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一、前言
海洋風(fēng)電是構(gòu)建現(xiàn)代能源結(jié)構(gòu)體系、實現(xiàn)“雙碳”愿景、推進海洋強國戰(zhàn)略的重要支撐。我國風(fēng)電裝機總?cè)萘恳丫邮澜缡孜?，在陸上風(fēng)電場資源開發(fā)進一步受限、沿海地區(qū)新能源需求持續(xù)增長的背景下，海上風(fēng)電裝機成為新的重要增長點。2030年，我國海上風(fēng)電裝機容量約為1.5×108 kW，將構(gòu)成推進能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、應(yīng)對氣候變化的主導(dǎo)力量之一。近年來，近海風(fēng)資源受航道、海域空間等的限制趨緊，近海風(fēng)資源開發(fā)利用逐步接近飽和狀態(tài)；而我國擁有豐富的深遠(yuǎn)海風(fēng)資源，總量約為1.3×109 kW，是近海風(fēng)資源的兩倍以上，可支持海洋風(fēng)電的大型化、規(guī)模化發(fā)展。為此，海上風(fēng)電將向深遠(yuǎn)海挺進，發(fā)揮深遠(yuǎn)海風(fēng)資源豐富穩(wěn)定、環(huán)境影響小的優(yōu)勢，拓展新的開發(fā)潛力?！丁笆奈濉笨稍偕茉窗l(fā)展規(guī)劃》（2021年）將深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電明確為重點支持方向，提出推動深遠(yuǎn)海風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新、開展海上新型漂浮式基礎(chǔ)風(fēng)電機組示范、推進新型基礎(chǔ)的使用和深遠(yuǎn)海風(fēng)電的降本增效等重點任務(wù)，以促進能源結(jié)構(gòu)改革及產(chǎn)業(yè)升級，提升海洋經(jīng)濟競爭力。
我國深遠(yuǎn)海風(fēng)資源開發(fā)面臨客觀存在的挑戰(zhàn)。國內(nèi)浮式風(fēng)電技術(shù)發(fā)展起步較晚，直到2021年才實現(xiàn)首個海上風(fēng)電平臺的商業(yè)運營，相關(guān)技術(shù)能力與國際先進水平存在不小的差距。在地緣性海洋權(quán)益競爭加劇的背景下，浮式風(fēng)電發(fā)展需求更顯迫切，而部分關(guān)鍵核心技術(shù)依然存在瓶頸環(huán)節(jié)。此外，我國深遠(yuǎn)海環(huán)境具有特殊性，如高波陡極端波浪較多、臺風(fēng)頻發(fā)、海床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電開發(fā)設(shè)計難度高，難以直接沿用歐洲的深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)模式。亟需開展適應(yīng)我國海洋環(huán)境條件的深遠(yuǎn)海風(fēng)電技術(shù)體系研發(fā)并培育配套的產(chǎn)業(yè)鏈，才能提高海洋風(fēng)資源的自主開發(fā)能力，加快海洋綠色能源轉(zhuǎn)型。
發(fā)展深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電，可借鑒固定式支撐結(jié)構(gòu)海上風(fēng)電、深水浮式油氣平臺的相關(guān)技術(shù)，而我國在深水油氣開發(fā)領(lǐng)域具有良好的技術(shù)積累，自主設(shè)計和制造了一系列具有國際先進水平的海洋浮式生產(chǎn)平臺，如“深海一號”能源站、“海洋石油122”圓筒型浮式生產(chǎn)儲油輪（FPSO）。深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)在電力系統(tǒng)、浮體設(shè)計、系泊系統(tǒng)、海上安裝、動態(tài)電纜、運行維護等方面與深水油氣開發(fā)存在大量的技術(shù)重疊，但浮式風(fēng)電機組相較深水浮式油氣平臺更高更柔，對強風(fēng)等動力荷載更為敏感，導(dǎo)致振動問題尤為突出。此外，固定式海上風(fēng)電機組在浮式技術(shù)方面的適用性有待驗證，導(dǎo)致浮式風(fēng)電開發(fā)進展遲緩。因此，借鑒深水油氣開發(fā)技術(shù)并計及深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)的特殊性，開展高性能、經(jīng)濟型浮式平臺和系泊系統(tǒng)設(shè)計，浮式風(fēng)力機系統(tǒng)的運動抑制，完善的一體化仿真與設(shè)計工具鏈，智能建造與運維等研究，推動深遠(yuǎn)海風(fēng)電直接和間接相關(guān)技術(shù)的移轉(zhuǎn)、關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展壯大，將是我國深遠(yuǎn)海風(fēng)資源開發(fā)實現(xiàn)快速追趕的可行路徑。
突破深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電發(fā)展的技術(shù)瓶頸、構(gòu)建經(jīng)濟高效的海上風(fēng)電體系，兼具理論探索和工程應(yīng)用價值。本文立足國內(nèi)外深遠(yuǎn)海風(fēng)電發(fā)展態(tài)勢，總結(jié)我國深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，探討解決相關(guān)技術(shù)問題的研究思路和方法，辨識我國深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)技術(shù)方向，提出促進深遠(yuǎn)海風(fēng)電技術(shù)攻關(guān)的策略，為深遠(yuǎn)海風(fēng)電創(chuàng)新鏈、產(chǎn)業(yè)鏈高質(zhì)量發(fā)展提供前瞻參考。
二、深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)分析
（一）國外深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀
歐洲在深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)方面一直處于領(lǐng)先地位，2023年的新增浮式風(fēng)電裝機容量為37 MW，約占全球新增裝機容量的80%；截至2023年年底，歐洲浮式風(fēng)電累計裝機容量>200 MW，約占全球總裝機容量的90%。歐洲浮式海上風(fēng)電實現(xiàn)從單臺樣機示范到初步規(guī)?；虡I(yè)應(yīng)用的跨越式發(fā)展，以蘇格蘭Hywind浮式海上風(fēng)電場、挪威Hywind Tampen風(fēng)電場、西班牙DemoSATH浮動海上風(fēng)電項目等為代表。然而，全球投入運營的浮式風(fēng)電以示范性項目為主，成熟的商業(yè)化案例較少，在海上風(fēng)電總裝機規(guī)模中的占比偏小。為了推進深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電的降本增效，相關(guān)機構(gòu)提出了多種新設(shè)計概念，如新型結(jié)構(gòu)材質(zhì)與支撐形式、經(jīng)濟型系泊系統(tǒng)、新型發(fā)電機組等，但多處于設(shè)計與驗證階段，技術(shù)成熟度尚不足以支撐商業(yè)化應(yīng)用。
在現(xiàn)階段，歐洲的商業(yè)化深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電仍以經(jīng)過驗證的單立柱平臺（Spar）型、半潛型為主，而張力腿平臺（TLP）浮式風(fēng)力機僅在法國海域開展了工程示范驗證；正在積極布局深遠(yuǎn)海項目，預(yù)計2025年的遠(yuǎn)海風(fēng)電（離岸距離>70 km）裝機容量可達10 GW。美國、韓國、日本發(fā)布了容量較為可觀的浮式風(fēng)電規(guī)劃，如美國計劃2035年完成15 GW浮式風(fēng)電安裝、韓國計劃2030年前完成6 GW浮式海上風(fēng)電投產(chǎn)、日本正在實施120 MW浮式風(fēng)電示范項目。
（二）我國海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀
