DQZHAN技術(shù)訊：淺談深遠海域海上風(fēng)電的開發(fā)與建設(shè)
能源是經(jīng)濟社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。人類對能源的利用，從薪柴到煤炭、石油、天然氣等化石能源，再到水能、風(fēng)能、太陽能等清潔能源發(fā)電，每一次變遷都伴隨著生產(chǎn)力的巨大飛躍和人類文明的重大進步。能源作為現(xiàn)代化的動力，關(guān)系國計民生、關(guān)系人類福址。以新一輪能源變更為契機，加快建立**可靠、經(jīng)濟高效、清潔環(huán)保的現(xiàn)代能源供應(yīng)體系，成為世界各國共同的戰(zhàn)略目標(biāo)。
1.發(fā)展背景與趨勢
我國風(fēng)電建設(shè)始于20世紀(jì)80年代中期。發(fā)展初期規(guī)模、裝機容量都較小，主要是離網(wǎng)式小型風(fēng)電機組，解決部分邊遠地區(qū)生活，生產(chǎn)用電。從1994年起國家提出了風(fēng)能發(fā)展目標(biāo)，到2001年風(fēng)電裝機容量僅為399.8MW。
截止2011年我國風(fēng)電開發(fā)呈現(xiàn)波動，跨越式發(fā)展，累計風(fēng)電裝機容量比2007年翻了11倍，風(fēng)電總裝機容量達65441.5MW，約占國內(nèi)發(fā)電總裝機容量的4.3﹪。2012年達到75324.2 MW，風(fēng)電已進入平衡增長的態(tài)勢。
截至2014年底，全球海上風(fēng)電裝機容量已經(jīng)達到877萬kW，中國大陸累計海上風(fēng)電裝機容量達到65.8萬kW 。 2014年6月《國家發(fā)展改革委關(guān)于海上風(fēng)電上網(wǎng)電價政策的通知》一步明確了海上風(fēng)電的階段上網(wǎng)電價，釋放出我國海上風(fēng)電將加快發(fā)展的積極信號。
國內(nèi)**座海上風(fēng)電場--上海東海大橋海上風(fēng)電場示范工程已于2010年**建成(34臺*3000kW=10.2萬kW)、二期工程于2015年并網(wǎng)發(fā)電（27臺*3600kW+1臺*5000 kW =10.22萬kW），在國內(nèi)范圍內(nèi)取得非常好的示范效果。邁出了海上風(fēng)電規(guī)模化發(fā)展的**步。
目前建設(shè)潮間帶和近海風(fēng)電場已不存在制約性技術(shù)因素，但由于潮間帶、近海風(fēng)電場場址距離岸線較近，開發(fā)時經(jīng)常與其他海域使用功能產(chǎn)生矛盾，相互影響、制約性因素較多，協(xié)調(diào)工作量大，相對來說，在距離岸線較遠的海域開發(fā)風(fēng)電場，能夠避免這些問題，因此有必要對深遠海域海上風(fēng)電場的開發(fā)進行研究。
2.風(fēng)電制造業(yè)的現(xiàn)狀
我國風(fēng)電制造業(yè)現(xiàn)已擺脫了2006---2012年一轟而上，產(chǎn)能過剩，無序競爭，產(chǎn)品售價低（*低3000元/KW)，質(zhì)量較差的困境，淘汰后余下約30家整機制造的風(fēng)電企業(yè)，質(zhì)量有了很大的提高，大部分有了自主開發(fā)的技術(shù)不但不再依靠外商的技術(shù)，而且有相當(dāng)大的出口量。已經(jīng)能生產(chǎn)6MW水平軸風(fēng)力發(fā)電機組。不僅在技術(shù)上逐步趕上******，而且在年度新裝和累計總裝機容量上也都占世界**。僅2014年總風(fēng)電發(fā)電量達1500億KW,如果計及15%的棄風(fēng)損失。相當(dāng)節(jié)煤5520萬噸減排CO219710萬噸，成績是很大的必須肯定。
3.示范項目方案和技術(shù)關(guān)鍵
（1）項目示范的必要性:
