海上風電場建設重大工程問題探討

張超然，李 靖，劉 星

(中國長江三峽集團公司，湖北宜昌 443000)

1 前言

風能是一種清潔的可再生能源，與傳統能源相比，風力發電不依賴礦物能源，沒有燃料價格風險，發電成本穩定，也沒有包括碳排放等環境成本。此外，可利用的風能在全球范圍內分布都很廣泛。正是因為有這些獨特的優勢，風力發電逐漸成為許多國家可持續發展戰略的重要組成部分，發展迅速。與陸地相比，海上風力發電具有環境污染小、風況優于陸地、風湍流強度小、風切變小、各種干擾限制少及海上風電場不占土地等優點［1］，因此，風電的大規模開發潛力在海上，特別是水深小于15 m的淺海，更是今后幾十年風電發展的方向。

從歐洲近海風電考察情況分析，歐洲海上風電經過17年的試驗、示范、商業化開發，無論從風電機組制造，還是運輸、安裝技術和設備都比較成熟，目前正在進入規模化發展階段。2008年以來雖然遭受金融危機，但隨著全球化石能源的枯竭和對碳排放的限制，歐洲海上風電仍加速發展。

在我國，可以預計在未來十年，如果得到政策鼓勵并在技術上實現突破，海上風電也將得到迅速的發展。據統計，我國近海海域10 m高處風能資源總蓄量為700 GW，風能資源非常豐富。根據浙江省風電規劃，到2010年全省建成陸上風電300 MW;到2015年建成500 MW，其中海上風電約150 MW;到2020年建成900 MW，其中海上風電300 MW。根據江蘇省風電規劃，到2010年，全省建成陸上風電裝機1 500 MW;到2020年，全省建成風電裝機10 000 MW，其中，陸上風電場3 000 MW，海上風電場7 000 MW。

2 風電發展及面臨的問題

發展海上風電是一項系統工程，涉及風能資源、海上風電設備制造、海上風電場運行維護、電網建設等諸多領域，目前仍存在著一些制約性的問題，尤其是海上風電，主要有以下兩個主要問題有待突破。

2．1 風電成本太高

在世界范圍內，風電從技術上來說已經成熟，但是目前相對于傳統發電方式來說風電成本還是偏高。根據歐洲風能協會的測算［2］，陸上風電的投資成本在800～1 150歐元/kW，發電成本在4～6歐分/(kW·h)，海上風電的投資和發電成本分別比陸上高出50%～100%，投資成本在1 250～1 800歐元/kW，發電成本在7．1～9．6歐分/(kW·h)，依據資源條件不同而有所變化。在我國，由于未掌握風機設備制造的關鍵技術，導致風電成本居高不下，尤其是海上風電，成本達到了1．0元/(kW·h)以上，在目前電價政策下，直接限制了海上風電的發展。

2．2 大規模風電并網對電力系統的沖擊

根據風力發電設備的特點及其運行特性，風電對電網的影響一般有如下幾點［3］:a．風電輸出功率的大幅變動對電網的影響;b．風力發電對電網的無功功率影響;c．風電對并網潮流分布的影響;d．風力發電的諧波對電網的影響;e．風電并網對系統的沖擊;f．對公共連接點電能質量的影響。因此，風力發電能順利并入一個地區電網的電量，主要取決于電力系統對供電波動反應的能力，雖然從理論上分析，電網系統中風電容量占20%并不存在很大的技術問題，但電網運行的實踐表明［4］，在歐洲風電容量達到10%、我國達到5%之后，整個電網就會面臨可能發生的沖擊，造成難以預料的結果。而海上風電的開發必須具有規模化效應，其成本才會有較大幅度的降低。

以上原因是制約目前國內海上風電開發的主要原因，截止到目前為止，僅有上海東海大橋完成了部分海上風機的安裝工作。

3 三峽集團公司在海上風電領域所做的工作

3．1 降低海上風電成本

通常的海上風電場成本中風電機組約占一個風電場全部費用的30%，其他(基礎、塔筒、海底電纜、風電場的施工、運行和維護等)約占70%［1］。因此海上專用風機、近海風電機組的基礎和海上風機的吊裝施工被認為是造成近海風電成本較高的3個主要因素。

3．1．1 海上施工關鍵技術

三峽集團公司響應國家號召，積極推動沿海和近海風電的開發，2006年底三峽集團公司牽頭聯合中國水利水電科學研究院、中國水電顧問集團華東勘測設計研究院、河海大學共同承擔了國家科技部提出的“大功率風電機組研制與示范”研究項目(國家“十一五科技支撐計劃項目”)中的十一課題(近海風電場選址及風電機組運行、維護技術開發)和十二課題(近海風電機組施工、測試專用設備的研制)，十一課題側重于海上施工關鍵技術的研究，十二課題側重于海上風機吊裝技術的研究。根據任務書要求，2009年底在近海建設具有自主知識產權的2 MW海上示范風機一臺，并示范運行2 000 h。江蘇響水海上示范風機已于2009年11月23日順利完成吊裝作業，風機離岸3．5 km，采用半潛駁坐底配合履帶吊分體安裝方案。