我國深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電發(fā)展起步較晚，但在“十三五”“十四五”行業(yè)發(fā)展規(guī)劃以及“雙碳”目標(biāo)推動下發(fā)展迅速。截至2024年第三季度，我國海上風(fēng)電累計建成的并網(wǎng)容量達到40 GW，約占全球總?cè)萘康?0%。未來10年，我國將進一步擴大海上風(fēng)電的開發(fā)規(guī)模。然而，受制于技術(shù)、成本等因素，我國海上風(fēng)電項目集中在近海淺水區(qū)，而深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)的累計裝機容量僅為數(shù)十兆瓦（僅占全球總?cè)萘康?0%），遠(yuǎn)低于固定式海上風(fēng)電的規(guī)模。為此，“十四五”行業(yè)發(fā)展規(guī)劃明確提出，加快深遠(yuǎn)海風(fēng)電技術(shù)發(fā)展，加大對浮式風(fēng)電示范項目的政策支持力度。整體上，我國海上風(fēng)電特別是深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電具有廣闊的開發(fā)前景。
面對復(fù)雜的深遠(yuǎn)海環(huán)境，大型化的浮式風(fēng)力機具有更高的發(fā)電效率、更低的度電成本，成為必然的技術(shù)發(fā)展趨勢，由此引發(fā)了風(fēng)電機組、浮式基礎(chǔ)的大型化。作為海上風(fēng)電系統(tǒng)核心的風(fēng)電機組，單機容量已從前期的5 MW提升至當(dāng)前的20 MW，以整機規(guī)模的跨越式發(fā)展驅(qū)動風(fēng)力機基礎(chǔ)、電纜、安裝、運維等方面成本的有效降低。在這一發(fā)展過程中，國內(nèi)企業(yè)和機構(gòu)掌握了風(fēng)力機組控制一體化、荷載優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)，提高了整機和主要部件的制造水平，實現(xiàn)了風(fēng)電技術(shù)從引進、消化吸收到自主創(chuàng)新。例如，中車啟航新能源技術(shù)有限公司研制的“啟航號”20 MW浮式海上風(fēng)電機組，風(fēng)輪直徑約為260 m、輪轂高度約為151 m，應(yīng)用了智能化、系統(tǒng)模塊化、全鏈協(xié)同化等關(guān)鍵技術(shù)，在常規(guī)運行和極端工況下具有良好的平穩(wěn)性與安全性。
在現(xiàn)階段，我國海上風(fēng)電項目集中在近海淺水區(qū)。為了適應(yīng)海上風(fēng)電走向深遠(yuǎn)海的發(fā)展形勢，需要借鑒海上油氣平臺方面的成熟經(jīng)驗，開展深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電多類基礎(chǔ)形式的應(yīng)用研究。我國投產(chǎn)的深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)力機基礎(chǔ)形式以半潛型為主（見表1），高性能、經(jīng)濟型的TLP型基礎(chǔ)也獲得廣泛關(guān)注。我國浮式風(fēng)電的開發(fā)模式有并網(wǎng)開發(fā)、離網(wǎng)供電兩類（見表2）。以陸上風(fēng)力機設(shè)計經(jīng)驗、近海固定式風(fēng)力機建設(shè)經(jīng)驗為基礎(chǔ)的浮式海上風(fēng)電開發(fā)模式主要適用于近岸項目，而深遠(yuǎn)海風(fēng)能開發(fā)模式需要持續(xù)探索和積累。離網(wǎng)供電、多能協(xié)采是現(xiàn)階段國內(nèi)漂浮式風(fēng)電實現(xiàn)盈利開發(fā)的有益探索，如中國海洋石油集團有限公司借鑒深水工程經(jīng)驗，建設(shè)了水深>100 m、離岸距離>100 km的離網(wǎng)深水浮式風(fēng)力機示范項目（“海油觀瀾號”），實現(xiàn)海上風(fēng)電與海上油氣多能協(xié)采。此外，突破跨海輸電技術(shù)以滿足深遠(yuǎn)海的電力遠(yuǎn)距離輸送要求，模塊化多級變頻器、電能存儲系統(tǒng)、非并網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)等技術(shù)可為深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電場的開發(fā)模式提供新思路。
表1 我國投產(chǎn)的漂浮式風(fēng)力機樣機項目
表2 我國漂浮式風(fēng)電開發(fā)模式對比
我國海上風(fēng)電發(fā)展迅速、前景廣闊，對于深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)而言則是挑戰(zhàn)與機遇并存。我國浮式風(fēng)電已由科研探索階段轉(zhuǎn)入生產(chǎn)示范階段，但整體規(guī)模較小、基礎(chǔ)平臺型式較為單一、運維成本顯著高于傳統(tǒng)的固定式風(fēng)電，尚未實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化。近年來，浮式風(fēng)電在技術(shù)研發(fā)方面取得了一些進展，但整體上發(fā)展滯后、體系不夠完善；浮式風(fēng)力機機理性研究有待深入開展并通過系統(tǒng)性的實驗驗證，浮式風(fēng)力機一體化耦合與迭代優(yōu)化、海洋極端環(huán)境下浮式基礎(chǔ)總體設(shè)計與優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。
我國海上風(fēng)電開發(fā)整體上處于創(chuàng)新鏈培育階段，而高端產(chǎn)業(yè)鏈尚未完全建立；行業(yè)可持續(xù)、有序發(fā)展面臨挑戰(zhàn)，海上風(fēng)電價格補貼機制的退出加劇了這一態(tài)勢。國內(nèi)海上風(fēng)電整機市場競爭激烈，投資開發(fā)環(huán)境嚴(yán)峻，致使關(guān)鍵產(chǎn)品質(zhì)量的長期可靠性面臨風(fēng)險；熱點開發(fā)區(qū)域存在隱性“門檻”，不利于行業(yè)優(yōu)勢企業(yè)公平參與市場競爭，影響海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展；海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)開發(fā)缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃與協(xié)同機制，研究課題重復(fù)立項、企業(yè)重復(fù)研發(fā)現(xiàn)象突出，未形成技術(shù)攻關(guān)合力；海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系尚不成熟，風(fēng)力機組與浮式基礎(chǔ)設(shè)計存在界面劃分，一體化設(shè)計優(yōu)化難以實現(xiàn)；建造、安裝、施工、運維技術(shù)及相關(guān)設(shè)備緊缺，導(dǎo)致海上風(fēng)電開發(fā)項目的實施難度和綜合成本增加。
（三）我國深遠(yuǎn)海風(fēng)電發(fā)展面臨的困難和技術(shù)挑戰(zhàn)
我國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的未來在深遠(yuǎn)海，但漂浮式風(fēng)電技術(shù)仍處于由樣機示范到小批量商業(yè)化示范的初級發(fā)展階段，深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)存在的困難主要體現(xiàn)在以下方面。① 海上風(fēng)電項目的審批核準(zhǔn)流程相對復(fù)雜，政策的滯后性與連續(xù)性并存，相關(guān)影響評估體系不完善，需要優(yōu)化政策機制，保障深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)健康有序發(fā)展。② 深遠(yuǎn)海風(fēng)資源分布不均、海況復(fù)雜，存在高風(fēng)險概率的臺風(fēng)、高波陡極端波浪等，對浮式風(fēng)電機組技術(shù)裝備要求高，需要突破機組、基礎(chǔ)、系泊、建造、運維等一系列技術(shù)瓶頸。③ 浮式風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈長、關(guān)聯(lián)度高，浮式風(fēng)力機的總裝受限于近岸碼頭和航道水深，使設(shè)計范圍受限，新型系泊產(chǎn)品、快速安裝裝備等高端配套產(chǎn)品的供應(yīng)能力尚待完善。④ 我國綜合電價較歐洲、周邊國家偏低，對深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)的經(jīng)濟性要求更高，而浮式風(fēng)電造價高、距離商業(yè)化大規(guī)模開發(fā)仍有相當(dāng)?shù)牟罹?，全面的降本增效成為迫切需求?/span>