深遠海域的海上風(fēng)電場建設(shè)條件的復(fù)雜程度、技術(shù)難度、工程投資等均與近海風(fēng)電場不同，所涉及的技術(shù)領(lǐng)域更加廣泛，是一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程。因此對風(fēng)機設(shè)備、風(fēng)機基礎(chǔ)、施工與安裝、電力輸送、風(fēng)場監(jiān)測等關(guān)鍵技術(shù)進行研究，通過樣機風(fēng)場的建設(shè)、試驗和研究，為后續(xù)大規(guī)模開發(fā)深遠海域海上風(fēng)電場提供可靠的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。
（2）示范項目選擇:
深遠海域風(fēng)電場開發(fā)建設(shè)必須以項目為載體和抓手，有助于驗證相關(guān)技術(shù)研發(fā)成果的合理性，提升技術(shù)研發(fā)的水平與實用性，提升項目開發(fā)建設(shè)管理水平。
根據(jù)相關(guān)資料，我國近海100m高度層5～25 m水深區(qū)風(fēng)能資源技術(shù)開發(fā)量約為2億kW，5～50 m水深區(qū)約為5億kW。目前國內(nèi)規(guī)劃編制及開展前期工作的項目大多位于25m水深范圍內(nèi)，深遠海域海上風(fēng)電資源更為豐富。
根據(jù)上海市海上風(fēng)電規(guī)劃，示范項目場址選擇重點考慮海上風(fēng)電場的“深”（場址水深）、“遠”（離岸距離）建設(shè)條件，規(guī)劃中的橫沙島以東海域場址。該場址位于上海崇明橫沙島（含圈圍工程）東側(cè)海域。場址10m水深線以內(nèi)為海洋保護區(qū)、海域與漁業(yè)養(yǎng)殖核心區(qū)、鳥類遷徙通道影響較大，不適合布置風(fēng)電場；10m～30m水深線之間海域位于規(guī)劃的漁業(yè)捕撈區(qū)，應(yīng)與漁業(yè)部門相互溝通，做好相應(yīng)協(xié)調(diào)工作；30m～50m水深線之間海域應(yīng)避開航道和錨地。此區(qū)域位于長江口區(qū)域，受航道變化等因素影響較大。主要受制于離岸距離及電網(wǎng)輸出，規(guī)劃中安排為遠期開發(fā)項目。本場址面積約214.3 km2，中心點距離岸線54.6km，詳見表-1。
表-1：
4.關(guān)鍵技術(shù)研究
4.1 風(fēng)能資源準(zhǔn)確評估及優(yōu)化布局
在優(yōu)化研究近海實體海上測風(fēng)塔的同時，為降低測風(fēng)成本計，加強目前國內(nèi)外雷達測風(fēng)設(shè)備的研究，形成深遠海域風(fēng)能資源測量標(biāo)準(zhǔn)、移動測風(fēng)設(shè)備應(yīng)用導(dǎo)則，并兼顧風(fēng)電場運行期間風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)。
4.2 大型風(fēng)電機組性能研究與應(yīng)用
風(fēng)電機組是海上風(fēng)電的核心，深遠海域海上風(fēng)電場所采用的風(fēng)電機組一般考慮大容量、高可靠性等要求。目前國內(nèi)各大制造商均開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的海上機型，但總體尚處于樣機試驗階段，海上應(yīng)用經(jīng)驗不足，離自信的商業(yè)化運行尚有差距，同時國內(nèi)配套的大型零部件研發(fā)與制造能力不足，影響海上風(fēng)電機組的可靠性。
發(fā)展海上風(fēng)電應(yīng)借鑒大水電設(shè)備發(fā)展模式，通過先期開展國外4～5MW級大容量先進海上機組樣機示范項目，掌握并提升大容量機組控制一體化、荷載優(yōu)化、整體耦合、基礎(chǔ)經(jīng)濟**等關(guān)鍵技術(shù)和制造水平；同時扶持并參與8～10MW級海上風(fēng)電機組的技術(shù)引進、消化吸收、開發(fā)與示范，在扶持國內(nèi)風(fēng)電機組制業(yè)的同時，不斷提高風(fēng)電機組的可靠性，**我國大容量海上風(fēng)電機組跨越式應(yīng)用和發(fā)展。
