大型海上風能開發示范項目及其借鑒作用研究——以上海東海大橋風電場建設為例

楊太華，任浩翰

（1.上海電力學院，上海 200090；2.上海綠色環保能源有限公司，上海 200090）

1 引言

風電是一種清潔可再生的能源，受到各國政府高度重視。上海東海大橋100MW海上風電示范項目是經國家發展和改革委員會核準，由上海市政府規劃和建設的我國第一個大型海上風電項目，也是亞洲第一個大型海上風電場項目。該項目位于上海東海大橋東側1～4km，浦東新區海岸線以南8～13km的上海市海域。風電場平均水深10m，風機高度設計為90m，年平均風速8.4m／s。該風電場由34臺單機容量為3MW的風電機組組成，總裝機容量102MW，設計年發電量利用小時數2 624h，年上網電量2.67億kW·h，項目總投資23.65億元。該項目2006年6月國家發改委同意立項，2010年6月全部34臺風機并網發電。2010年10月被聯合國開發計劃署、聯合國環境規劃署授予“聯合國環境友好型城市示范項目”證書。該項目的建成為我國海上風能開發提供了很好的借鑒。

2 海上風電場的組成

海上風電場是一種由數十臺或數百臺大中型風電機組在海面上排成陣列組成發電機群與電網并網運行，向用戶提供強大電力的發電系統，主要包括分布在場內的各個風力發電機組、陸上中央監控室及場區的建筑物、風力發電機組變電單元、場區集電線路、升壓變電站、中央監控通信系統，以及其他防護功能設施。

風力發電機組是將風力轉變為電能的核心部分，由葉片、輪轂、主軸、齒輪箱、發電機、調速器和限速裝置、對風裝置、塔架及其附屬部件構成。陸上中央控制室及建筑物是對整個風電場系統進行監控和管理的辦公室和設備系統。風力發電機組變單元是由單個風力發電機組與箱式變壓器組成。場區集電線路是將單個風力發電機組變單元分組連接的線路，一般采用敷設海底復合電力電纜連接。升壓變電站是將場區集電線路輸出的電壓升壓到110kV或220kV的風電場配套變電站。中央監控通訊系統是對風電場整個發電系統與連接電網進行控制和管理的聯絡、監控及通訊設施。

3 國內外海上風能開發現狀

目前，海上風能的開發項目主要集中在歐洲發達國家。其中大型海上風電場主要分布在丹麥、瑞典、英國、荷蘭等國。世界上第一個海上風電場于1991年在丹麥建成。直到2009年，全世界共有12個國家建立了海上風電場，其中10個位于歐美，中國和日本有小規模的安裝。世界海上風電累計裝機容量達2 110MW，較2008年增長48.5%，占到全球風電總裝機容量的1.2%。2009年世界海上風電新增裝機容量達689MW，其中，最大的近海風電場是Nysted海域建成的裝機容量達到165MW的海上風電場。隨著海上風電技術的不斷完善，海上風電場開始進入規模化發展階段。

我國擁有綿長的海岸線，海上風能資源豐富。據統計，我國風能資源儲量居世界首位，可開發的風能儲量約10億kW，其中陸上風能儲量約2.53億kW（按陸上離地10m高度資料計算），海上可開發和利用的風能儲量約7.5億kW。主要分布在山東、廣東、遼寧、江蘇和東南沿海地區及其附屬島嶼，年平均風速達到6～9m／s，風能是陸上的3倍。2010年6月我國海上風電示范項目及上海市重大工程項目——東海大橋100MW海上風電場建成投入運營，這標志著中國海上風力發電產業穩穩走出了第一步，大型海上風電場建設技術已達到世界先進水平。

4 海上風電場建設技術的創新

海上風電場與陸上風電場建設相比在資源、氣候、地質環境等條件方面具有很大的不同，因此，風電場的建設風險、投資成本也不一樣，其中，在風電場的選址、升壓變電站建設、支撐結構設計與施工、海上風機安裝技術，以及并網技術等關鍵技術方面具有創新。