我國可商業(yè)化應(yīng)用的浮式風(fēng)電技術(shù)體系尚未形成，深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電開發(fā)的技術(shù)挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在以下方面。① 單機裝機容量逐步加大，槳葉、塔體等風(fēng)力機主要結(jié)構(gòu)更為大型化、柔性化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系在風(fēng)浪流等動力荷載作用下的振動問題愈發(fā)突出，伴生了浮體縱搖與槳葉變槳耦合失穩(wěn)、負(fù)阻尼效應(yīng)下浮式風(fēng)力機控制系統(tǒng)失穩(wěn)、長柔槳葉的氣動彈性、固定式海上風(fēng)電組在浮式結(jié)構(gòu)中的適用性等技術(shù)問題。② 浮式基礎(chǔ)是深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)力機穩(wěn)定運行的關(guān)鍵支撐，隨著浮式基礎(chǔ)的大型化，浮體剛度假定不再適用，流固耦合作用更加復(fù)雜，帶來了非線性程度增加，旋轉(zhuǎn)槳葉、塔體、基礎(chǔ)平臺耦合共振等問題，對大型浮式基礎(chǔ)在復(fù)雜海洋環(huán)境荷載下的穩(wěn)性、可靠性構(gòu)成了挑戰(zhàn)，向風(fēng)力機槳葉、控制系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)等部件的設(shè)計可靠性提出了更高要求。③ 海上風(fēng)電運維技術(shù)水平不匹配海上風(fēng)電建設(shè)規(guī)模，風(fēng)電裝備智能化水平不高，大型組件的海上故障維修與更換技術(shù)未能突破，大型運維裝備等資源存在不足，不適應(yīng)未來深遠(yuǎn)海風(fēng)電大規(guī)模開發(fā)的需求。
三、深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電技術(shù)攻關(guān)剖析
（一）科學(xué)問題辨析
1. 浮體運動條件下大型風(fēng)力機氣動荷載演變機理
浮式風(fēng)力機的槳葉趨向輕質(zhì)化、長柔化發(fā)展，在復(fù)雜海洋環(huán)境下的氣動問題更顯突出。細(xì)長柔性槳葉在旋轉(zhuǎn)離心力、交變氣動荷載的作用下可能發(fā)生突然偏轉(zhuǎn)以適應(yīng)氣動荷載的變化，但這種偏轉(zhuǎn)可能不穩(wěn)定，進而導(dǎo)致槳葉失效或損壞。浮式平臺在浪流作用下會產(chǎn)生復(fù)雜的動態(tài)響應(yīng)，可能加劇上述不穩(wěn)定現(xiàn)象；浮式平臺的小幅運動會因塔體的高柔特性而引起風(fēng)力機的大幅運動，使風(fēng)力機槳葉的動態(tài)特性變得更加顯著。特別地，浮式平臺運動會導(dǎo)致槳葉拍擊風(fēng)輪尾跡場，致使槳葉與高度不穩(wěn)定的尾跡場耦合，甚至引發(fā)氣動載荷大幅波動，影響風(fēng)力機的運行安全與發(fā)電效率。此外，浮式平臺的周期性運動會導(dǎo)致氣動載荷的周期性變化，將增大浮式風(fēng)力機運行的不確定性。
需要探究浮式風(fēng)力機槳葉與風(fēng)輪尾跡的耦合機制，發(fā)展高效的風(fēng)力機氣動性能分析方法，研究浮式平臺運動對大型浮式風(fēng)力機槳葉繞流場、風(fēng)輪尾跡、葉片彎矩、風(fēng)輪推力的作用機制及影響規(guī)律，揭示浮式平臺運動條件下大型浮式風(fēng)力機氣動荷載的演變機理，建立高效、高置信度的氣動載荷預(yù)測方法，確保浮式風(fēng)力機系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運行。
2. 高波陡條件下半潛型基礎(chǔ)的運動抑制機理
中國海洋石油集團有限公司對南海環(huán)境條件開展了超過20年的監(jiān)測與分析，發(fā)現(xiàn)南海海域特別是深水區(qū)域的極端波浪呈現(xiàn)外海長周期涌浪與本地風(fēng)浪疊加、極端波浪由臺風(fēng)控制且波陡大、能量集中度高等特點。在高波陡條件下，浮式平臺易產(chǎn)生與波高線性相關(guān)的一階運動、與波高的平方成正比的二階運動。實踐表明，浮式平臺的二階運動總體貢獻度>50%，成為威脅浮式平臺長期安全服役的重要因素。對波致振動敏感的半潛浮式風(fēng)力機，極端條件下的動力運動更加復(fù)雜，縱搖運動和機艙加速度應(yīng)滿足補充的設(shè)計要求。
需要針對半潛浮式風(fēng)力機的服役要求，結(jié)合南海海域極端波浪的高波陡特性，研究二階波浪載荷作用下半潛浮式風(fēng)力機的運動響應(yīng)特性，探討穩(wěn)性高、縱搖固有周期與一階縱搖的相互影響機制（見圖1），建立高波陡條件下半潛浮式風(fēng)力機的縱搖抑制方法和相關(guān)設(shè)計準(zhǔn)則，確保極端波浪作用下半潛浮式風(fēng)力機仍能維持良好的縱搖運動特性。
圖1 半潛平臺低頻縱搖與穩(wěn)性高的非線性關(guān)系
3. 張力腿式基礎(chǔ)與葉片轉(zhuǎn)動激勵共振機理
TLP通過垂向的系泊張力平衡平臺浮體產(chǎn)生的超額浮力來保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，廣泛應(yīng)用于深水油氣開發(fā)，全球在役和在建的TLP共有近30座。TLP具有半順應(yīng)性、半剛性的運動性能，在縱蕩、橫蕩、首搖3個水平面內(nèi)的運動固有周期遠(yuǎn)小于波浪主能量的周期范圍；在張力腿浮筒承受波浪力的較大水平分量作用下，通過張力腿在水平面內(nèi)的柔性實現(xiàn)平臺3個水平面內(nèi)的運動，表現(xiàn)為順應(yīng)性；在縱搖、橫搖、垂蕩3個垂直面內(nèi)運動的固有周期遠(yuǎn)小于波浪主能量的周期范圍，較大的張力腿預(yù)張力使3個垂直面內(nèi)（縱搖、橫搖、垂蕩）的運動較小，表現(xiàn)為半剛性，從而使TLP呈現(xiàn)出優(yōu)異的水動力性能（見圖2）。
圖2 浮式油氣平臺固有頻率與波浪能量關(guān)系
注：1P表示葉片轉(zhuǎn)動頻率；3P表示3倍葉片通過頻率。
對于張力腿浮式油氣平臺，共振現(xiàn)象主要體現(xiàn)在風(fēng)浪環(huán)境載荷與系泊系統(tǒng)的耦合振動上，相關(guān)的振動響應(yīng)求解方法、工程設(shè)計軟件、水池試驗較成熟。而在浮式風(fēng)電領(lǐng)域，張力腿式基礎(chǔ)不僅需要應(yīng)對風(fēng)浪環(huán)境載荷激勵，而且需要考慮固有周期<5 s的多種高頻共振成分，如風(fēng)力機葉輪3P、塔筒1階固有頻率、葉片1階固有頻率、基礎(chǔ)縱搖／橫搖固有頻率、垂蕩固有頻率等。為此，張力腿浮式風(fēng)電機組仿真分析應(yīng)采用一體化全耦合技術(shù)，以充分掌握共振響應(yīng)特性并揭示共振機理。在此基礎(chǔ)上，研究避免或者抑制張力腿浮式風(fēng)力機高頻共振的設(shè)計方法，以更好指導(dǎo)實際工程設(shè)計；采用一體化全耦合方法，分析張力腿浮式基礎(chǔ)系泊的張力響應(yīng)譜，以直觀展示此類基礎(chǔ)與風(fēng)力機之間的復(fù)雜共振特性（見圖3）。
圖3 張力腿式風(fēng)電機組系泊張力響應(yīng)譜
4. 風(fēng)場與波流場高精度保真測試技術(shù)
一體化縮尺模型試驗是驗證浮式風(fēng)力機性能和經(jīng)濟可行性的有效方法，可提供較數(shù)值模擬、硬件在環(huán)測試更加可靠的結(jié)果，有利于在高成本海試前發(fā)現(xiàn)并解決潛在的技術(shù)問題。然而，模型中的風(fēng)力機、浮體具有不同的相似準(zhǔn)則（表征風(fēng)力機空氣動力學(xué)特性的雷諾數(shù)相似準(zhǔn)則、表征浮體水動力特性的弗勞德數(shù)相似準(zhǔn)則），難以在同一個物理場中實現(xiàn)氣動力、水動力的精確匹配模擬，引發(fā)氣動 ? 水動荷載失調(diào)的問題。
