自從我國風(fēng)電行業(yè)開始涉足海上項目以來，“一體化設(shè)計”的概念一直被廣泛傳播。這個最初源于歐洲海上風(fēng)電優(yōu)化設(shè)計的名詞，相信無論是整機(jī)供應(yīng)商、設(shè)計院，還是業(yè)主、開發(fā)商，都在各種場合不止一次地使用或者聽到過。
而對于“一體化設(shè)計”的真正內(nèi)涵以及國內(nèi)風(fēng)電項目設(shè)計中阻礙“一體化設(shè)計”目標(biāo)實現(xiàn)的因素，并不是每個使用這個詞的人都能說得清楚，甚至很多從業(yè)者把實現(xiàn)“一體化建模”等同于實現(xiàn)“一體化設(shè)計”，對該設(shè)計解決和優(yōu)化了哪些問題也缺乏探究，不利于未來通過“一體化設(shè)計”在優(yōu)化降本上取得切實成效。
本文對當(dāng)前海上風(fēng)電行業(yè)在“一體化設(shè)計”方向上需要解決的部分客觀問題加以描述，以增進(jìn)行業(yè)對此的了解，并提出可能的研究方向。
“一體化設(shè)計”的內(nèi)容和意義
“一體化設(shè)計”是把海上風(fēng)電機(jī)組，包括塔架在內(nèi)的支撐結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)以及外部環(huán)境條件(尤其是風(fēng)況、海況和海床地質(zhì)條件)作為統(tǒng)一的整體動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析與校核，以及優(yōu)化的設(shè)計方法。運用這種方法，不僅能更全面地評估海上風(fēng)電設(shè)備系統(tǒng)的受力狀況，提升設(shè)計安全性，也能增強(qiáng)行業(yè)對設(shè)計方案的信心，不依賴于過于保守的估計保證設(shè)計安全，為設(shè)計優(yōu)化提供了空間，有利于系統(tǒng)的整體降本。
表1 相對于機(jī)組與基礎(chǔ)分離迭代設(shè)計方法，“一體化設(shè)計”關(guān)鍵指標(biāo)下降程度
根據(jù)鑒衡認(rèn)證對某5.5MW 四樁承臺機(jī)組模擬測算的結(jié)果，相比現(xiàn)有的機(jī)組與基礎(chǔ)分離迭代的設(shè)計方法，海上風(fēng)電一體化設(shè)計能夠進(jìn)一步優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)(見表1)。在平價上網(wǎng)壓力下，“一體化設(shè)計”是海上風(fēng)電行業(yè)降本的必然途徑之一。
“一體化設(shè)計”難點分析
目前，機(jī)組和基礎(chǔ)的設(shè)計分別由整機(jī)供應(yīng)商、設(shè)計院負(fù)責(zé)。想要實現(xiàn)真正的“一體化設(shè)計”，仍有以下幾個方面必須做到統(tǒng)一：設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、建模一體化、工況設(shè)定與環(huán)境條件加載的一體化以及動態(tài)載荷的整體提取。
一、標(biāo)準(zhǔn)一體化
當(dāng)下，海上風(fēng)電行業(yè)涉及的標(biāo)準(zhǔn)較多，與風(fēng)電機(jī)組設(shè)計相關(guān)的主要是IEC61400系列國際標(biāo)準(zhǔn)及其對應(yīng)國標(biāo)，設(shè)計院的基礎(chǔ)設(shè)計主要受港工設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(如：JTJ215、JTS167-4 等)以及部分行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(如：NB-T10105 等)的約束。國際標(biāo)準(zhǔn)從整體設(shè)計的角度，對基礎(chǔ)的設(shè)計方法一并明確了要求，但其與港工設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在一些要求或指標(biāo)上存在重疊與沖突。其中一個比較突出的例子是，在極限載荷上，風(fēng)電行業(yè)的國際標(biāo)準(zhǔn)通常使用1.35 的安全系數(shù)，而國內(nèi)港標(biāo)、行標(biāo)使用1.4、1.5 的安全系數(shù)，從而增加了基礎(chǔ)的成本。行業(yè)正在積極推進(jìn)這些標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一化工作，例如，提出一些風(fēng)電專屬標(biāo)準(zhǔn)，以解除設(shè)計院受到的束縛。
二、建模一體化
海上風(fēng)電機(jī)組、基礎(chǔ)與多種外部環(huán)境條件是一個統(tǒng)一的整體，對這些結(jié)構(gòu)和邊界條件進(jìn)行整體建模仿真是“一體化設(shè)計”最基本的要求，因為只有這樣才能充分考慮機(jī)組和基礎(chǔ)的整體動力學(xué)響應(yīng)，并且有可能實現(xiàn)設(shè)計優(yōu)化上的整體調(diào)整和全局尋優(yōu)。目前，很多項目或多或少都會開展一體化建模工作，并將其作為完成了“一體化設(shè)計”的標(biāo)志。但是如果因此就忽視了其他問題，可能讓行業(yè)對“一體化設(shè)計”的理解過于狹隘。受限于機(jī)組和基礎(chǔ)設(shè)計責(zé)任主體分離的現(xiàn)狀，即使僅對“一體化建模”這一項，關(guān)注點也不應(yīng)為有沒有進(jìn)行整體建模仿真，而是是否實現(xiàn)了全局尋優(yōu)。