該項目主要在以下幾個方面進行了研究:

1)海上測風技術:率先在江蘇響水示范風機位置設計、建設了兩座真正意義上的海上測風塔(江蘇近海地區第1，2座，我國第3，4座)，收集了1．5 a的測風數據和1 a的海洋觀測數據。江蘇響水海上測風塔高70 m、樁基礎深4×50 m，塔架采用四樁正方形布置，與國內已有的兩座測風塔采用高樁現澆混凝土承臺的設計不同，在設計施工過程中，創新性地實現了海上施工向陸上轉化的設計理念，采用了鋼承臺的結構形式，減少了海上作業的工程量，鋼承臺可以在陸地加工完成，施工時只需起重船吊裝就位即可，大大減少海上施工的時間和節省施工成本;通過室內試驗和大量計算，樁體與承臺的連接方式采用了高強灌漿材料灌注為主的關鍵技術(見圖1)，經規范方法計算和有限元方法校核以及現場運行考驗，連接段整體受力較好，能滿足不同環境荷載下受力要求，為海上風電機組采用導管架基礎的設計施工提供了第一手資料。開展了適合我國近海地區的測風塔基礎形式、數據采集傳輸分析方法等技術研究，取得了較為豐富的成果，為類似工程和風機基礎積累了海上設計和施工經驗。

圖1 承臺/鋼管樁連接示意圖Fig．1 Cap/steel pipe pile connection diagram

2)海上風資源評估:利用兩座海上測風塔和附近灘涂5座陸地測風塔的豐富測風數據及響水氣象站近30年的氣象資料進行了海陸風對比、環境因素對測風數據的影響以及風速與潮位的對應關系等項目的研究。海陸風相關性分析及風速與潮位相關關系分析顯示，海、陸風資源在16風向扇區具有較好的相關性，潮位對低高度的風速有一定的影響。海上風資源具有較小的湍流強度、風切變指數和較小的空氣密度，與灘涂及內陸風資源比較，近海海域風況優于陸上，適合大規模開發近海風電場。提出了可移動式測風塔的概念，并完成了移動式測風塔的結構設計、就位固定、浮運移動等關鍵技術的研究，為海上測風塔提供了一種新的結構形式，可進一步減少測風成本和實現快速、移動測風的要求，具有較好的推廣前景。

3)近海風電機組基礎結構的研究:結合選定風電場區域的地質條件(我國東部近海區域大多上覆10～15 m淤泥質)，進行了基礎結構形式的研究，提出了單樁、3樁(見圖2)、4樁、5樁、群樁(見圖3)、輔助樁以及筒形基礎等多種基礎形式，并結合我國的實際海上施工能力，開展了大口徑樁基施工技術、樁基承臺水平度調整技術和基礎精確定位技術等專項技術的研究。鑒于現階段國內成樁裝備技術水平，在樁徑小于2．5 m的條件下，施工能力和施工設備可行、施工技術較為成熟。多樁方案結構較優，目前樁基礎形式可采用高樁承臺多樁方案，但導管架基礎方案設計依據和技術優勢明確，在提高施工技術水平前提下應盡快實施。

圖2 三樁基礎示意圖Fig．2 Tri－pile foundation of offshore w ind turbine

圖3 群樁基礎示意圖Fig．3 M ulti－ pile foundation of offshore w ind turbine

4)環境載荷對基礎作用力的影響研究:除了對自重、風荷載、浪荷載等靜力荷載進行分析外，重點對風、浪等循環效應下的動力特性及風機結構的動力影響進行研究，同時根據風機高聳結構的抗震要求，對地震動參數選擇及輸入機制、結構－基礎－海水－風－地震聯合作用等進行了詳細的地震分析。安排進行現場振動測試(見圖4)，得到風電機組和結構的動力特性，從而驗證機組和結構有限元計算成果，為有效采取振動控制措施提供科學依據，對風、海浪和機組運行作用下測試基礎及上部結構振動量大小，完善結構受力特性研究成果，為長期運行安全、結構損傷評價提供科學依據，為全體系結構設計進行復核和優化提供依據。

5)海上風機運輸、吊裝技術研究:結合我國東部近海區域的海床條件(上覆10～15 m淤泥質地層)，分別研究了分體式吊裝技術和整體式吊裝技術的適用條件和技術特點，并聯合中交三航局等海洋設計、施工單位對兩種吊裝方式的關鍵技術進行了研究。針對響水近海現場海洋水文條件、海上風電機組安裝的安全性和可靠性、施工可實現程度、施工工期等角度考慮，鑒于現場水深較淺，大型起重船無法進入，提出采用半潛駁分體安裝方案(見圖5)，對潮間帶風電機組安裝具有指導意義。