浮式風(fēng)力機的物理模型試驗系統(tǒng)需要以修正或等效的浮式風(fēng)力機模型氣動載荷為基礎(chǔ)，主要分為全實物模型試驗、基于數(shù)值浮體的半實物模型試驗、基于數(shù)值風(fēng)輪的半實物模型試驗。① 以性能相似風(fēng)輪為基礎(chǔ)的全實物模型試驗，可較好地模擬風(fēng)場旋轉(zhuǎn)采樣效應(yīng)、陀螺效應(yīng)、氣動荷載的動態(tài)特性匹配度等，但嚴(yán)重依賴造風(fēng)風(fēng)場的模擬能力、精細(xì)化的風(fēng)輪模型設(shè)計能力。② 基于數(shù)值風(fēng)輪的半實物模型試驗以驗證水動力特性為目的、以水池試驗為手段，采用近似方法進行模擬，犧牲風(fēng)洞實驗中常用的雷諾數(shù)相似準(zhǔn)則，僅保證風(fēng)力發(fā)電機組的載荷相似。③ 基于數(shù)值浮體的半實物模型試驗忽略弗勞德數(shù)相似準(zhǔn)則，而側(cè)重驗證風(fēng)力機氣動性能特性。
然而，這3類方法忽略了風(fēng)電機組與浮式基礎(chǔ)之間的動力耦合，難以真實反映浮式風(fēng)力機的動力響應(yīng)特性，無法支撐浮式基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化、風(fēng)電機組控制策略優(yōu)化；不同物理場條件下數(shù)據(jù)實時交互與耦合存在瓶頸，需要采取新技術(shù)手段予以突破；均以風(fēng)輪氣動載荷匹配為約束準(zhǔn)則，面向大型浮式風(fēng)力機的適應(yīng)性存在局限。因此，建立風(fēng)場與波流場協(xié)同的縮尺測試?yán)碚撘约跋鄳?yīng)的高精度保真測試技術(shù)，成為未來浮式風(fēng)力機試驗測試技術(shù)的攻關(guān)方向。
（二）關(guān)鍵技術(shù)問題梳理
1. 大型浮式風(fēng)力機高效保真氣動建模技術(shù)
良好的空氣動力學(xué)特性是確保大型浮式風(fēng)力機安全可靠并提升發(fā)電效率的關(guān)鍵。由于受到浮式平臺的影響，大型浮式風(fēng)力機的氣動性能趨于復(fù)雜，如浮式平臺的運動可引起槳葉的非定常效應(yīng)（呈現(xiàn)高度動態(tài)和非線性特征）甚至失速風(fēng)險，也會增強槳葉與風(fēng)輪尾跡的耦合效應(yīng)，造成氣動載荷發(fā)生較大波動，顯著影響風(fēng)力機的運行安全。需要采用精細(xì)的數(shù)學(xué)模型和高效的計算方法，以精確捕捉浮式風(fēng)力機的非定?？諝鈩恿W(xué)特性，進而可靠預(yù)測不同工況下的氣動荷載和輸出功率。
非定?？諝鈩恿W(xué)數(shù)值模擬方法主要分為葉素動量理論方法（BEM）、渦流理論方法（FVM）、計算流體力學(xué)方法（CFD）。BEM建模簡單、計算效率高，但依賴工程修正模型，計算精度相對低，特別是對強陣風(fēng)、浮式平臺振蕩、復(fù)雜尾流狀態(tài)等非定常因素的模擬精度不足。FVM的計算精度和適應(yīng)性優(yōu)于BEM，可精確捕捉槳葉與風(fēng)輪尾跡的耦合效應(yīng)，但難以描述復(fù)雜運動狀態(tài)下風(fēng)力機槳葉表面的分離流動、強三維流動特性。CFD方法可以較為真實地捕捉平臺運動狀態(tài)下浮式風(fēng)力機局部翼型繞流、風(fēng)輪尾跡的動態(tài)演化特征，但建模復(fù)雜、計算量大、成本高，難以支持浮式風(fēng)力機氣動性能的優(yōu)化與控制。
需要發(fā)展現(xiàn)有的數(shù)值分析方法，開展浮式風(fēng)力機非定常氣動特性試驗技術(shù)研究，開發(fā)實時監(jiān)測系統(tǒng)，建立基于物理 ? 數(shù)據(jù)驅(qū)動的高效浮式風(fēng)力機氣動分析模型；深入揭示浮式平臺運動條件下風(fēng)輪非定常氣動特性、氣動荷載變化規(guī)律、動態(tài)尾跡演化特性，進而提高浮式風(fēng)力機的設(shè)計水平和運營成效。
2. 大型浮式風(fēng)力機一體化耦合分析及迭代優(yōu)化技術(shù)
增加風(fēng)力機的單機容量、風(fēng)輪直徑、塔體高度，以更高的發(fā)電利用小時數(shù)更好地捕捉深遠(yuǎn)海高空穩(wěn)定的風(fēng)資源，據(jù)此提高海上風(fēng)電開發(fā)的經(jīng)濟性并實現(xiàn)降本增效。風(fēng)力機大型化、深遠(yuǎn)?；呛Ｉ巷L(fēng)電資源開發(fā)的發(fā)展趨勢，推動浮式基礎(chǔ)朝著大型化方向發(fā)展。相較小型浮式基礎(chǔ)，大型浮式基礎(chǔ)具有良好的穩(wěn)定性和耐波性，但剛體假設(shè)不再適用，即在波浪作用下可能產(chǎn)生復(fù)雜的動力響應(yīng)，因而需要考慮浮式基礎(chǔ)的剛度、模態(tài)對整機模態(tài)及水動力載荷的影響。大型浮式基礎(chǔ)在復(fù)雜海洋環(huán)境荷載作用下需有高的穩(wěn)定性和可靠性，才能保障浮式風(fēng)力機的長期安全穩(wěn)定運行。浮式風(fēng)電機組作為多物理場、多體非線性耦合動力系統(tǒng)，需采用一體化耦合方法進行模擬（見圖4），以捕捉氣動力、結(jié)構(gòu)彈性、風(fēng)力機控制、浮體水動力、系泊系統(tǒng)的非線性耦合特性，準(zhǔn)確模擬浮式風(fēng)電機組的動力響應(yīng)。
圖4 浮式風(fēng)電一體化耦合方程
工程中主要采用分離式設(shè)計方法，由提供主機和塔筒的海上風(fēng)電整機廠家、提供浮式基礎(chǔ)（浮體、系泊系統(tǒng)）的設(shè)計單位進行交互式迭代。對于固定式海上風(fēng)電，整機廠家與設(shè)計單位采用相對成熟的法蘭交界面等效疲勞載荷迭代方法進行優(yōu)化，但該方法在浮式風(fēng)電領(lǐng)域的適應(yīng)性較差。因此，采用一體化耦合方式成為全行業(yè)的傾向性發(fā)展方向。國內(nèi)風(fēng)電行業(yè)依然存在“卡點”：整機廠家對外不開放風(fēng)力機數(shù)據(jù)，通常獨立完成浮式風(fēng)電一體化耦合仿真分析；相關(guān)載荷再傳遞至設(shè)計單位，由設(shè)計單位進行浮式基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化。在這一過程中，整機廠家應(yīng)用的設(shè)計軟件側(cè)重風(fēng)力機和塔筒，而對浮式基礎(chǔ)的水動力、系泊系統(tǒng)仿真能力不足，難以準(zhǔn)確反映浮式基礎(chǔ)的動力響應(yīng)，也就影響一體化耦合設(shè)計的準(zhǔn)確性和效率。
深遠(yuǎn)海風(fēng)資源的經(jīng)濟性開發(fā)價值明確，漂浮式風(fēng)電降本需求凸顯。中國海洋石油集團有限公司結(jié)合深遠(yuǎn)海浮式設(shè)施方面的工程經(jīng)驗，提出了風(fēng)電機組設(shè)計重構(gòu)技術(shù)，在半潛、TLP風(fēng)力機研究中基本解決了整機廠家風(fēng)力機核心數(shù)據(jù)不對外開放的“卡點”，也認(rèn)為當(dāng)前的風(fēng)電機組設(shè)計缺乏對浮式基礎(chǔ)運動特性的深入了解而致載荷預(yù)報存在誤差。
3. 浮式風(fēng)力機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞時域分析技術(shù)
浮式風(fēng)力機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的疲勞響應(yīng)直接受到風(fēng)力機載荷、波浪載荷、基礎(chǔ)運動的耦合作用，頻域響應(yīng)涉及多個頻率范圍（如波浪頻率、運動頻率、風(fēng)力機葉輪轉(zhuǎn)動頻率、風(fēng)力機塔筒固有頻率），呈現(xiàn)非窄帶譜特征，導(dǎo)致傳統(tǒng)的頻域疲勞分析方法不再適用。然而，非傳統(tǒng)的頻域疲勞分析方法（如Dirlik方法）在浮式風(fēng)力機上的應(yīng)用尚不成熟，難以支持工程實踐。