隨著整機(jī)企業(yè)研發(fā)能力的提升，設(shè)計院合作模式的開放，以及第三方在其中可以起到的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)和協(xié)調(diào)粘合的作用，全局優(yōu)化是可能實現(xiàn)的。由于基礎(chǔ)模型相對于機(jī)組模型更易于開放，因此，這個任務(wù)更多地有賴于整機(jī)供應(yīng)商機(jī)組整體設(shè)計能力的提升，以及他們能夠影響設(shè)計院基礎(chǔ)設(shè)計的程度。
三、工況與外載加載一體化
按照海上風(fēng)電設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計載荷是通過對項目生命周期內(nèi)各種可能工況組合的仿真模擬確定的。這些組合因素包括不同的風(fēng)況、海浪和機(jī)組控制狀態(tài)等，這意味著，某一個極端載荷是在特定的極限組合工況下產(chǎn)生的。這些工況的組合有一定的原則，比如機(jī)組出現(xiàn)的故障和最惡劣的風(fēng)況、海浪條件，并不會經(jīng)常一起發(fā)生。
在機(jī)組與基礎(chǔ)設(shè)計分屬于不同主體的情況下，設(shè)計交互信息往往是通過塔架底部法蘭的“接口載荷”傳遞的。這種情況很容易造成無法很好地整體考慮雙方的工況組合。把簡單的幾個數(shù)字從復(fù)雜的工況設(shè)置中抽離出來，會遺失當(dāng)時的工況信息，最終讓不應(yīng)該疊加在一起的幾個極端條件在不經(jīng)意中疊加到了一起，使得設(shè)計載荷過于保守。
還有一點需要留意的是海況條件被重復(fù)疊加的問題。機(jī)組和基礎(chǔ)設(shè)計雙方使用不同的仿真環(huán)境，整機(jī)企業(yè)對機(jī)組的設(shè)計計算通常不只限于風(fēng)況載荷，而是包括了波浪載荷在內(nèi)的綜合載荷結(jié)果。但由于設(shè)計院無法對“接口載荷”的數(shù)值進(jìn)行分解，其在設(shè)計中只能把“接口載荷”和波浪載荷同時作用在基礎(chǔ)之上，造成波浪載荷被重復(fù)考慮，增加基礎(chǔ)成本。
在某算例中，相比獨立的工況設(shè)置，采用工況一體化的設(shè)計方式可以避免極端工況的不合理疊加，僅此一項就可以讓基礎(chǔ)頂部載荷降低3%左右。而如果在機(jī)組整體仿真和基礎(chǔ)設(shè)計仿真中都使用波浪載荷，將使塔底載荷額外增加約2%。機(jī)組和基礎(chǔ)設(shè)計雙方加強(qiáng)工作協(xié)同和校核驗證可以有效減少此類問題。
四、動態(tài)載荷與載荷整體提取
如果給一位賽場上的運動員拍一張靜止的照片，然后只給別人看他的腳，恐怕誰也無法想象他身體的其他部位處在什么狀態(tài)，也難以猜出他在參與什么項目的比賽。與此類似，海上風(fēng)電設(shè)備一直處在運動狀態(tài)中，結(jié)構(gòu)設(shè)計需要知曉整個系統(tǒng)各個關(guān)鍵位置的狀態(tài)。設(shè)計雙方僅以塔底“接口載荷”作為設(shè)計依據(jù)，就好比僅通過運動員的腳去推斷其他部位的狀態(tài)，如果這個推斷只是把極端的受力以靜力外載荷的方式加到了系統(tǒng)上，得到的結(jié)果可能與真實的運動狀態(tài)大相徑庭，并極有可能因為保守的假定，高估其他位置的受力狀況。
設(shè)計上追求的理想狀態(tài)應(yīng)該是在統(tǒng)一的仿真里各取所需，得到各個位置最合理的受力狀態(tài)，而不用再去做額外、局部的加載計算。這就好比設(shè)計者能看到運動員整體運動的狀態(tài)，不管是負(fù)責(zé)分析“上半身”的，還是“下半身”的，都能得到正確的結(jié)果。在某些項目中，已有整機(jī)企業(yè)提供給基礎(chǔ)設(shè)計方整體各個界面的時序載荷(時間上的載荷連續(xù)序列)，如果能被合理使用，將是“一體化設(shè)計”上的一大進(jìn)步。
總結(jié)
本文論述了現(xiàn)階段“一體化設(shè)計”中常見的一些客觀技術(shù)問題。簡而言之，海上風(fēng)電最終要追求的“一體化設(shè)計”不僅要有一個整體模型，而且要在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)要求下，實現(xiàn)同一仿真下的統(tǒng)一工況組合、統(tǒng)一環(huán)境條件加載和動態(tài)載荷的整體提取，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)設(shè)計上的全局尋優(yōu)。
目前，盡管以上技術(shù)問題已經(jīng)得到逐步改善，但還有一些機(jī)制上的因素在拉長這個過程，比如中標(biāo)后的優(yōu)化動力問題、技術(shù)問題突破過程中的主體責(zé)任問題、知識產(chǎn)權(quán)顧慮問題等。同時，業(yè)主也面臨缺乏對這些問題解決程度的了解和督促手段，無法有效對“一體化設(shè)計”的效果加以量化評價的困難。因此，行業(yè)離理想的“一體化設(shè)計”還有很大的差距，仍需要做很多工作。在海上風(fēng)電走向平價上網(wǎng)的大背景下，相信行業(yè)各方都已感受到了這方面的緊迫性。
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