浅谈深远海域海上风电的开发与建设
嘉士宝科技•2016-12-20 17:23:18•行业动态•能源是经济社会发展的重要物质基础。人类对能源的利用，从薪柴到煤炭、石油、天然气等化石能源，再到水能、风能、太阳能等清洁能源发电，每一次变迁都伴随着生产力的巨大飞跃和人类文明的重大进步。能源作为现代化的动力，关系国计民生、关系人类福址。以新一轮能源变更为契机，加快建立安全可靠、经济高效、清洁环保的现代能源供应体系，成为世界各国共同的战略目标。
1.发展背景与趋势
我国风电建设始于20世纪80年代中期。发展初期规模、装机容量都较小，主要是离网式小型风电机组，解决部分边远地区生活，生产用电。从1994年起国家提出了风能发展目标，到2001年风电装机容量仅为399.8MW。
截止2011年我国风电开发呈现波动，跨越式发展，累计风电装机容量比2007年翻了11倍，风电总装机容量达65441.5MW，约占全国发电总装机容量的4.3﹪。2012年达到75324.2MW，风电已进入平衡增长的态势。
截至2014年底，全球海上风电装机容量已经达到877万kW，中国大陆累计海上风电装机容量达到65.8万kW。2014年6月《国家发展改革委关于海上风电上网电价政策的通知》一步明确了海上风电的阶段上网电价，释放出我国海上风电将加快发展的积极信号。
国内第一座海上风电场--上海东海大桥海上风电场示范工程已于2010年全面建成(34台*3000kW=10.2万kW)、二期工程于2015年并网发电(27台*3600kW+1台*5000kW=10.22万kW)，在全国范围内取得非常好的示范效果。迈出了海上风电规模化发展的第一步。
目前建设潮间带和近海风电场已不存在制约性技术因素，但由于潮间带、近海风电场场址距离岸线较近，开发时经常与其他海域使用功能产生矛盾，相互影响、制约性因素较多，协调工作量大，相对来说，在距离岸线较远的海域开发风电场，能够避免这些问题，因此有必要对深远海域海上风电场的开发进行研究。
2.风电制造业的现状
我国风电制造业现已摆脱了2006---2012年一轰而上，产能过剩，无序竞争，产品售价低(最低3000元/KW)，质量较差的困境，淘汰后余下约30家整机制造的风电企业，质量有了很大的提高，大部分有了自主开发的技术不但不再依靠外商的技术，而且有相当大的出口量。已经能生产6MW水平轴风力发电机组。不仅在技术上逐步赶上国际先进水平，而且在年度新装和累计总装机容量上也都占世界第一。仅2014年总风电发电量达1500亿KW,如果计及15%的弃风损失。相当节煤5520万吨減排CO219710万吨，成绩是很大的必须肯定。
3.示范项目方案和技术关键
(1)项目示范的必要性:
海域的海上风电场建设条件的复杂程度、技术难度、工程投资等均与近海风电场不同，所涉及的技术领域更加广泛，是一个庞大而复杂的系统工程。因此对风机设备、风机基础、施工与安装、电力输送、风场监测等关键技术进行研究，通过样机风场的建设、试验和研究，为后续大规模开发深远海域海上风电场提供可靠的数据和经验。
(2)示范项目选择:
深远海域风电场开发建设必须以项目为载体和抓手，有助于验证相关技术研发成果的合理性，提升技术研发的水平与实用性，提升项目开发建设管理水平。
根据相关资料，我国近海100m高度层5～25m水深区风能资源技术开发量约为2亿kW，5～50m水深区约为5亿kW。目前国内规划编制及开展前期工作的项目大多位于25m水深范围内，深远海域海上风电资源更为丰富。
根据上海市海上风电规划，示范项目场址选择重点考虑海上风电场的“深”(场址水深)、“远”(离岸距离)建设条件，规划中的横沙岛以东海域场址。该场址位于上海崇明横沙岛(含圈围工程)东侧海域。场址10m水深线以内为海洋保护区、海域与渔业养殖核心区、鸟类迁徙通道影响较大，不适合布置风电场;10m～30m水深线之间海域位于规划的渔业捕捞区，应与渔业部门相互沟通，做好相应协调工作;30m～50m水深线之间海域应避开航道和锚地。此区域位于长江口区域，受航道变化等因素影响较大。主要受制于离岸距离及电网输出，规划中安排为远期开发项目。本场址面积约214.3km2，中心点距离岸线54.6km，详见表-1。
表1：
4.关键技术研究
4.1风能资源准确评估及优化布局
在优化研究近海实体海上测风塔的同时，为降低测风成本计，加强目前国内外雷达测风设备的研究，形成深远海域风能资源测量标准、移动测风设备应用导则，并兼顾风电场运行期间风功率预测系统。