需要采用時域疲勞分析技術(shù)作為浮式風(fēng)力機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計的核心方法，以綜合考慮風(fēng)載荷、波浪載荷、基礎(chǔ)運動的耦合作用對結(jié)構(gòu)疲勞損傷的影響。浮式風(fēng)力機基礎(chǔ)的時域結(jié)構(gòu)疲勞分析主要有兩種思路：在一體化耦合分析的基礎(chǔ)上，考慮時域內(nèi)風(fēng)力機、波浪、系泊、慣性載荷之間的傳遞關(guān)系，通過時域結(jié)構(gòu)分析獲得時域疲勞應(yīng)力響應(yīng)，再推導(dǎo)出疲勞損傷和壽命，整體計算效率偏低；將風(fēng)力機載荷與其他載荷分開考慮，即采用時域方法計算風(fēng)力機載荷造成的疲勞損傷、利用傳統(tǒng)頻域方法計算其余部分的疲勞損傷，再疊加得到總的疲勞損傷，整體計算效率較高。
4. 大型浮式風(fēng)力機系統(tǒng)的運動抑制技術(shù)
浮式風(fēng)力機的大型化發(fā)展驅(qū)動風(fēng)電結(jié)構(gòu)的柔性化，致使結(jié)構(gòu)體系在復(fù)雜海洋環(huán)境動力荷載作用下的振動問題更為突出。結(jié)構(gòu)控制技術(shù)可有效抑制浮式風(fēng)力機系統(tǒng)的運動，延長風(fēng)力機的服役壽命并提高運行效率：在浮式風(fēng)力機系統(tǒng)中增加結(jié)構(gòu)振動控制器，減少浮式風(fēng)力機系統(tǒng)中不利的振動，實現(xiàn)系統(tǒng)的運動抑制和振動控制。減振裝置調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）適用于浮式風(fēng)力機的槳葉、塔體以及浮式平臺的減振控制，但TMD附加質(zhì)量大、運動行程遠(yuǎn)，在安裝空間受限的風(fēng)力機系統(tǒng)中難以普及應(yīng)用。浮式風(fēng)力機具有寬頻和非平穩(wěn)振動特性，而TMD減振頻帶窄，實際的控制效果有限。
可引入慣容器，通過較小的物理質(zhì)量即可實現(xiàn)較大的表觀質(zhì)量。利用慣容器輕質(zhì)、放大的特性，在基本不改變結(jié)構(gòu)物理質(zhì)量的前提下進行慣性的靈活調(diào)整和頻率調(diào)節(jié)，進而提高慣容器的減振性能。對于具有寬頻振動特征的浮式風(fēng)力機系統(tǒng)，慣容器的控制適應(yīng)性有待進一步研究，目前多為理論分析，缺乏試驗驗證和工程應(yīng)用。浮式風(fēng)力機具有大幅平臺運動、結(jié)構(gòu)非線性振動耦合的特點，對結(jié)構(gòu)控制設(shè)計提出了較高要求，需要設(shè)計更加精細(xì)和高效的控制策略。
5. 深水系泊疲勞分析技術(shù)
系泊系統(tǒng)事關(guān)深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電在復(fù)雜海洋環(huán)境下的安全穩(wěn)定運行，動力響應(yīng)受上部風(fēng)力機結(jié)構(gòu)運動、浮體運動、風(fēng)輪轉(zhuǎn)動、波流荷載等的顯著影響，面臨疲勞損傷、技術(shù)經(jīng)濟性等方面的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的系泊設(shè)計分析主要以準(zhǔn)靜態(tài)模型、有限元模型、細(xì)長桿模型為基礎(chǔ)。準(zhǔn)靜態(tài)模型采用懸鏈線理論，適用于淺水系泊工況，但難以計及深水系泊的動剛度特性。有限元模型將系泊等效為集中質(zhì)量 ? 剛度單元，可模擬系泊在張緊、高頻運動下的響應(yīng)特征以及局部的應(yīng)力疲勞損傷，但計算量大，難以支持實時仿真或快速響應(yīng)的需求。細(xì)長桿理論將系泊模擬為具有彈性和任意幾何形狀的桿件，可捕捉系泊在不同荷載下的響應(yīng)特征與張力疲勞情況，但分析精度依賴系泊繩為連續(xù)介質(zhì)的假設(shè)，忽略了橫向和局部的復(fù)雜效應(yīng)。
值得指出的是，現(xiàn)有的系泊設(shè)計分析方法難以模擬系泊單元的平面內(nèi)／外彎曲疲勞損傷，浮式風(fēng)力機上部結(jié)構(gòu)引起的高頻振動、二階和頻波浪力可能誘發(fā)的系泊共振等顯現(xiàn)，導(dǎo)致系泊疲勞壽命預(yù)測精度不佳。需要發(fā)展適用性強，兼顧分析精度、計算效率的系泊抗疲勞設(shè)計分析技術(shù)，開發(fā)抗疲勞性能優(yōu)異的新型系泊材料，以滿足深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電對系泊安全性和經(jīng)濟性的要求。
6. 高可靠性動態(tài)電纜分析技術(shù)
動態(tài)電纜用于傳輸電能和信號，承受復(fù)雜的海洋環(huán)境作用，易出現(xiàn)張拉、彎曲、扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜變形，是浮式風(fēng)力機與海底輸電系統(tǒng)之間的關(guān)鍵連接部件。特別是在風(fēng)浪流長期循環(huán)載荷、浮式基礎(chǔ)耦合以及腐蝕的作用下，動態(tài)電纜易產(chǎn)生彎曲疲勞損傷甚至斷裂。常用的動態(tài)電纜分析方法是有限元方法、多體動力學(xué)方法。有限元方法可以計及動態(tài)電纜的非線性特征（如材料、幾何、接觸非線性），準(zhǔn)確捕捉應(yīng)力集中、局部疲勞特性，但難以處理動態(tài)電纜的大范圍運動（如漂移、懸垂大變形）。多體動力學(xué)方法將動態(tài)電纜簡化為多個剛性或柔性單元，建模簡單、計算效率高，支持快速分析動態(tài)電纜的整體運動特性，但難以捕捉非線性和局部特性。
有限元、多體動力學(xué)方法具有分析能力互補優(yōu)勢，結(jié)合后可兼顧動態(tài)電纜的整體動力學(xué)特性快速評估、局部關(guān)鍵部位精細(xì)化分析，將成為未來動態(tài)電纜可靠性分析的重要手段。也需開發(fā)新型和智能材料，發(fā)展智能化參數(shù)優(yōu)化設(shè)計、檢測與故障診斷技術(shù)，逐步構(gòu)建高柔性、抗疲勞、耐腐蝕的高可靠性動態(tài)電纜技術(shù)體系，以切實增強復(fù)雜海洋環(huán)境下動態(tài)海纜的服役可靠性。
7. 浮式風(fēng)力機錨固基礎(chǔ)承載力分析技術(shù)
半潛型、TLP型浮式風(fēng)力機基礎(chǔ)通常需要配置多個高成本的系泊錨固基礎(chǔ)。為了探索降本增效，共享錨固基礎(chǔ)開始應(yīng)用至半潛型基礎(chǔ)、TLP型基礎(chǔ)的概念設(shè)計方案。對于半潛型風(fēng)力機基礎(chǔ)，系泊錨基礎(chǔ)的水平抗力是決定在位性能的主要控制因素。TLP風(fēng)力機基礎(chǔ)采用垂直系泊系統(tǒng)，豎向抗力成為在位性能的主要控制因素。共享錨受到多向的復(fù)雜荷載作用，在位性能、設(shè)計方法同單根系泊纜的系泊基礎(chǔ)存在明顯差異，受力模式更為復(fù)雜。
需要形成面向風(fēng)力機 ? 浮體 ? 系泊 ? 錨固基礎(chǔ)的一體化耦合分析方法，研究多向靜荷載和循環(huán)荷載作用下錨固基礎(chǔ)與地基土體的相互作用，分析抗水平、抗拔錨固基礎(chǔ)的承載機理與破壞模式，支持錨固基礎(chǔ)設(shè)計方案優(yōu)化。進一步提高錨固基礎(chǔ)的抗水平、抗拔性能，增強浮式平臺在復(fù)雜海洋環(huán)境下的穩(wěn)定性，建立智能監(jiān)測和控制技術(shù)，拓展深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)力機錨固基礎(chǔ)技術(shù)體系，為錨固基礎(chǔ)設(shè)計提供依據(jù)。
8. 浮式風(fēng)力機先進材料開發(fā)與測試技術(shù)
半潛型、TLP型的浮式風(fēng)力機，其基礎(chǔ)多為鋼結(jié)構(gòu)。浮式基礎(chǔ)尺寸進一步加大，對經(jīng)濟性、耐久性、可靠性的要求越來越高。以混凝土結(jié)構(gòu)作為浮式基礎(chǔ)具有較好的經(jīng)濟性和耐腐蝕性，但重心偏高導(dǎo)致俯仰運動更明顯，可能因承受較高的塔基荷載、機艙加速度而引發(fā)波致疲勞或損壞。因此，開展輕質(zhì)高強混凝土、高性能復(fù)合材料的研發(fā)與測試，是未來浮式風(fēng)力機基礎(chǔ)方面的重要技術(shù)方向。
在系泊系統(tǒng)材料方面，國內(nèi)服役的半潛型浮式風(fēng)力機均采用傳統(tǒng)的錨鏈或者錨鏈與鋼纜組合，如系泊鋼纜首次應(yīng)用于FPSO、浮式風(fēng)力機系泊項目。然而，錨鏈、鋼纜的質(zhì)量相對大，不利于提高浮式平臺的性能，材料成本也較高。纖維系泊纜成本低、密度小、可提供較大的恢復(fù)力，開始在海洋油氣平臺的系泊系統(tǒng)中獲得應(yīng)用，也成為浮式風(fēng)力機的應(yīng)用趨勢之一。對于浮式風(fēng)力機系泊纜繩采用的纖維材料，需要應(yīng)用綜合性能測試技術(shù)，優(yōu)選高強度、低蠕變、耐磨、抗紫外線的纖維材料；在保障浮式風(fēng)力機系泊系統(tǒng)在位安全的基礎(chǔ)上，減少纖維系泊纜海上安裝和張緊流程，降低安裝施工的資源需求，提升作業(yè)安全性。