4.1 海上風電場選址

從國際上風電場建設的經驗看，海上風電場選址需要考慮的主要因素有：①通過專業化、科學化的前期調研，得到較精確的初步成本預算；②具有豐富的風能資源，接入電網系統比較方便；③符合當地區域發展規劃的要求，風電場建設與城市規劃、海事、海洋、軍事、航運、漁業及環境生態保護相協調；④具備較好的海面水域、水深和海底地質條件；⑤具備較先進的安裝設備和并網技術、好的交通運輸和施工安裝場地等條件。

上海市位于我國東部沿海，屬東亞季風氣候盛行地區。風能資源評價表明，上海市近海海域擁有豐富風能資源，具備建設海上風電場的風能資源條件。上海電網是我國大型的城市受端電網，離大型風電場較近。在東海大橋周邊范圍建設風電場符合上海市海洋功能規劃、岸線規劃及有關海洋自然環境保護規定；東海大橋海上風電場選址在東海大橋的東側，離大橋最近約1km，以東側、北測的海底光纜和管線為控制邊界，南側與浙江海域相鄰，中間設立可通行1 000t級船舶的航道，所選區域均避開了航道、港區、海底管（纜）線、錨地、軍用區域，以及建（構）筑物；不影響防汛、航空安全；具備大型海上運輸船舶相關的安裝設備，有利于風機基礎施工和風機吊裝；前期調研和成本核算表明，該選址技術經濟合理，建設方案可行。

4.2 升壓變電站

在風電場中，風力發電機組發出的電量需要輸送到區域電網中去，才能得到有效利用。為了減少線損，應逐級升壓送出。目前國際市場上的風電機組出口電壓大部分是0.69kV或0.4kV，因此，要對風電機組配備升壓變壓器，通過場區集電線路，將電壓升到10kV或35kV，再通過電力電纜輸送到與風電場配套的海上升壓變電站或陸上升壓變電站，將輸入的電壓升高到110kV或220kV，再經高壓線路輸送到區域電網。升壓變電站的建設，國際上有兩種方案：一種建設海上變電站，另一種是建設陸上變電站。

上海東海大橋海上風電場各臺風機升壓變壓器采用35kV高壓側電壓，通過海底電纜接入浦東臨港新城海岸上的升壓變電站后送入上海市電網。

4.3 海上風機的支撐結構

海上風機的基礎結構按照目前國際上的建設經驗，主要有單樁基礎、多樁基礎、重力式混凝土沉箱、吸力式基礎、導管架基礎幾種類型。

（1）單樁基礎。主要安裝在海床下10～20m范圍，樁徑一般為2～4.5m，壁厚為直徑的1／100。單樁不需作海底準備，制造簡單，但安裝時需要專用的設備，施工費用相對較高。

（2）群樁基礎。一般樁徑較小，為三角樁，通過特殊灌漿或裝模與上部結構相連，適合于在深海域建造，缺點是沒有成功安裝群樁基礎的經驗。

（3）重力式混凝土沉箱。該類型基礎體積較大，靠重力使風機保持垂直。這種結構簡單造價低，受海床沙礫影響不大，但體積和重量較大。

（4）吸力式基礎。一般分為多樁或單樁吸力式沉箱基礎。吸力式沉箱基礎適于軟粘土及砂性土；單樁吸力式沉箱基礎比多樁吸力式沉箱基礎的安裝費用高。

（5）導管架基礎。采用小直徑鋼管打入，端部填塞或成型連接，適合較深的水域，且覆蓋層承載力高，其優點是對打樁設備要求較低，導管架采用工廠加工，整體運輸安裝；缺點是現場作業時間相對較長。

考慮到有一條深水航道穿越東海大橋風電場，因此風機基礎的設計要具有抵抗船舶撞擊的能力，結合我國市政橋梁和港口碼頭建設經驗，摒棄了采用單樁、導管架等基礎的施工方案，而是提出了高樁混凝土承臺基礎方案，大大減小了基樁的直徑，而且也有類似的混凝土承臺施工經驗。如果適當控制承臺高程，就可以用鋼筋混凝土承臺抵抗船舶的撞擊，而無需另外設置防護樁。該方案雖然施工工序較多，但具有結構剛度大、總造價低、施工風險可控的優點。

