张力腿平台漂浮式风电机组技术综述报告

技术概述

张力腿平台（TLP）是一种浮式风电基础结构，与半潜式平台、驳船和单点系泊浮筒相比，具有以下优势：最小的系泊面积、所有自由度内的运动响应较小，以及潜在的累积疲劳损伤降低和能源产量提高。然而，与其他基础结构类型相比，TLP 解决方案在现有项目中很少被采用，其技术成熟度等级（TRL）至今仍然较低。这种犹豫不决的原因可以归因于对技术的有限了解和一系列挑战，如下文将进一步讨论。

一些挑战是技术性的，例如复杂的系泊和锚固要求，而其他挑战则是运营性的，即运输和安装的复杂性。特别是 TLP 站位保持系统承受高垂直载荷，因此与半潜式、浮筒和驳船相比，需要更大的锚。TLP 还被认为在浅水、高幅值波浪的地点存在挑战，这是由波浪引起的可变水深和通常在松弛事件后发生的抢拉载荷风险造成的——在恶劣海况中，这可能是一个潜在的灾难性事件，在短时间内张力腿失去所有张力。

然而，在系泊和锚固系统方面的创新可能能够克服其中一些问题，为项目开发商提供更轻的基础结构和更小的系泊面积。

挑战与机遇

TLP 解决方案的一些 perceived 缺点源于对技术的未经证实的、轶事的了解，本研究旨在通过基于证据的调查来证实或驳斥这些观点。作者通过广泛查阅相关文献和与直接利益相关者的接触，深入探讨了行业对 TLP-WTs 的犹豫不决，旨在全面了解导致这种犹豫的根本原因。

影响 TLP 设计的主要驱动因素及其相关的系泊系统被概述，以及需要解决哪些挑战才能在商业规模上释放该技术。确定了有助于促进 TLP 在海上风电领域采用和成功的关键行业发展和新技术。从这些活动中获得的见解为基于证据的决策和未来的战略规划奠定了基础，以支持基于 TLP 的海上风电技术。

关键结论

• 与其他浮式基础结构概念相比，TLP 遇到诸如保持拖曳稳定性、涡轮集成和连接复杂性以及解决暴露于波浪的表面等挑战，但已经确定了减轻这些技术挑战的解决方案。TLP 还具有显著的优点，其特点是能够表现出有限的运动响应，通过先进的系泊设计控制动态行为，并强烈表明潜在的重量效率收益——尽管这取决于现场条件、水深等因素。TLP 提供了比半潜式和驳船更容易的访问，对动态阵列电缆的可靠性产生了积极影响，并且具有较小的海床面积。这些优势增加了 TLP 技术对浮式风电应用的吸引力，展示了其导航各种环境条件、增强稳定性和效率的潜力。
• TLP 开发的主要优先事项包括实施模块化基础结构设计（尽管这对于其他 FOWT 解决方案也是如此）、实施清晰的海上涡轮集成策略、优化拖曳稳定性以及系泊和锚固技术的进步。这些优先事项突出了行业专注于提高 TLP 的结构效率和稳定性，确保它们能够适应各种环境条件。建立清晰的操作流程被认为是至关重要的，不仅有助于培养行业信心，而且还有助于最大限度地减少与 TLP 应用相关的风险。通过优先考虑这些要素，目标是创建一个强大的基础，以支持 TLP 技术在浮式风电项目中的广泛采用和成功部署。 *鉴于 TLP 在浮式风电中的早期阶段，以及现有的对其使用的犹豫不决，任何正在进行的中试项目的单一挫折都可能导致该技术开发和部署的显著延迟。正在探索一些显著的设计进步，以改进 TLP 的设计和性能，并使其成为一系列开发项目的有吸引力的选择，特别关注拖曳稳定性（无需稳定性辅助）。提出了改进的安全解决方案（例如增强的系泊冗余）来降低风险，应对不可预见挑战，并保持浮式风电行业一致的进步轨迹。 *在考虑的生命周期阶段中，与其他浮式基础结构相比，TLP 提供了 several 潜在的好处。TLP 的一般尺寸较小，提供了广泛的好处，例如简化现有港口基础设施中存储区域的使用和利用，这对浮式海上风电（FOW）的商业规模部署至关重要。尽管在运输和安装期间稳定性方面存在一定程度的 uncertainty，但参与该项目的 TLP 基础结构原始设备制造商（OEM）表示，这并不是一个特别有影响力的设计约束，也不是 TLP 部署的一般限制因素。 *对 TLP 中系泊和锚固的敏感性进行了全面审查，强调了明确定义的设计寿命和标准。这为理解 TLP 技术中使用的系泊系统提供了基础。令人鼓舞的是，系泊钢索和锚的创新显示出 considerable 的前景。这些进步不仅预示着潜在的成本降低，而且还为浮式风电领域提供了 significant 的发展机会。系泊技术的持续进展表明了对提高 TLP 的效率和可靠性的承诺，有助于可持续能源解决方案的持续发展。