4.3 基礎(chǔ)設(shè)計及優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)
風(fēng)電機組支撐結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)是海上風(fēng)電*為關(guān)鍵的核心技術(shù)之一，不僅直接關(guān)系到風(fēng)電場全生命周期的**可靠運行。
隨著海上風(fēng)電向著大容量和深水進一步發(fā)展，目前的單樁、群樁混凝土承臺，重力式等基礎(chǔ)型式將越來越不能滿足深水遠岸風(fēng)電建設(shè)要求。根據(jù)歐洲海上風(fēng)電的發(fā)展經(jīng)驗，淺水主要采用單樁基礎(chǔ)，但隨著單機容量增大（已開始考慮使用7MW～8MW風(fēng)機機組），由于基礎(chǔ)型式受海床地質(zhì)條件和水深的約束比較大，水太深時容易出現(xiàn)較大的彎曲變形。從建設(shè)成本和施工難度方面，該基礎(chǔ)形式將不適合深水。國內(nèi)淺水多采用群樁混凝土承臺和無過渡段單樁基礎(chǔ)形式，但由于國內(nèi)海上風(fēng)場海床覆蓋層以深厚的軟土地基為主，如果考慮成本因素，單樁基礎(chǔ)適用的水深會比歐洲更淺。隨著未來海上風(fēng)場水深的增加，可以考慮水深適應(yīng)性更好的桁架式基礎(chǔ)和浮式基礎(chǔ)。
本示范項目通過研究一種或多種其他的基礎(chǔ)型式來滿足未來深遠海域海上風(fēng)電發(fā)展。
基礎(chǔ)設(shè)計及優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)包括：風(fēng)險高性能單樁、深水區(qū)導(dǎo)管架、高樁混凝土承臺群樁新型重力式、新型吸力筒（錨）、深海漂浮式。
4.4 風(fēng)電場海上升壓變電站及長距離輸電技術(shù)
深遠海域風(fēng)電場離岸距離遠，海上輸變電系統(tǒng)設(shè)計非常關(guān)鍵。海上升壓變電站是風(fēng)電場的樞紐節(jié)點工程，既有變電站的工程特征，又具有海上構(gòu)筑物的工程特征，是兩者的結(jié)合，需分析其本質(zhì)特征和要求，才能比較完善地解決**可靠、經(jīng)濟適用的問題。
海上變電站設(shè)計涵蓋總圖、電氣、結(jié)構(gòu)、舾裝、暖通、給排水、機械等多個專業(yè)，設(shè)計研究應(yīng)分析各專業(yè)所關(guān)注的要素與特征，針對性展開研究，主要包括：
總體布置技術(shù)研究、結(jié)構(gòu)優(yōu)化布置研究、模塊化建造方案研究、新型被動與主動防火技術(shù)方案研究、電氣設(shè)備防腐技術(shù)研究、試驗與運維技術(shù)等。
通過研發(fā)，有效解決海上變電站的輕型化、建造快速性、設(shè)備耐久性、運維便利性問題，提高平臺的**、可靠與經(jīng)濟效能。
4.5 海上風(fēng)電場長距離高壓輸電
主要解決遠海風(fēng)電場或離岸距離較遠的海上風(fēng)電場電能輸送的**性、可靠性及經(jīng)濟性問題，目標(biāo)是提出海上長距離高壓輸電的可行方案、研究制定交流輸電或直流輸電方案的適用原則。主要研究內(nèi)容及技術(shù)難點如下：
（1）海上長距離交流輸電解決方案（包括聯(lián)網(wǎng)電壓水平）；
（2）高壓大容量交流海纜技術(shù)；
（3）無功補償和過電壓保護方案等；
（4）海上長距離直流輸電解決方案（包括聯(lián)網(wǎng)電壓水平、高壓大容量直流海纜技術(shù)）；
（5）高壓大容量輕型功率電子應(yīng)用研究等；
（6）輸電方式的適用原則（包括交流方案的技術(shù)經(jīng)濟極限輸送距離，直流技術(shù)方案的可用率、損耗及經(jīng)濟性等）。
4.6 施工裝備和施工技術(shù)