4.2大型风电机组性能研究与应用
风电机组是海上风电的核心，深远海域海上风电场所采用的风电机组一般考虑大容量、高可靠性等要求。目前国内各大制造商均开发了具有自主知识产权的海上机型，但总体尚处于样机试验阶段，海上应用经验不足，离自信的商业化运行尚有差距，同时国内配套的大型零部件研发与制造能力不足，影响海上风电机组的可靠性。
发展海上风电应借鉴大水电设备发展模式，通过先期开展国外4～5MW级大容量先进海上机组样机示范项目，掌握并提升大容量机组控制一体化、荷载优化、整体耦合、基础经济安全等关键技术和制造水平;同时扶持并参与8～10MW级海上风电机组的技术引进、消化吸收、开发与示范，在扶持国内风电机组制业的同时，不断提高风电机组的可靠性，引领我国大容量海上风电机组跨越式应用和发展。
4.3基础设计及优化关键技术
风电机组支撑结构及基础是海上风电最为关键的核心技术之一，不仅直接关系到风电场全生命周期的安全可靠运行。
随着海上风电向着大容量和深水进一步发展，目前的单桩、群桩混凝土承台，重力式等基础型式将越来越不能满足深水远岸风电建设要求。根据欧洲海上风电的发展经验，浅水主要采用单桩基础，但随着单机容量增大(已开始考虑使用7MW～8MW风机机组)，由于基础型式受海床地质条件和水深的约束比较大，水太深时容易出现较大的弯曲变形。从建设成本和施工难度方面，该基础形式将不适合深水。国内浅水多采用群桩混凝土承台和无过渡段单桩基础形式，但由于国内海上风场海床覆盖层以深厚的软土地基为主，如果考虑成本因素，单桩基础适用的水深会比欧洲更浅。随着未来海上风场水深的增加，可以考虑水深适应性更好的桁架式基础和浮式基础。
本示范项目通过研究一种或多种其他的基础型式来满足未来深远海域海上风电发展。
基础设计及优化关键技术包括：风险高性能单桩、深水区导管架、高桩混凝土承台群桩新型重力式、新型吸力筒(锚)、深海漂浮式。
4.4风电场海上升压变电站及长距离输电技术
深远海域风电场离岸距离远，海上输变电系统设计非常关键。海上升压变电站是风电场的枢纽节点工程，既有变电站的工程特征，又具有海上构筑物的工程特征，是两者的结合，需分析其本质特征和要求，才能比较完善地解决安全可靠、经济适用的问题。
海上变电站设计涵盖总图、电气、结构、舾装、暖通、给排水、机械等多个专业，设计研究应分析各专业所关注的要素与特征，针对性展开研究，主要包括：
总体布置技术研究、结构优化布置研究、模块化建造方案研究、新型被动与主动防火技术方案研究、电气设备防腐技术研究、试验与运维技术等。
通过研发，有效解决海上变电站的轻型化、建造快速性、设备耐久性、运维便利性问题，提高平台的安全、可靠与经济效能。
4.5海上风电场长距离高压输电
主要解决远海风电场或离岸距离较远的海上风电场电能输送的安全性、可靠性及经济性问题，目标是提出海上长距离高压输电的可行方案、研究制定交流输电或直流输电方案的适用原则。主要研究内容及技术难点如下：
(1)海上长距离交流输电解决方案(包括联网电压水平);
(2)高压大容量交流海缆技术;
(3)无功补偿和过电压保护方案等;
(4)海上长距离直流输电解决方案(包括联网电压水平、高压大容量直流海缆技术);
(5)高压大容量轻型功率电子应用研究等;
(6)输电方式的适用原则(包括交流方案的技术经济极限输送距离，直流技术方案的可用率、损耗及经济性等)。
4.6施工装备和施工技术
(1)超大单机容量海上风电机组安装装备与安装技术研究;
(2)深水远海风电机组新型基础型式;
(3)深远海域海上风电场施工组织设计研究;
5.建设组织机构保障
深远海域海上风电场示范项目开发建设主体拟在上海市发改委领导下、在上海市科委的支持下，发挥开发主体内各成员单位(大型海上风机设备制造、设计咨询、施工装备与安装、项目投资与建设运营管理等)各自的优势，以项目载体，通过关键技术研究、样机工程示范，试验风场建设与管理等。
6.示范项目开发实施计划
(1)前期工作与关键技术研发：先行开展风电场样机工程前期工作，关键技术研发进行上海市科委科研项目立项并开展技术研发工作。
(2)样机工程：样机工程建设申请简化和缩减核准、审批、报建流程，借鉴东海大桥海上风电项目经验，走科研项目立项建设程序。
(3)试验风场：完成样机工程建设、试验、测试等一定时间后，选择合适机型、风机基础型式选择与优化，小规模试验风场开发建设。