4.4 海上風電場風機安裝技術

一般來說，風機安裝具有分體吊裝和整體吊裝兩種施工方案。風機整體吊裝是海上風電場建設的關鍵，施工難度大，國內還沒有先例。整體吊裝施工方案就是在陸上將葉片、機艙、輪轂、塔筒組裝成一體，裝船運至安裝現場，在海上進行整體吊裝。選擇該方案，需要在陸上建立拼裝場地和運輸碼頭，在環境較好的陸上完成風機拼裝，可大大縮短海上作業時間。對于分體吊裝方案而言，與陸上基本相同，技術相對成熟，但海上吊裝作業時間比較長，受氣候影響較大。通過比較，東海大橋海上風電場最終選擇了整體吊裝方案，主要是利用其他工程施工遺留下來的沈家灣預制基地，經改造后作為風機陸上拼裝基地。并在場地上布置了葉片、輪轂移動平臺，在碼頭上安裝了起重機和風機組裝塔筒，用改裝的半潛駁船作為風機整體運輸船。

4.5 風力發電機的并網技術

風電是一種不穩定電源，它隨風速的改變而不斷變化。越來越多的風電接入電網，會使電網面臨一系列的挑戰，其中，由此產生的電網故障將導致風電場的解列就是重要的挑戰之一。因此，風電電源還需要得到強電系統的支撐。上海電網是一個大受端，屬強電系統。將風電場接入上海電網的同時，也可以獲得電網較好的功率補償，對于保證風電場的全部發電能夠安全可靠地輸送到電網是非常重要的。東海大橋海上風電場設陸上控制中心和110kV升壓變電站，根據風電場風機的布置，采用8～9臺風機組合成一個聯合單元，通過四回集電線路，用35kV海底電力電纜接入，再經過110kV電纜接入220kV變電站，從而并入上海市電網。

5 大規模海上風能資源開發的借鑒作用

海上風電場建設難度遠遠超過陸上風電場，通過上海東海大橋海上風電場示范工程項目的實施，已經積累了一定的建設經驗。海上風電場建設的關鍵技術已經取得重要進展。目前，國內沿海地區都在規劃建設大型海上風電場，東海大橋海上風電場的建設對今后大規模開發海上風能資源有很好的借鑒。

（1）海上風電場建設前期，要做好可行性研究工作。通過專業化和科學調研，收集較為準確的地質、氣象、海洋環境等第一手資料，并對各種建設方案進行初步的成本預算；考察是否具備大型設備安裝所用的海上運輸工具（如重型船舶等）；確認海底打樁所用到的相關設備及工具的可靠性；根據不同的海水深度選擇適合的風機基礎形式等。

（2）充分利用我國自主研發的大型風力發電機組，降低風電場建設費用。選擇機組連網電力電纜材料，確定可行的工程施工方案。對于近海風電場建設，必須根據離岸距離和經濟技術的合理性，選擇將高壓升壓變電站是建在陸上還是建在海上。利用最新的風電場并網技術，確保風電場電能的有效利用。風電場建設過程中，要做好離岸變電站的布局規劃、電力電纜填埋深度和風機連網對航線的影響等安全風險評估。

（3）采用岸上裝配與海上吊裝相結合的技術，可以降低海上風機吊裝施工的安全風險和成本，即在岸上（離海上風電場最近的港口）對風機主要部件（如風電機組等）進行裝配和調試，然后通過船舶集中運輸到現場進行整體吊裝。

（4）為了保證海上風電場的正常運行，必須做好風電場的人性化設計和安全風險評估。經驗顯示，考慮到海上惡劣的氣候環境，風機機組設計要做到免維護和耐腐蝕性，以及必要的人性化設計，以保證維護技術人員的人身安全。同時，還要考慮海運航道對風電場的影響，做好安全風險評估和預防。

［1］陸忠民.上海東海大橋海上風電場規劃建設關鍵技術研究［J］.中國工程科學，2010，12（11）：19～24.

［2］吳志良，王鳳武.海上風電場風機基礎型式及計算方法［J］.水運工程，2009，34（10）：249～258.

［3］中交三航局有限公司，上海東海大橋100MW海上風機基礎土建及金屬結構安裝工程施工組織設計［R］.長春：中交三航局有限公司，2008.

［4］趙秀華，楊靜東.風力發電工程施工與驗收［M］.北京：中國水利水電出版社，2009.