风电场是安装浮式样机型式最多的示范项目,位于距离福岛楢叶町沿岸约20km、水深约120m的海域。目前,陆续安装了1台2mw、1台7mw和1台5mw机组,并安装世界上第一个25mva的浮式海上升压站。表2分别给出了goto和fukushima forward项目项目主要设计参数。

表2 日本主要浮式风电项目参数

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中国三峡引领号和“扶摇”号

2021年7月 “三峡引领号”在广东阳江海上风电场顺利安装,位于南海海域,12月成功并网发电,场址中心离岸距离30公里,基础平台和风电机组根据50年一遇的极端风浪流工况设计,漂浮平台排水量约1.3万吨,该浮式风电机组单机容量5500千瓦,每小时满发电量可达5500度,每年可为3万户家庭提供绿色清洁能源电能。

同年12月10日,由中国海装牵头自主研发的“扶摇号”浮式风电机组浮体平台,在黄埔文冲成功下线,2022年6月5日,扎根南海琼州海峡海域顺利完工,基础平台总长72米、型宽80米、型深33米,塔筒高度78米,浮体和机组总重量超过4000吨,采用三叶片、上风向、变桨变速、三级齿轮箱增速、永磁发电机 全功率变频器的技术路线,具有高发电量、高可靠性、高安全性、高集成性和高可维性等特点。表3分别给出了三峡引领号和扶摇号项目主要设计参数。


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扶摇号  资料来源:新华社


表3 中国主要浮式风电项目参数

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其他建设中的项目

除上述进入安装运行阶段的样机项目外,近年来,一些新型浮式基础方案也逐步获得示范核准,并即将进入样机安装阶段。例如,丹麦stiesdal offshore technologies a/s 公司的tetra spar浮式方案,在2021年12月示范样机已调试完毕,锚定在挪威海岸一处200米水深的地方正式运行,主要采用立柱形态的浮式基础,带有三角形龙骨,适合100-1000 米水深。

2019年4月,西班牙的saitec宣布其获得200万欧元的欧盟资助用于建造一座1:6的2mw样机sath(swinging around twin hull),采用浅吃水双体船浮式方案。sath属于驳船 单点的形式,由四部分组成:混凝土预制的双船体,桁架支撑结构,单点系泊系统以及系泊系统和外输电缆。

2022年9月,瑞典 seatwirl 公司提出一种新的技术方案,浮动垂直轴风力涡轮机,采用的是单柱式基础,但并非简单的单柱式,而是与垂直轴风机一体化设计的旋转单柱式基础。现已与威斯康公司签署协议,在挪威建造和部署一个商业规模的1兆瓦涡轮机s2x 。

早在2017年,德国的gicon公司和美国的glosten公司就海上平台沉拉腿(海上风力发电机基础)tlp技术的开发达成战略合作关系,于2022年开始建设样机。


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几种新型海上风电浮式基础方案示意图


3 相关核心专利摘编

为更好反映浮式海上风电技术的发展,本文摘录了9条该领域的专利文献资料,具体如下:


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资料来源:

[1] 李丽旻. 漂浮式海上风电商业化再进一步[n]. 中国能源报,2022-07-11(011)

[2] 王富强,郝军刚,李帅,等. 漂浮式海上风电关键技术与发展趋势[j/ol].水力发电:1-5[2022-09-30]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1845.tv.20220812.1105.002.html

[3] 降本近40%!漂浮式海上风电“朋友圈”要火了![eb/ol]. (2021-11-23)[2022-09-30]. https://mp.weixin.qq.com/s/edlrx_azrxuxszmbjqmp0a

[4] 一文帮你快速了解——漂浮式风电 [eb/ol]. (2020-09-01)[2022-09-30]. https://zhuanlan.zhihu.com/p/210454336

[5] 漂浮式海上风电发展概述[eb/ol]. (2020-07-15)[2022-09-30].https://news.bjx.com.cn/html/20200715/1089172.shtml

来源:上海海事大学tisc

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