9. 浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)大規(guī)模定制技術(shù)
深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)電機組的大型化、定制化發(fā)展趨勢明確，安裝費用在相關(guān)項目總投資中的占比將逐步降低。結(jié)合當(dāng)前試點項目的良好進展，預(yù)計未來5年我國深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)電將進入商業(yè)化推廣階段。為此，需要建立浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的大規(guī)模定制技術(shù)，與大兆瓦、定制化風(fēng)電機組相匹配，利于開展規(guī)?；ㄔ?、集成、拖航、安裝。
針對各類海域環(huán)境，采用一體化耦合分析技術(shù)，確定與大兆瓦定制化風(fēng)電機組相匹配的浮式基礎(chǔ)類型，開展兼顧結(jié)構(gòu)輕量化與強度的一體化基礎(chǔ)強度設(shè)計；解決設(shè)計多樣性與環(huán)境適配性問題，形成適應(yīng)不同海域、大型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計分析模塊。突破模塊化生產(chǎn)瓶頸技術(shù)，構(gòu)建浮式基礎(chǔ)模塊化、同步化、智能化的制造與裝配能力，形成包含前端設(shè)計、后端制造與裝配在內(nèi)的全鏈條定制技術(shù)，利于大批次合攏組裝、風(fēng)力機集成以及多座浮式基礎(chǔ)成批次地拖航與安裝。
10. 高效集成與海上安裝回接技術(shù)
浮式風(fēng)力機單機裝機容量趨向大兆瓦級，引發(fā)海上風(fēng)電機組及結(jié)構(gòu)朝著大型化、柔性化方向發(fā)展，也使浮式風(fēng)力機的集成難度加大，對于離岸較遠(yuǎn)的深遠(yuǎn)海項目而言更是如此。工程上通常在碼頭將上部風(fēng)力機與下部基礎(chǔ)進行集成，再整體拖放至安裝地點。這一過程涉及風(fēng)電機組與浮式基礎(chǔ)安裝的靜對動、動對動問題，也需開展整體拖航分析。根據(jù)數(shù)值模擬、荷載響應(yīng)分析結(jié)果，確定海上集成安裝的可作業(yè)工況，提高安裝船性能預(yù)報的準(zhǔn)確性，再采用船體運動補償裝置、配有主動控制系統(tǒng)的舉升裝置開展集成。針對安裝過程特性，發(fā)展數(shù)值模擬、荷載響應(yīng)分析、運動控制等技術(shù)，形成海上風(fēng)電安裝短期性能預(yù)報技術(shù)，抑制風(fēng)浪流作用下葉片、安裝船、風(fēng)力機基礎(chǔ)之間的相對運動，減少高柔風(fēng)力機結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。開發(fā)適應(yīng)大型浮式風(fēng)力機的新型安裝船，保障深遠(yuǎn)海風(fēng)電規(guī)模化開發(fā)需求。復(fù)雜海況下的長距離拖航顯著影響浮式風(fēng)力機系統(tǒng)的運動狀態(tài)，精確捕捉拖航運動中風(fēng)力機的非線性振動特性、托纜繩的動態(tài)效應(yīng)等是關(guān)鍵內(nèi)容；需要建立浮式風(fēng)力機 ? 拖纜繩 ? 拖船一體化的拖航系統(tǒng)數(shù)值模型，進行不同拖航方式下拖航系統(tǒng)的穩(wěn)性和安全性分析。
浮式風(fēng)力機海上安裝回接流程操作復(fù)雜，對安裝精度要求高；半潛型基礎(chǔ)相對簡單且風(fēng)險較低，而TLP風(fēng)力機需要與拖航進行統(tǒng)籌考慮。可考慮僅具有拖航穩(wěn)性、采用錨機實現(xiàn)系泊系統(tǒng)的回接張緊及平臺吃水調(diào)整，也可考慮采用臨時浮筒來同步確保安裝回接期間的穩(wěn)性，通過壓排載調(diào)節(jié)風(fēng)力機吃水實現(xiàn)系泊系統(tǒng)的回接及預(yù)張力調(diào)整（需要設(shè)計安全可靠、易于拆卸的臨時浮筒與風(fēng)力機基礎(chǔ)的連接方式）。國內(nèi)的安裝操作經(jīng)驗積累不足，安裝技術(shù)應(yīng)用風(fēng)險較高，需要對安裝回接過程開展一體化耦合仿真分析論證，以明確合適的安裝回接海況及方式。
11. 深遠(yuǎn)海風(fēng)電海上智慧運維技術(shù)
目前國內(nèi)浮式風(fēng)電運維存在諸多難點問題；浮式風(fēng)電處于從單機示范到規(guī)?；O(shè)計的發(fā)展過程，運維應(yīng)用場景和工程經(jīng)驗不足，運維技術(shù)體系不夠完善；機位可達性差，可作業(yè)船只少，運維裝備無法滿足深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電的運維要求；浮式風(fēng)電系統(tǒng)的大部件更換通常采用拖航回港口的方式，成本較高、技術(shù)難度偏大。在海上風(fēng)電場的全生命周期成本構(gòu)成中，運維費用占比約為20%。深遠(yuǎn)海域的浮式風(fēng)電場離岸距離較遠(yuǎn)，人員可達性差，惡劣的風(fēng)浪等環(huán)境條件導(dǎo)致人員可駐留時間短；我國東南沿海地區(qū)易受臺風(fēng)影響，增加了人員安全的風(fēng)險。傳統(tǒng)的風(fēng)電運維方式以“人員”為核心，效率和可靠性等存在不足，因而開展風(fēng)電運維體系的數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型（見圖6）較為迫切。本研究結(jié)合中國海洋石油集團有限公司在深水油氣運維、浮式風(fēng)電開發(fā)方面的工程經(jīng)驗，提出了浮式風(fēng)電智慧運維總體方案構(gòu)想：以涵蓋機組、核心部件的全域感知智能監(jiān)測系統(tǒng)為基礎(chǔ)，監(jiān)測機艙與平臺運動、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)應(yīng)力、螺栓預(yù)緊力、潤滑油品、傳動鏈震動、腐蝕電位、柔性結(jié)構(gòu)振動等，發(fā)展海上浮式風(fēng)電裝備智能控制技術(shù)體系，構(gòu)建故障在線診斷與預(yù)測及主動響應(yīng)系統(tǒng)，建立包含集控中心、智能決策、智能生產(chǎn)管理在內(nèi)的預(yù)防性智慧運維體系，以提升運維效率并降低運維成本。
圖6 海上風(fēng)電運維數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型示意圖
（三）基礎(chǔ)軟件能力瓶頸
1. 浮式風(fēng)力機一體化耦合設(shè)計分析軟件
浮式風(fēng)力機系統(tǒng)較為復(fù)雜，內(nèi)部各模塊之間存在強耦合作用，不宜直接采用各模塊獨立進行分析的處理方式。例如，直接采用固定式風(fēng)電機組載荷作為浮式基礎(chǔ)動力響應(yīng)的輸入，將會忽略基礎(chǔ)運動對風(fēng)力載荷的影響，造成結(jié)構(gòu)運動與機組載荷不同步，引起分析結(jié)果的偏差；這些偏差受海洋環(huán)境條件影響較大，難以直接量化，可能會誤導(dǎo)風(fēng)電系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化方向。需將浮式基礎(chǔ)、風(fēng)力機組置于同一系統(tǒng)，開展同步建模，進行一體化分析，才能準(zhǔn)確把握浮式風(fēng)電系統(tǒng)的動力響應(yīng)特性。
