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主管:住房和城乡建设部

主办:中国勘察设计协会

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SACS助美国首家海上风力发电场

 

-Keystone 使用SACS 软件优化导管架基础设计,将设计周期时间缩短一半并将安装成本降低20%

 

降低罗得岛居民的能源成本


深海风能发电公司是位于普罗维登斯罗得岛的领先海上风力开发商,他们承担了价值2.9 亿美元的布洛克岛风力发电场项目,以便降低罗得岛的电力成本。作为美国的首家商业风力发电场,该项目展示了海上风力作为美国海岸城市的替代能源资源的可行性。Keystone Engineering (Keystone) 受邀为5个6 兆瓦风力涡轮发电机设计导管架基础结构。

 

Keystone 使用Bentley 软件公司的SACS 软件来简化与风机厂商(Alstom) 的沟通,并对深海平台的复杂空气动力和流体动力载荷属性进行建模。Bentley数据可互用的灵活海上设计和分析软件可帮助设计团队为多个设计迭代创建同时模拟,从而缩短设计周期,并且能够优化支撑结构设计的重量和强度,以帮助降低安装成本。

 

清洁能源,节省开支


海上风力不仅是一种清洁能源,而且与天然气和核能相比价格更具竞争力,目前美国已向海上风力发电投入1000 亿美元。相比陆上风力发电场,海上风力发电场具有风力资源更强、更可靠的优势。深海风能发电公司提倡采用已在石油天然气行业中经过检验的海上平台技术,在离海岸数英里的深海建设风力发电场,这些发电场从陆地几乎看不到,但可以为主要人口中心输电。

 

深海风能发电公司在欧洲的海上风力发电场大获成功,此后又瞄准了从罗得岛海上提供具有价格竞争力的能源的商机。布洛克岛风力发电场距离美国大陆15 英里,距离布洛克岛海岸3 英里。它通过海底电缆为布洛克岛上的大约17,000 户家庭提供30 兆瓦电力。由于岛上的超高电力成本(目前是美国其他地方的4倍到5倍),海上风力发电场预计将为布洛克岛居民降低40% 的能源成本,并降低目前使用的柴油发电所产生的二氧化碳和其他有害气体排放。

 

风力和波浪载荷


设计团队的一大挑战在于动态的风机载荷与基础结构所受的波浪风载的耦合。设计需要考虑空气动力和流体动力载荷的联动效应,包括极端载荷工况,例如故障停机工况和极端飓风工况。为了计算载荷、对疲劳性能进行建模,并使承受各种载荷的平台的设计使用寿命达到20 年以上,Keystone 团队采用了Bentley 的海上设计和分析软件SACS。


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石油天然气模型


作为深海风力涡轮发动机支撑结构的创新设计解决方案,Keystone 团队采用了通常用于石油天然气行业的钢质导管架基础设计。Bentley SACS 使Keystone 能够设计复杂的导管架结构以及节点连接,从而取代只能在水深较浅的海上风力发电场使用的典型单桩混凝土基础。

 

为了与风电机组设计人员协作,Keystone 依赖于SACS DNV GL 的风机模拟工具Bladed 交互的功能。团队可以因此优化总体结构的设计并确保安全运行。SACS Bladed 的数据互用性实现了模拟模型数据的传输,确保模型匹配。

 

同时模拟


设计团队在5台可以全天候连续运行10天的24核计算机上,对高达19米的波浪和8个方向的风力(速度从2 58 /秒)执行了2,334 次模拟、3,000万个时间步长和25种载荷工况(包括运行、风暴、启动、关闭、故障、维护和安装)。SACS 使Keystone 能够简化模拟的设计和分析,并精确管理TB 的项目数据,以最大限度降低错误率。

 

Keystone 使用SACS 为每次设计迭代执行了超过3,000 次时间域模拟,并行执行了超过150 次模拟。与典型的欧洲海上风力发电项目相比,将周期时间缩短了50%SACS Bladed 的功能也用于对结构的频率进行微调,使其可在各种风速和海洋水文状况下运行,从而最大限度地提高收益。涡轮运行速度的回避频带会导致在涡轮的生命周期中高达50% 的生产损失。

 

降低安装成本


Keystone 利用了专为海上石油天然气行业开发的技术,以满足导管架基础的复杂设计标准。迭代过程优化了导管架设计,并减少了基础结构所需的钢材量,同时确保设计使用寿命超过20年。因此,布洛克岛风力发电场使用的导管架,与先前设计用于英国北海的同一款风力涡轮发电机的导管架基础相比,重量减少15%。与传统单桩结构相比,优化设计还将安装成本减少了20% 以上,并且可以抵抗飓风般的大风。

 

Bentley 数据可互用的综合软件能确保与风机厂商有效合作,从而加快精确建模,在项目过程中产生创新的设计解决方案。

 

节省未来开支


布洛克岛风力发电场证明了设计和装配流程的有效性,展示了美国海上风力发电场的经济可行性,将会降低未来海上风力发电项目的成本。向深海领域的这一创举为深海风能发电公司计划的1,000 兆瓦海上风力发电场铺平了道路,该发电场将位于他们从联邦政府租赁的更远的海上。该项目是美国新兴行业的一个先例,它可促进基础设施开发,在大幅扩展就业机会的同时降低能源成本。海上风力发电构成了多元化能源组合的一部分,将有助于保护消费者不受燃料价格上涨的影响,并减少化石燃料用于发电时所产生的碳排放。