——记广东工业大学机电工程学院院长张永康教授

2022年2月19日,广东工业大学成功获批教育部“法国施耐德电气绿色低碳产教融合项目”入围建设单位。

多年来,广东工业大学机电工程学院院长张永康教授,与大连理工大学、浙江大学、武汉理工、南通中远海运船务、启东中远海运海洋工程、中铁建港航局、中天科技、武汉船用机械、招商局重工(江苏)、广东精铟海工等单位深度合作,形成科研大团队。以国家需求为导向,深耕海上风电场建设高端装备制造研究,攻克关键技术难题,将论文写在大地上。

安装平台是系统复杂的巨型海洋专业工程特种船舶,是海上风电场建设的核心关键装备,具有运载航行、船体平台升降、起重作业等综合功能。其核心功能是自升站立形成稳定的安装作业平台。但是,由于受风面积大、重心高、甲板载荷大、海底地质复杂、风浪流恶劣等因素影响下,容易站立“失稳”,导致平台倾翻灾难性事故发生。对于长度达140米、总重量超2万吨的自升自航式安装平台,在作业水深达80米的深水区,巨型桩腿及桩靴结构设计制造变形控制是影响“失稳”的最主要因素。

张永康团队提出了超大型自航自升式安装平台关键结构多目标多约束渐进拓扑优化方法,突破了复杂服役环境下超大型安装平台关键结构减重、疲劳、变形的结构设计瓶颈;建立了巨桩腿分段焊接预热数学模型和精确加热方法,减少了焊接应力和变形,形成了桩腿成套建造技术工艺与装备;提出了多桩腿轴套交替升降装置与控制方法,实现了平台在复杂海底连续精准可靠升降;首创非均匀分布载荷柔性低刚度风电安装平台的平地无余量数字化建造技术与坞内整船插桩试验方法,研制了八边形、圆形和桁架型三种桩腿桩靴系统,研发并建造出系列世界领先的安装平台。形成国家标准4项,国家重点新产品2个。

海洋气象环境复杂,船体受到风浪载荷作用,叶片在吊装过程中受到湍流风载荷作用,随着风机容量增大叶片越重越长吊装高度越高,叶片高空中精准对孔安装的难度越大。如何实现吊装系统及安装系统在多种耦合外载荷作用下的精准、快速响应,并给出反馈控制以保证系统稳定性,是海上自航自升式风电安装船单叶片安装过程亟需解决的行业共性核心技术难题。

张永康团队建立了受湍流风载荷作用的叶片吊装运动多体动力学系统和动态力学准静态平衡方程组,根据实时外载荷参数数据伺服控制叶片吊装速度和姿态,实现了吊装过程的动态控制和可视化;建立了风-浪-力载荷作用的叶片螺栓群对孔多体动力学系统,通过智能搜索算法及最佳海洋气象环境快速确定多体动力学系统所受的最大外载荷及对应的参数,提升单叶片对接安装效率和提高安全系数;独创预紧恒张力防转动、随动水平防摆动的控制方法;发明了角度可调式高空吊装稳定系统、绕桩连续回转机构,研发了系列海洋工程起重机。形成国际标准4项、国家标准3项,国家重点新产品1个。

单桩、导管架等风机基础施工是海上风电建设中最重要的一个关键环节,单桩沉桩直度要求极高,在大水深复杂地质环境下,施工难度极大,超长超重单桩沉桩易倾斜“失偏”。海底电缆(简称海缆)是电力输送的根本保障,超长海缆连接易损伤“失效”,据统计海上风电场运行的90%故障来自海底电缆。

张永康团队建立了海上风电超大型嵌岩单桩设计方法、导管架风-浪-流全耦合动力学模型、海缆静动态结构设计模型和绝缘体温度控制模型;发明了超高压大容量海缆大长度绝缘挤出、大厚度绝缘快速脱气、软接头大截面铜导体和绝缘层的高精高强焊接、高压高温融合等成套设计制造及检测技术,研发出国际最高电压等级的交流和直流两种海缆系统及铺设工艺;研制出5000t起重能力的导管架单桩安装船、国内首座1300t单桩沉桩风机安装一体化安装船稳桩平台、定向导向架、液压双层抱桩架等系列专用水下施工成套装备,实现了打桩过程垂直度的高精度可视化自动实时监测和单桩基础垂直度实时调整,形成了复杂海底岩层的超大型嵌岩单桩成套精准施工工艺,解决了大水深及海底岩石超长超重单桩沉桩“打不直”的施工技术难题。形成国家标准8项,国家重点新产品3个。

迄今为止,张永康团队项目创新成果在我国、英国、丹麦、德国等国内外著名海上风电场开展了大规模应用。项目成果先后在我国单体容量最大的海上风电场启东H3、纬度最高气候最寒冷的大连庄河海上风电场、亚洲规模最大的海上风电集群“国家电投盐城阵列”、国内首个岩基海上风电场福建南日岛、“风柜”之称的南澳勒门海上风电场、全球首家大长度500kV交流海缆、国内首个世界最高电压400kV东柔性直流海缆工程(含软接头)等示范应用。项目成果解决了全球最大海上风电场“伦敦阵列”海况恶劣环境下风机安装难题。获得全球首个“海洋可再生能源奖”,成为“中国制造”新名片。

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