當(dāng)前，浮式風(fēng)力機一體化分析多采用浮體模塊、風(fēng)力機組模塊之間進行實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶幚矸绞?，而以油氣平臺為代表的傳統(tǒng)浮式結(jié)構(gòu)、陸上固定式風(fēng)電機組的動力分析理論及數(shù)值工具均較為成熟。在此背景下，浮式風(fēng)力機一體化分析的關(guān)鍵在于融合水動力、風(fēng)力機組的計算方法；兩方面獨立計算并進行數(shù)據(jù)實時傳遞，可對雙頭機、共享系泊等復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行耦合分析。① 最初用于固定式風(fēng)力機組分析的軟件，在引入水動力及系泊模塊后實現(xiàn)一體化耦合分析功能，如OpenFAST軟件中的HydroDyn、MoorDyn模塊。② 最初用于油氣平臺等傳統(tǒng)浮式結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析的軟件，引入風(fēng)力機組分析模塊而形成風(fēng)力機氣動分析能力，如Orcaflex軟件中的氣動分析程序AeroDyn。③ 通過創(chuàng)建界面方式可實現(xiàn)一體化耦合分析功能，如FAST軟件整合到AQWA軟件的子程序user_force中，在FAST、AQWA獨立計算的基礎(chǔ)上，經(jīng)由user_force界面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳遞。
盡管上述做法解決了一體化分析工具的可用性問題，但相關(guān)模塊開發(fā)尚不成熟、整合不夠完善，在功能完備性、分析準(zhǔn)確性、計算效率上遠(yuǎn)未達到成熟水平，仍需結(jié)合工程實際需求進行持續(xù)性的改進和提升。
2. 實時數(shù)字孿生系統(tǒng)
深海風(fēng)電平臺遠(yuǎn)離陸地，長期在惡劣的海洋環(huán)境下服役，安全運營更多依賴自身的結(jié)構(gòu)安全性。數(shù)字孿生作為海洋開發(fā)智能化轉(zhuǎn)型的重要支撐技術(shù)，可在保障深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電安全和可持續(xù)開發(fā)方面發(fā)揮積極作用。
實時孿生技術(shù)通過構(gòu)建系統(tǒng)機理模型并結(jié)合現(xiàn)場可測數(shù)據(jù)、海洋氣象預(yù)報數(shù)據(jù)，形成矢量化的風(fēng)電平臺荷載模型，繼而通過數(shù)據(jù)反演進行平臺在役參數(shù)的實時修正，在數(shù)字空間中同步重構(gòu)真實風(fēng)電平臺，建立機理性數(shù)字孿生體，實現(xiàn)風(fēng)電平臺預(yù)測預(yù)警、物性參數(shù)評估、船體姿態(tài)控制等智能化運維保障功能。相關(guān)技術(shù)應(yīng)用得到的集合分析結(jié)果，直接支持設(shè)計參數(shù)優(yōu)化，串聯(lián)起浮式風(fēng)力機方案設(shè)計、現(xiàn)場作業(yè)保障等工程環(huán)節(jié)；也可通過機理性模型開發(fā)，解決目前簡化模型、機器學(xué)習(xí)存在的低可解釋性、弱泛化能力等問題。需要注意到，受制于海洋環(huán)境的非穩(wěn)態(tài)特征、平臺弱模態(tài)特征等因素，現(xiàn)階段的深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電實時孿生系統(tǒng)存在反演理論不完善、控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)性差等問題，仍需開發(fā)并集成新的理論和技術(shù)，才能滿足深遠(yuǎn)海風(fēng)電智能化發(fā)展要求。
四、深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電技術(shù)發(fā)展方向探析
（一）不同型式浮式風(fēng)力機的發(fā)展方向
漂浮式風(fēng)電基礎(chǔ)具有4種基本類型：駁船型、Spar型、半潛型、張力腿型（見表3）。駁船型式建造簡單，可進行整體拖航安裝，但運動性能較差，不適應(yīng)深遠(yuǎn)海惡劣的環(huán)境條件。Spar型式建造簡便但安裝復(fù)雜，需要大水深的遮蔽海域來進行扶正作業(yè)、風(fēng)力發(fā)電機組與基礎(chǔ)的集成作業(yè)，不適應(yīng)我國產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展、航道、海域等條件。張力腿浮式風(fēng)力機的在位性能接近固定式風(fēng)力機，整體發(fā)電量更高，相應(yīng)的系泊纜覆蓋面積小、布置簡潔，電纜抗疲勞特性更好，易于布置送出走向。綜合來看，半潛型、張力腿型浮式風(fēng)力機是我國漂浮式風(fēng)電的主要發(fā)展方向。
表3 不同類型浮式風(fēng)力機基礎(chǔ)的特點
對比5.5 MW半潛浮式風(fēng)力機、16 MW半潛浮式風(fēng)力機、16 MW張力腿浮式風(fēng)力機的用鋼量組成（見表4）可見：隨著單機容量的增加，鋼材利用率由5 MW水平的800 t/MW下降至16 MW水平的350 t/MW，綜合建設(shè)成本由5萬元/kW下降至2.3萬元/kW；下降后的綜合建設(shè)成本接近廣東地區(qū)的固定式風(fēng)力機平價上網(wǎng)成本（1.5~1.8萬元/kW），賦予了小規(guī)模商業(yè)化開發(fā)的條件。如果僅考慮一次性建設(shè)投入，現(xiàn)階段張力腿浮式風(fēng)力機的建設(shè)成本已與半潛浮式風(fēng)力機基本相當(dāng)；而張力腿浮式風(fēng)力機的用鋼成本更低，加之規(guī)模化開發(fā)可共享安裝資源，表明降低安裝成本的前景良好。
表4 百米水深16 MW風(fēng)力機建設(shè)用鋼量對比
浮式風(fēng)力機的裝機容量不斷升高，搭載的塔筒、槳葉等部件規(guī)模相應(yīng)增大，伴生的高頻振動、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等問題進一步顯現(xiàn)。為此，一些創(chuàng)新型風(fēng)力機結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生。例如，在單一浮式基礎(chǔ)上搭載多個風(fēng)力機，可提高整體裝機容量；采用桁架、拉索等結(jié)構(gòu)加強傳統(tǒng)形式的塔筒，可克服塔筒柔性過大的問題。針對傳統(tǒng)浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的改進工作也在持續(xù)開展，如增加立柱以支持多塔筒結(jié)構(gòu)等。整體來看，發(fā)展新型浮式風(fēng)電結(jié)構(gòu)有望攻克現(xiàn)有的技術(shù)瓶頸，但成熟度普遍不足，多處于概念設(shè)計及驗證階段。
（二）浮式風(fēng)力機共性技術(shù)發(fā)展方向
漂浮式風(fēng)電的規(guī)模化發(fā)展，重在降本增效。面向全產(chǎn)業(yè)鏈高質(zhì)量發(fā)展需求，辨識出浮式風(fēng)力機共性技術(shù)發(fā)展方向，據(jù)此加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，實質(zhì)性提升漂浮式風(fēng)電開發(fā)的技術(shù)經(jīng)濟性。提出適合我國海域環(huán)境、產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展條件的浮式風(fēng)力機基礎(chǔ)方案，攻克制約我國漂浮式風(fēng)電商業(yè)化面臨的技術(shù)難題，是本領(lǐng)域先進技術(shù)發(fā)展的目標(biāo)牽引。
1. 提高浮式風(fēng)電總體設(shè)計能力
掌握大型浮式風(fēng)力機的非定?？諝鈩恿W(xué)特性，揭示風(fēng)力機葉片 ? 風(fēng)輪尾流耦合機理。開發(fā)葉片顫振抑制技術(shù)，構(gòu)建精確氣動載荷計算和發(fā)電性能預(yù)測技術(shù)。形成大型浮式風(fēng)力機葉片設(shè)計體系，支持開展大型浮式風(fēng)力機的基礎(chǔ)設(shè)計研發(fā)，構(gòu)建高效一體化耦合分析方法，明晰大型機組的極限載荷與運行疲勞載荷。優(yōu)化浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式，科學(xué)降低船體用鋼量并提高鋼材利用率。結(jié)合海洋環(huán)境特點、特定海域惡劣海況下浮式平臺的運動作用機理，開展浮式風(fēng)力機總體優(yōu)化設(shè)計，有效降低系泊纜數(shù)量與安裝成本。發(fā)展高保真模型試驗技術(shù)，支持風(fēng)電機組與浮式基礎(chǔ)的耦合測試，反映接近真實條件下的整體動力響應(yīng)特性，為總體設(shè)計優(yōu)化、方案驗證提供堅實基礎(chǔ)。