数值分析

作为该项目的一部分，ORE Catapult 研究了不同 TLP 风力涡轮机概念的几何和惯性特性，并评估了它们在不同现场和环境条件下的动态行为。MPS 和 Glosten 通过提供基于 IEA 15 MW 参考风力涡轮机的 13 个 TLP 设计，为这项工作做出了贡献。虽然对某些设计约束（例如 150 米的轮毂高度和假设刚体基础结构模型）进行了规定，但其他方面（包括塔设计 和系泊系统）由基础结构 OEM 自由探索。开发人员根据特定的环境参数量身定制了他们的设计，通过应用 DNV 的定义设计负载情况（DLC） 1.6 和 6.1 从 DNV-ST-0437 标准获得了有利可图的和暴露的海上地点。DLC 1.6 指的是运营负载的分析，即： * 风力涡轮机正在运行并与电网连接； * TLP 没有故障； * 控制系统处于活动状态； * 考虑不同的海况。 DLC 6.1 指的是停用风力涡轮机的分析，即： * 风力涡轮机处于待机模式，转子处于怠速或完全静止状态； * 环境 50 年的回报期。

技术经济分析

本节总结了比较技术经济分析的结果，该分析评估了 TLP 与半潜式基础结构的成本效益。该研究评估了两种平台类型在规模相同的风电场中的整个生命周期成本和收入，目的是指导海上风电开发商做出明智的平台选择决策。通过比较关键财务指标，该分析突出了 TLP 独特的驱动因素，并确定了可以提供最大利益的现场条件。

该研究评估了各种 TLP 配置——特别是自稳定（SS）和自稳定（NSS）设计——重点关注从安装到退役的拖曳策略。该研究探讨了平台稳定性和成本之间的权衡，有助于澄清正在进行的行业辩论。通过这种方式，它确定了主要成本驱动因素，并概述了提高未来海上风电项目 TLP 可行性所需的标准化和优化程度。