圖4 響水風機振動測試點布置示意圖Fig．4 Themeasured location of structural vibration of offshore w ind turbine on XiangShui

6)運行、維護技術:根據兩年來近海測風塔建設施工和運行管理所獲得的第一手資料，積累了一定的運行維護經驗，形成一整套關于海上測風塔運行維護的標準，得出了維護設備的可進入性分析尤其重要的結論，提高海上風機的可靠性和穩定性是減少維護費用最有效、最直接的方法。為今后的海上風機維護工作打下堅實的基礎，可為類似工程的運行與維護提供參考。結合我國沿海地區和示范風電場區域的地理、氣象條件，研究風電場的運行和維護技術，提出了相應的維護策略，并開發相應的系統管理和系統支撐軟件。

3．1．2 海上風機研發

圖5 半潛駁分體安裝方案Fig．5 Sem i－ submersible barge for installing offshore w ind turbine in stages

三峽集團公司依托國內兩大風機制造商上海電氣和金風科技，追蹤國內外風電技術發展趨勢，根據中國風資源狀況、海洋條件以及并網和非并網應用需要，提出適用于規模開發海上風電的技術方案(三峽方案);根據三峽方案，提出和制定大型風力發電機組的技術標準和規范(三峽標準);通過引進、消化、吸收等方式實現創新，自主研發適用于我國海洋條件的海上風電技術，使風機具有更高的可靠性和更低的制造成本，有效降低海上風場開發的成本投入，提高海上風場經濟效益，為我國大規模開發近海風電創造條件。截止到2009年底，在江蘇響水近海安裝了一臺上海電氣2 MW海上試驗風機，并在江蘇響水潮間帶安裝了上海電氣2 MW和金風科技2．5 MW試驗風機各一臺，2010年還計劃安裝一臺3 MW半直驅海上試驗風機。通過近海試點，已在海上風機的大功率化、風機防腐防鹽霧等方面取得了長足進步。

3．2 風電的非并網應用

除了研究提高電網的質量，增加電網容納不穩定功率的能力外，“非并網風電”技術也可以為海上風電提供一種可行的應用方式。所謂“非并網風電”，就是風電系統的終端負荷不再是傳統的單一電網，而是直接應用于一系列能適應風電特性的集中耗能產業及其他特殊領域。其主要特點是:將風電直接應用于用戶(負載)。風電非并網運行方式的優勢體現在:a．可以采用直流電，減少電能轉換環節，回避風電上網引起的風機電壓、頻率等控制問題，繞開電網這一限制風電大規模應用的瓶頸，也避免了風電并網對電網系統的影響;b．提高風能利用效率，簡化風力機結構和風電并網運行時所需大量輔助設備，大幅度降低風電設備的制造成本;c．風電可以直接應用于某些特定產業，變成工業生產的重要能源，明顯節約成本，形成產品的強大競爭力。因此，風電非并網技術可以大幅降低風機制造的難度和成本，可以減少并網運行對電網的不利影響，可促進風電的進一步發展。

三峽集團公司聯合中國水利水電科學研究院已經完成了非并網風電應用的前期調研，初步確定前期主要在我國東部沿海進行海水淡化的非并網風電運用和在西北內陸地區進行苦(咸)水淡化的非并網運用。室內模擬試驗裝置(見圖6)已經于2009年完成初步調試，實現了變功率輸入風電通過控制系統聯動調節海水淡化系統，使其適應不確定的功率輸入，從而實現穩定、長期的淡化水作業。2010年8月，日產淡化水5 t的完全獨立風電－海水淡化系統(見圖7)已經在江蘇響水投入示范運行。經初步測算，若采用海上風電進行海水淡化，海水淡化成本可控制在6．00元/(m3·h)左右(海上風電電價按1．00元/(kW·h)計算)。

圖6 獨立風電－海水淡化試驗模擬系統Fig．6 Simulating system of desalination of sea water by stand －alone w ind power in laboratory

圖7 獨立風電－海水淡化系統現場示范運行Fig．7 The system of desalination of sea water by stand－alone w ind power on－site

海水淡化的非并網風電運用技術對風電清潔能源的應用和非常規水資源的技術開發、循環經濟模式等開辟了新的途徑，具有重要的技術、社會經濟效益。

［1］ 李曉燕，余 志．海上風力發電進展［J］．太陽能學報，2004，25(1)，78 －83．

［2］ World Wind Energy Association(WWEA) ．World Wind Energy Report2008［R］．2009．

［3］ 顧衛東．中國風電產業發展新戰略與風電非并網理論［M］．北京:化學工業出版社，2006．

［4］ 高季章．我國近海風電發展的若干問題探討［J］．水利水電技術，2009，40(9):1 －3．