（1）超大單機容量海上風(fēng)電機組安裝裝備與安裝技術(shù)研究 ；
（2）深水遠海風(fēng)電機組新型基礎(chǔ)型式；
（3）深遠海域海上風(fēng)電場施工組織設(shè)計研究；
5.建設(shè)組織機構(gòu)保障
深遠海域海上風(fēng)電場示范項目開發(fā)建設(shè)主體擬在上海市發(fā)改委領(lǐng)導(dǎo)下、在上海市科委的支持下，發(fā)揮開發(fā)主體內(nèi)各成員單位（大型海上風(fēng)機設(shè)備制造、設(shè)計咨詢、施工裝備與安裝、項目投資與建設(shè)運營管理等）各自的優(yōu)勢，以項目載體，通過關(guān)鍵技術(shù)研究、樣機工程示范，試驗風(fēng)場建設(shè)與管理等。
6.示范項目開發(fā)實施計劃
（1）前期工作與關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)：先行開展風(fēng)電場樣機工程前期工作，關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)進行上海市科委科研項目立項并開展技術(shù)研發(fā)工作。
（2）樣機工程：樣機工程建設(shè)申請簡化和縮減核準(zhǔn)、審批、報建流程，借鑒東海大橋海上風(fēng)電項目經(jīng)驗，走科研項目立項建設(shè)程序。
（3）試驗風(fēng)場：完成樣機工程建設(shè)、試驗、測試等一定時間后，選擇合適機型、風(fēng)機基礎(chǔ)型式選擇與優(yōu)化，小規(guī)模試驗風(fēng)場開發(fā)建設(shè)。
（4）規(guī)模開發(fā)：在樣機工程、試驗風(fēng)場的示范基礎(chǔ)上，總結(jié)、完善、提高，大規(guī)模開發(fā)深遠海域海上風(fēng)電場項目。
7.目前風(fēng)電機組發(fā)展存在的主要問題
（1）風(fēng)電機組故障：風(fēng)電機組長期工作在自然條件環(huán)境中, 各類設(shè)備零部件出現(xiàn)故障的機會相對較多。
（2）自身零部件的故障導(dǎo)致機組停運, 按其結(jié)構(gòu)劃分：風(fēng)輪故障、塔架及基礎(chǔ)故障、傳動系統(tǒng)故障、發(fā)電機故障、電氣及控制系統(tǒng)故障等。
表1―1： 國外KTH學(xué)院風(fēng)電機組故障統(tǒng)計表：
表1―2： 國內(nèi)部分風(fēng)電機組故障統(tǒng)計表：
(3) 電網(wǎng)故障對并網(wǎng)風(fēng)電機組的影響：
電網(wǎng)發(fā)生對稱和不對稱故障會導(dǎo)致風(fēng)電機組電壓跌落, 引起轉(zhuǎn)子側(cè)過電流的迅速增加還會導(dǎo)致有功、無功功率產(chǎn)生振蕩, 甚至產(chǎn)生過電壓。而過電壓直接損害發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組, 對運行極為不利。
(4) 風(fēng)電機組并網(wǎng)后對電網(wǎng)有下面的影響：
對電網(wǎng)潮流、電能質(zhì)量、電壓穩(wěn)定性、系統(tǒng)動穩(wěn)定、電網(wǎng)頻率、電網(wǎng)繼電保護裝置、電網(wǎng)調(diào)度 、配電網(wǎng)短路容量。
8.水平軸風(fēng)力發(fā)電機有如下問題
(1) 葉片長達70～80m左右且斷面處處不同，為了強度高，質(zhì)量輕用玻璃鋼或碳素纖維，只能手工制造，耐風(fēng)沙的能力較差，一般情況，五年左右會露出骨架，即使年年修補其費用不裴,但是在整個壽命期內(nèi)還是要換兩次以上葉片,相當(dāng)于增加30%以上的投資。運輸，吊裝很困難；特長的葉片需用兩輛卡車用長長的連桿組合起來才能運一片，如果不事前探好路徑。會出現(xiàn)進退兩難，又重又大的葉片吊到高處，突然來風(fēng)會發(fā)生倒翻事故。