未来发展

• 基础结构质量：已确定 TLP-WT 基础结构的预期尺寸和重量存在显著的不确定性。现有文献和项目范围工作揭示了行业目前的依赖学术研究，这可能不完全符合实际要求和现实适用性，导致该部门内部存在不同的期望。OEM 参与调查的 OEM 之间对预期基础结构质量的下限是一致的，而上限差异很大——这表明对 TLP-WT 的钢含量（在最不利条件下）与半潜式相比存在不确定性。在本研究中，在 TLP 设计 MPS 和 Glosten 的支持下，进一步开展了工作，以确定四面体和单柱 TLP 几何形状在不同现场条件下的钢含量——如第 7.2 节所述。
• 成本：虽然减少船体质量被强调为可行性至关重要的因素，但由于安装的浮式海上风力涡轮机数量有限，无法获得精确的数字，使统计数据不可靠。来自固定海上风电应用的见解提供了一种初步的理解，提供了浮动和固定设计之间的一般比较。TLP 在成本方面面临挑战，因为其普遍成熟度较低，特别是在示范阶段，由于一次性安装的费用较高，使其目前比其他平台财务上不太可行。然而，它们的性能和重量优势使它们比其他平台更有利于规模经济。克服 TRL 障碍对于释放 TLP 的全部潜力至关重要。EDF 和 SBM 通过 Provence Grand Large 等项目取得了重大进展，打破了这些障碍，为 TLP 技术的进步和增加其可行性做出了贡献。
• 运营和维护：TLP 运动对 O&M 人员身心健康和安全的具体影响没有得到充分考虑，这在海上风电的背景下引起了人们的关注。关于功率电缆动态、软件校准、性能验证和测试的指导有限，留下了关键方面没有得到充分解决。合成张力腿、塔设计以及浮体或系泊控制系统与风力涡轮机系统的相互作用都缺乏标准，突出了在这些领域增强指导的迫切需要。关于为深水现场中位维护场景选择船舶的工作仍然相对未经探索。由于水深可能超出起重船的操作限制，因此必须开发合适的替代维护方法。利益相关者参与表明，针对这些深水场景的拟议方法已被彻底考虑。然而，需要进一步研究不同设计类型和水深的方法论细节，以解决开发商对 TLP 在其整个运营周期中对该技术的潜在疑虑。
• 预期负载：15MW 尺寸 TLP-WT 的预期负载模式没有公开分享或提供给公共领域，可用的少数值是通过学术和内部项目获得的。这是关于预张力值和最大负载条件的参考。张力腿的刚度特性仍然由先进材料制造商密切保守，因此无法向公众传播。平台与平台之间的系泊连接和张力装置的相互作用被视为敏感的知识产权，这掩盖了对单个 TLP 系统力学原理的全面理解。
• 锚：关于创新锚解决方案的尺寸仍然存在不确定性，这是与传统锚进行成本效益比较的关键要素。这些新型锚的安装方法同样不公开，因此无法尝试对传统锚进行全面的安装成本分析。
• 数值模型：这项工作有效地解决了行业对在浮式风电应用中使用 TLP 技术的历史犹豫不决，具体来说：
  • 潮汐范围被确定为相对较小的因素，在 1 米潮汐范围内观察到的影响微乎其微，在 7 米范围内观察到的影响也仅略高，即使在低潮时也不会影响 TLP 基础结构的动力学。这些变化不会影响运行性能，即使在风暴条件下，由于涡轮机处于怠速状态并且没有空气动力学阻尼，运动响应仍然非常有限。随着水深增加，涌浪和侧漂有所增加，而俯仰和滚转在所有深度都保持稳定，这表明对动态电缆优化具有潜在的好处。
  • 在系泊引出端监测的系泊系统负载在不同设计中显示出 considerable 的差异，强调了设计决策的重要性，以及 TLP 对各种现场和环境条件的适应性。此外，与在类似负载条件下 VolturnUS-S 半潜式相比，塔的激励水平较低，刚性自由度运动、塔和转子之间没有观察到共振相互作用。
  • 功率输出主要受控制器策略的影响，但仍然大致符合涡轮机的功率曲线。与半潜式设计进行更深入的基准比较将提供宝贵的见解，以了解 AEP 性能，并有助于完善和优化未来的设计策略。

研究结论

• TLP-WTs 的运动响应有限，这对电缆动力学及其随时间的结构完整性至关重要。平台的动态行为可以通过设计来调整，通过改变系泊刚度和几何形状。系泊配置还可以减轻负面空气动力学阻尼的影响，并允许采用恒定功率控制策略。TLP 提供了减少钢含量和系泊面积、对海床影响最小、减少倾斜以增强能源产量以及更宽的 O&M 天气窗口等好处。
• 模块化基础结构设计、拖曳稳定性和重量效率之间优化平衡以及系泊几何形状和材料的进步都被确定为技术发展以释放 TLP-WTs 在商业规模上的优先事项。清晰的操作流程是减少不确定性并提高该技术在整个行业中的信心的关键途径。旨在减少整体平台运动的负载减少装置和其他新型技术正在被探索，以在关键组件（尤其是动态电缆等）上产生较温和的负载周期，从而在有利条件下降低 LCOE。
• 设计寿命和系泊和锚固系统设计标准已经明确定义，可以适应风力涡轮机的动态需求，需要进行严格的动态分析。系泊钢索的创新显示出 particular 的前景，先进的材料可以提供增强的强度特性和优越的疲劳阻力。还成功地将这些钢索与快速连接组件集成，确保了与锚和基础结构的有效兼容性。锚的选择取决于不同的土壤条件，但受益于建立了快速连接接口，简化了安装过程。新型锚的开发有望颠覆市场，提供 significant 的材料和安装成本降低。此外，使用传统方法为 TLP 编制的物料清单为与采用这些创新方法的物料清单进行了基准比较，突出了某些应用中 considerable 的发展潜力。
• 一些技术挑战，特别是拖曳稳定性、最大限度地减少基础结构的波暴露表面以及解决减少表面穿透面积的需要，已被充分理解，而其他挑战则需要进一步研究以适当评估其影响和可能的缓解措施。已确定的挑战及其相应的解决方案和缓解措施概述如下表所示。
• 需要进一步研究以完善钢含量要求，以确定对 AEP 的影响，并确定是否有任何好处，或者半潜式设计的控制系统是否足够有效以抵消运动。最后，需要更详细的分析来了解安装和 O&M 成本和物流，以允许捕获每种设计的细微差别并更好地理解。