海上风电行业“一体化设计”内容、意义、难题及研究方向
发布时间：2020-05-19
自从我风电行业开始涉足海上项目以来，“一体化设计”的概念一直被广泛传播。这个初源于欧洲海上风电优化设计的名词，相信无论是整机供应商、设计院，还是业主、开发商，都在各种场合不止一次地使用或者听到过。
而对于“一体化设计”的真正内涵以及内风电项目设计中阻碍“一体化设计”目标实现的因素，并不是每个使用这个词的人都能说得清楚，甚至很多从业者把实现“一体化建模”等同于实现“一体化设计”，对该设计解决和优化了哪些问题也缺乏探究，不利于未来通过“一体化设计”在优化降本上取得切实成效。
本文对当前海上风电行业在“一体化设计”方向上需要解决的部分客观问题加以描述，以增进行业对此的了解，并提出可能的研究方向。
“一体化设计”的内容和意义
“一体化设计”是把海上风电机组，包括塔架在内的支撑结构、基础以及外部环境条件（尤其是风况、海况和海床地质条件）作为统一的整体动态系统进行模拟分析与校核，以及优化的设计方法。运用这种方法，不仅能更全面地评估海上风电设备系统的受力状况，提升设计安全性，也能增强行业对设计方案的信心，不依赖于过于保守的估计保证设计安全，为设计优化提供了空间，有利于系统的整体降本。
表1相对于机组与基础分离迭代设计方法，“一体化设计”关键指标下降程度
根据鉴衡认证对某5.5MW四桩承台机组模拟测算的结果，相比现有的机组与基础分离迭代的设计方法，海上风电一体化设计能够进一步优化整体结构（见表1）。在平价上网压力下，“一体化设计”是海上风电行业降本的必然途径之一。
“一体化设计”难点分析
目前，机组和基础的设计分别由整机供应商、设计院负责。想要实现真正的“一体化设计”，仍有以下几个方面必须做到统一：设计标准、建模一体化、工况设定与环境条件加载的一体化以及动态载荷的整体提取。
一、标准一体化
当下，海上风电行业涉及的标准较多，与风电机组设计相关的主要是IEC61400系列际标准及其对应标，设计院的基础设计主要受港工设计标准（如：JTJ215、JTS167-4等）以及部分行业标准（如：NB-T10105等）的约束。际标准从整体设计的角度，对基础的设计方法一并明确了要求，但其与港工设计标准、行业标准在一些要求或指标上存在重叠与冲突。其中一个比较突出的例子是，在载荷上，风电行业的际标准通常使用1.35的安全系数，而内港标、行标使用1.4、1.5的安全系数，从而增加了基础的成本。行业正在积极推进这些标准的统一化工作，例如，提出一些风电专属标准，以解除设计院受到的束缚。
二、建模一体化
海上风电机组、基础与多种外部环境条件是一个统一的整体，对这些结构和边界条件进行整体建模仿真是“一体化设计”基本的要求，因为只有这样才能充分考虑机组和基础的整体动力学响应，并且有可能实现设计优化上的整体调整和全局寻优。目前，很多项目或多或少都会开展一体化建模工作，并将其作为完成了“一体化设计”的标志。但是如果因此就忽视了其他问题，可能让行业对“一体化设计”的理解过于狭隘。受限于机组和基础设计责任主体分离的现状，即使仅对“一体化建模”这一项，关注点也不应为有没有进行整体建模仿真，而是是否实现了全局寻优。
随着整机企业研发能力的提升，设计院合作模式的开放，以及第三方在其中可以起到的知识产权保护和协调粘合的作用，全局优化是可能实现的。由于基础模型相对于机组模型更易于开放，因此，这个任务更多地有赖于整机供应商机组整体设计能力的提升，以及他们能够影响设计院基础设计的程度。
三、工况与外载加载一体化
按照海上风电设计标准的要求，结构设计载荷是通过对项目生命周期内各种可能工况组合的仿真模拟确定的。这些组合因素包括不同的风况、海浪和机组控制状态等，这意味着，某一个极端载荷是在特定的极限组合工况下产生的。这些工况的组合有一定的原则，比如机组出现的故障和恶劣的风况、海浪条件，并不会经常一起发生。
在机组与基础设计分属于不同主体的情况下，设计交互信息往往是通过塔架底部法兰的“接口载荷”传递的。这种情况很容易造成无法很好地整体考虑双方的工况组合。把简单的几个数字从复杂的工况设置中抽离出来，会遗失当时的工况信息，终让不应该叠加在一起的几个极端条件在不经意中叠加到了一起，使得设计载荷过于保守。
还有一点需要留意的是海况条件被重复叠加的问题。机组和基础设计双方使用不同的仿真环境，整机企业对机组的设计计算通常不只限于风况载荷，而是包括了波浪载荷在内的综合载荷结果。但由于设计院无法对“接口载荷”的数值进行分解，其在设计中只能把“接口载荷”和波浪载荷同时作用在基础之上，造成波浪载荷被重复考虑，增加基础成本。
在某算例中，相比独立的工况设置，采用工况一体化的设计方式可以避免极端工况的不合理叠加，仅此一项就可以让基础顶部载荷降低3%左右。而如果在机组整体仿真和基础设计仿真中都使用波浪载荷，将使塔底载荷额外增加约2%。机组和基础设计双方加强工作协同和校核验证可以有效减少此类问题。
四、动态载荷与载荷整体提取
如果给一位赛场上的运动员拍一张静止的照片，然后只给别人看他的脚，恐怕谁也无法想象他身体的其他部位处在什么状态，也难以猜出他在参与什么项目的比赛。与此类似，海上风电设备一直处在运动状态中，结构设计需要知晓整个系统各个关键位置的状态。设计双方仅以塔底“接口载荷”作为设计依据，就好比仅通过运动员的脚去推断其他部位的状态，如果这个推断只是把极端的受力以静力外载荷的方式加到了系统上，得到的结果可能与真实的运动状态大相径庭，并极有可能因为保守的假定，高估其他位置的受力状况。
设计上追求的理想状态应该是在统一的仿真里各取所需，得到各个位置合理的受力状态，而不用再去做额外、局部的加载计算。这就好比设计者能看到运动员整体运动的状态，不管是负责分析“上半身”的，还是“下半身”的，都能得到正确的结果。在某些项目中，已有整机企业提供给基础设计方整体各个界面的时序载荷（时间上的载荷连续序列），如果能被合理使用，将是“一体化设计”上的一大进步。
总结
本文论述了现阶段“一体化设计”中常见的一些客观技术问题。简而言之，海上风电终要追求的“一体化设计”不仅要有一个整体模型，而且要在统一的标准要求下，实现同一仿真下的统一工况组合、统一环境条件加载和动态载荷的整体提取，并在此基础上实现设计上的全局寻优。
目前，尽管以上技术问题已经得到逐步改善，但还有一些机制上的因素在拉长这个过程，比如中标后的优化动力问题、技术问题突破过程中的主体责任问题、知识产权顾虑问题等。同时，业主也面临缺乏对这些问题解决程度的了解和督促手段，无法有效对“一体化设计”的效果加以量化评价的困难。因此，行业离理想的“一体化设计”还有很大的差距，仍需要做很多工作。在海上风电走向平价上网的大背景下，相信行业各方都已感受到了这方面的紧迫性。