(2) 塔筒*粗的底部亦僅4m左右中部僅2～3m，抗彎強度差容易發(fā)生倒塔事故。風(fēng)向不斷的變化塔身法蘭上的螺釘容易疲勞斷裂運行太不方便；往往缺陷沒有被及時發(fā)現(xiàn)並處理而釀成重大事故。
(3) 水平軸風(fēng)力發(fā)電機必須依靠三大自動控制系統(tǒng)才能正常運行
1）自槳距調(diào)節(jié)系統(tǒng)，負(fù)責(zé)控制吸收風(fēng)能的大小以保持正常的輸出功率，用順槳操作來避免過大的風(fēng)速吹倒風(fēng)電塔或飛車；
2）自動徧航條系統(tǒng)，負(fù)責(zé)使風(fēng)電機始終對準(zhǔn)不停變動方向的來風(fēng)；
3）機倉累計旋軒轉(zhuǎn)角限位和復(fù)位系統(tǒng)。超限會使出線電纜紐壞短路。這三個系統(tǒng)都有測量元件、運算元件，輸出元件，執(zhí)行元件包括伺服電動機，直流系統(tǒng)充電器和蓄電池，價格昂貴結(jié)構(gòu)復(fù)雜，萬一有一個環(huán)節(jié)失靈必將造成事故；
(4）維修費用非常昂貴，即便是換個齒輪葙就必須租用特種吊車一個臺班費就要幾十萬元。(換一次葉輪要花費約總投資的20到30%)。
(5）環(huán)境影響不好：
1）據(jù)美國環(huán)保組織統(tǒng)計風(fēng)電投運以來已經(jīng)碰死各種鳥類60萬只；
2）噪聲高達70多分貝；
3）有斷葉片的危險，不僅飛車會斷葉，疲労亦會斷葉，如果被斷葉片擊中，那是會毀屋，毀車，毀橋，人員傷亡的。
（6）風(fēng)能利用率太低，三支葉片只占整亇進風(fēng)區(qū)面績的15%，而85%的面積的風(fēng)沒有碰葉面就溜過去了。而碰到葉面的風(fēng)也只有30%的能量被用來發(fā)電。（而垂直軸風(fēng)力發(fā)電機85%以上的來風(fēng)都能和葉片接觸而其風(fēng)能轉(zhuǎn)換率才真的迏到40%左右）。
（7）風(fēng)機毎次火災(zāi)都把機倉，葉片全焼光為止。因為根本沒法撲救。
（8）容易遭雷擊。雷擊通常損壞葉片，也有使機倉起火的。
（9）水平軸風(fēng)力發(fā)電機的啟動風(fēng)速3到4m/s而極限風(fēng)速是20m/s左右。而垂直軸風(fēng)力發(fā)電機1.8m/s就能啟動一般不設(shè)極限風(fēng)速。可見前者的功能性棄風(fēng)損失大很多。
9. 事故統(tǒng)計
據(jù)中囯風(fēng)電協(xié)會公布：2009年至2012年8月共發(fā)生27次重大事故；其中20次火災(zāi)，5次倒塔，2次飛車相當(dāng)于每1個半月一次。有關(guān)事故資料很多大致歸納如下；
（1）火災(zāi)事故其起因有：電氣設(shè)備發(fā)熱或短路、雷擊起火、自動渠槳距控制系統(tǒng)失靈在未能順槳減速情況下。抱閘剎車，摩擦犮熱起火。
（2）風(fēng)電機脫網(wǎng)：失去負(fù)荷時自動槳距失靈，不能及時順槳還在吸收風(fēng)能，于是風(fēng)葉越轉(zhuǎn)越快抱閘剎車失效，葉片飛脫或者葉尖高速摩擦起火，塔式機組可以關(guān)閉導(dǎo)風(fēng)葉片來停止吸收風(fēng)能,或用磁力制動。
（3）起倒塌事故：包括：直接被大風(fēng)吹倒、塔體分段法蘭的螺釘疲勞斷裂、順槳失靈發(fā)生飛車突然抱閘剎車，葉片組的巨大轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)化為傾倒力矩把塔身折斷。
（4）對策和建議：研究、開發(fā)、完善比水平軸風(fēng)力發(fā)電機更為科學(xué)更省錢，更**可靠，運行維護更方便，費用大幅度降低，風(fēng)能利用率高，運輸安裝**又方便，環(huán)境污染小，生態(tài)影響好，能進得了市區(qū)，上得了高山的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。這是風(fēng)電制造業(yè)的必由之路，正在被越來越多的業(yè)內(nèi)人士認(rèn)同。