2. 研制國產(chǎn)關(guān)鍵產(chǎn)品
加快關(guān)鍵部件產(chǎn)品的國產(chǎn)化進程，以耐疲勞高性能鋼材和玻璃纖維等新型材料、新型低成本系泊纜的研發(fā)與測試、關(guān)鍵系泊部件研制等為布局重點，加快突破快速系泊連接張緊裝置、高效安裝機具、新型系泊定位錨等關(guān)鍵部件，構(gòu)建適應(yīng)中長期發(fā)展需求的漂浮式風(fēng)電產(chǎn)品鏈。同步推動高端產(chǎn)品國產(chǎn)化進程，攻關(guān)深海環(huán)境適應(yīng)性材料與智能監(jiān)測系統(tǒng)集成技術(shù)，通過模塊化設(shè)計、數(shù)字化制造提升供應(yīng)鏈韌性，增強產(chǎn)業(yè)核心競爭力，實現(xiàn)低成本、高可靠替代，促進配套產(chǎn)業(yè)鏈升級。
3. 研發(fā)核心工業(yè)軟件
國內(nèi)工業(yè)部門采用的設(shè)計軟件基本依賴國外產(chǎn)品，如漂浮式風(fēng)電耦合分析商業(yè)軟件DNV Sima、Orcaflex、OpenFAST等。國內(nèi)高校和科研院所開發(fā)了系泊系統(tǒng)、浮體運動、風(fēng)力機載荷計算、耦合分析等方面的軟件／模塊，但通用性有待加強、適應(yīng)性需要驗證。后續(xù)，可建立高校、科研院所、企業(yè)研發(fā)部門協(xié)同的發(fā)展機制，聯(lián)合研制和優(yōu)化浮式風(fēng)電通用設(shè)計軟件。嵌入我國海域環(huán)境特征和浮式平臺研發(fā)經(jīng)驗，支持風(fēng)電機組載荷、浮式基礎(chǔ)水動力、撓性部件動力學(xué)、時域一體化耦合、時域結(jié)構(gòu)強度、穩(wěn)性提升及載荷抑制等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和研究需求，掌握浮式風(fēng)力機全系統(tǒng)作用機制與設(shè)計核心技術(shù)。
4. 開展高效建造和海上安裝
加快革新漂浮式風(fēng)電建造模式及技術(shù)，采用新型建造工藝，建立模塊化、智能化建造技術(shù)流程，開發(fā)基于數(shù)字孿生的預(yù)制構(gòu)件協(xié)同設(shè)計平臺，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)組裝與質(zhì)量控制的實時動態(tài)優(yōu)化，提高建造效率、場地周轉(zhuǎn)率，促進漂浮式風(fēng)電的低成本、規(guī)模化開發(fā)；同步構(gòu)建覆蓋基礎(chǔ)制造、合攏總裝、海上運維的全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同機制，培育專業(yè)化運維保障力量。研究高效海上安裝技術(shù)工法，降低對大型安裝資源的依賴性；研制配套工／機具，集成智能傳感與故障預(yù)測系統(tǒng)，建立極端海況下的智能操作模式，降低海上操作故障率，綜合性降低海上安裝成本。
5. 建立智能化運維技術(shù)體系
在高端運維船舶方面加大建造資源投入，開發(fā)智能化運維產(chǎn)品，構(gòu)建基于區(qū)塊鏈技術(shù)的運維數(shù)據(jù)共享平臺，實現(xiàn)備件供應(yīng)鏈與故障診斷的智能聯(lián)動，增強海上風(fēng)電設(shè)施運維的智能化水平，全面提高運維效率與可達性；同步建設(shè)近海運維母港與深遠(yuǎn)海移動補給基地網(wǎng)絡(luò)，培育專業(yè)化運維服務(wù)產(chǎn)業(yè)集群。發(fā)展浮式風(fēng)力機在線監(jiān)測技術(shù)并提高應(yīng)用水平，研發(fā)融合數(shù)字孿生與邊緣計算的壽命預(yù)測算法，建立全生命周期性能數(shù)據(jù)庫，為工程設(shè)計、運維作業(yè)優(yōu)化提供科學(xué)指導(dǎo)。研究大容量風(fēng)電機組的大部件在位安裝、檢修、更換技術(shù)，解決批量性漂浮式風(fēng)電機組長期服役面臨的關(guān)鍵技術(shù)難點。
五、深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電技術(shù)發(fā)展建議
（一）構(gòu)建深遠(yuǎn)海風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新鏈
建議優(yōu)選具有深遠(yuǎn)海風(fēng)電研發(fā)經(jīng)驗的科研院所、高校、企業(yè)，組建深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電總體設(shè)計“國家隊”。參研單位共享技術(shù)資源、實現(xiàn)優(yōu)勢互補，瞄準(zhǔn)行業(yè)發(fā)展的瓶頸技術(shù)和重點關(guān)鍵技術(shù)，形成創(chuàng)新合力，實施高質(zhì)量研發(fā)，牽頭推動我國深遠(yuǎn)海風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展。加強浮式風(fēng)力機的基礎(chǔ)理論研究、軟件系統(tǒng)研制，提高風(fēng)力機槳葉設(shè)計、空氣動力學(xué)、風(fēng)場分布等方面的理論和應(yīng)用水平，增強風(fēng)力機技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)競爭力。探索輕質(zhì)、高強、耐腐蝕的新型材料及其工程應(yīng)用，提高浮式風(fēng)力機的使用壽命并降低維護成本。開展浮式基礎(chǔ)與機組一體化設(shè)計研究，實現(xiàn)基礎(chǔ)運動與上部機組匹配控制，提升浮式風(fēng)力機的運行可靠性。開發(fā)國產(chǎn)的浮式風(fēng)力機設(shè)計軟件，建立浮式風(fēng)力機設(shè)計數(shù)據(jù)庫和仿真平臺，增強浮式風(fēng)力機設(shè)計能力。
（二）組建深遠(yuǎn)海風(fēng)電智能建造與安裝產(chǎn)業(yè)鏈
發(fā)展浮式風(fēng)電智能建造技術(shù)、浮式風(fēng)電機組及基礎(chǔ)的大規(guī)模定制技術(shù)、安裝過程精細(xì)化分析技術(shù)、高精度安裝裝備，支撐深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電的模塊化建造、智能化發(fā)展。在浮式風(fēng)電系統(tǒng)智能制造方面，突破模塊化生產(chǎn)技術(shù)，形成包含前端設(shè)計、后端制造及裝配在內(nèi)的鏈條式定制技術(shù)；完善產(chǎn)業(yè)鏈配套設(shè)施條件，建設(shè)深遠(yuǎn)海風(fēng)電裝備制造基地，提高我國裝備制造能力和水平。在浮式風(fēng)電安裝方面，發(fā)展短時波浪預(yù)測技術(shù)、整體拖航分析方法，開發(fā)配備高性能運動補償裝置、高效智能控制技術(shù)的安裝船以及高效系泊安裝回接技術(shù)，適應(yīng)大型、高柔風(fēng)力機結(jié)構(gòu)的安裝需求。
（三）拓展深遠(yuǎn)海風(fēng)電產(chǎn)業(yè)智能運維體系
運維技術(shù)與設(shè)備的先進程度直接決定復(fù)雜海況下深遠(yuǎn)海風(fēng)電系統(tǒng)長時間自主運行的可靠性。發(fā)展深遠(yuǎn)海風(fēng)電場風(fēng)功率預(yù)測技術(shù)、短時風(fēng)速預(yù)測技術(shù)、極端工況（如臺風(fēng)、海嘯）預(yù)報技術(shù)，形成面向功率、荷載、運動等目標(biāo)的控制技術(shù)能力，支持浮式風(fēng)力機運行狀態(tài)的智能調(diào)整。提升浮式風(fēng)力機結(jié)構(gòu)的智能檢測、故障診斷等技術(shù)，開發(fā)實時孿生系統(tǒng)，構(gòu)建實時監(jiān)測浮式風(fēng)電系統(tǒng)健康狀態(tài)的能力。開發(fā)高性能的抗風(fēng)浪運維船、具有自主規(guī)劃能力的水下機器人、可多機協(xié)同作業(yè)的智能巡檢無人機等智能設(shè)備，支撐深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電智能運維體系的建設(shè)和應(yīng)用。
注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。