(4)规模开发：在样机工程、试验风场的示范基础上，总结、完善、提高，大规模开发深远海域海上风电场项目。
7.目前风电机组发展存在的主要问题
(1)风电机组故障：风电机组长期工作在自然条件环境中,各类设备零部件出现故障的机会相对较多。
(2)自身零部件的故障导致机组停运,按其结构划分：风轮故障、塔架及基础故障、传动系统故障、发电机故障、电气及控制系统故障等。
表1―1：国外KTH学院风电机组故障统计表：
表1―2：国内部分风电机组故障统计表：
(3)电网故障对并网风电机组的影响：
电网发生对称和不对称故障会导致风电机组电压跌落,引起转子侧过电流的迅速增加还会导致有功、无功功率产生振荡,甚至产生过电压。而过电压直接损害发电机转子绕组,对运行极为不利。
(4)风电机组并网后对电网有下面的影响：
对电网潮流、电能质量、电压稳定性、系统动稳定、电网频率、电网继电保护装置、电网调度、配电网短路容量。
8.水平轴风力发电机有如下问题
(1)叶片長达70～80m左右且断面处处不同，为了強度高，质量轻用玻璃钢或碳素纤维，只能手工制造，耐风沙的能力较差，一般情况，五年左右会露出骨架，即使年年修补其费用不裴,但是在整个寿命期内还是要换两次以上叶片,相当于增加30%以上的投资。运输，吊装很困难;特长的叶片需用两辆卡車用长长的連杆组合起来才能运一片，如果不事前探好路径。会出现进退两难，又重又大的叶片吊到高处，突然來风会发生倒翻事故。
(2)塔筒最粗的底部亦仅4m左右中部仅2～3m，抗弯强度差容易发生倒塔事故。风向不断的变化塔身法兰上的螺钉容易疲劳断裂运行太不方便;往往缺陷沒有被及時发现並处理而釀成重大事故。
(3)水平轴风力发电机必须依靠三大自动控制系统才能正常运行
1)自桨距调节系统，负责控制吸收风能的大小以保持正常的输出功率，用顺桨操作來避免过大的风速吹倒风电塔或飞车;
2)自动徧航条系统，负责使风电机始终对准不停变动方向的來风;
3)机倉累计旋轩转角限位和复位系统。超限会使出线电缆纽坏短路。这三个系統都有测量元件、运算元件，输出元件，执行元件包括伺服电动机，直流系统充电器和蓄电池，价格昂贵结构复杂，万一有一个环节失灵必将造成事故;
(4)维修费用非常昂贵，即便是換个齿轮葙就必须租用特种吊车一个台班费就要几十万元。(换一次叶轮要花费约总投资的20到30%)。
(5)环境影响不好：
1)据美国环保组织統计风电投运以來已经碰死各种鸟类60万只;
2)噪声高达70多分贝;
3)有断叶片的危險，不仅飞车会断叶，疲労亦会断叶，如果被断叶片击中，那是会毁屋，毀车，毀桥，人员伤亡的。
(6)风能利用率太低，三支叶片只占整亇进风区面绩的15%，而85%的面积的风沒有碰叶面就溜过去了。而碰到叶面的风也只有30%的能量被用來发电。(而垂直轴风力发电机85%以上的來风都能和叶片接触而其风能转換率才真的迏到40%左右)。
(7)风机毎次火災都把机仓，叶片全焼光为止。因为根本沒法扑救。
(8)容易遭雷击。雷击通常损坏叶片，也有使机仓起火的。
(9)水平轴风力发电机的启动风速3到4m/s而极限风速是20m/s左右。而垂直轴风力发电机1.8m/s就能启动一般不设极限风速。可见前者的功能性弃风损失大很多。
9.事故統计
据中囯风电协会公布：2009年至2012年8月共发生27次重大事故;其中20次火災，5次倒塔，2次飞车相当于每1个半月一次。有关事故资料很多大致归纳如下;
(1)火災事故其起因有：电气设备发热或短路、雷击起火、自动渠桨距控制系統失灵在未能顺桨減速情况下。抱闸刹车，摩擦犮热起火。
(2)风电机脱网：失去负荷時自动桨距失灵，不能及时顺槳还在吸收风能，于是风叶越转越快抱闸刹车失效，叶片飞脱或者叶尖高速摩擦起火，塔式机组可以关闭导风叶片来停止吸收风能,或用磁力制动。
(3)起倒塌事故：包括：直接被大风吹倒、塔体分段法兰的螺钉疲劳断裂、顺桨失灵发生飞车突然抱闸刹车，叶片组的巨大转动惯量转化为倾倒力矩把塔身折断。
(4)对策和建议：研究、开发、完善比水平轴风力发电机更为科学更省钱，更安全可靠，运行维护更方便，费用大幅度降低，风能利用率高，运输安装安全又方便，环境污染小，生态影响好，能进得了市区，上得了高山的垂直轴风力发电机。这是风电制造业的必由之路，正在被越来越多的业内人士认同。
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