中國海上風電技術的挑戰與應對策略分析

鐘宏宇，齊 全，高 陽，李鵬儒，姚 曄

（1.通化市供電公司，吉林 通化 134000；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；3.沈陽工程學院電力學院，遼寧 沈陽 110136）

經驗交流

中國海上風電技術的挑戰與應對策略分析

鐘宏宇1，齊 全2，高 陽3，李鵬儒3，姚 曄1

（1.通化市供電公司，吉林 通化 134000；2.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；3.沈陽工程學院電力學院，遼寧 沈陽 110136）

近年來，海上風電的開發和利用越來越受全球重視。文中介紹了歐洲國家海上風電技術的發展現狀，并繪制了綜合對照表，簡要敘述了日本、韓國和美國的海上風電發展動態，著重敘述了我國的海上風電發展現狀，提出了我國海上風電技術需要面對的一些挑戰，據此提出了幾點應對策略，可供我國海上風電企業參考。

海上風電；裝機容量；近海；潮間帶；運輸吊裝

隨著風機技術的進步，海上風電場風機機型的大型化已成為發展趨勢。與大陸上風電不同，海上風電場經常會面臨浮水、臺風、鹽霧等惡劣自然條件的影響，這給電網的合理調度造成了很大困難。

近幾年來，海上風電風靡全球，海上取之不盡、用之不竭的風能倍受全世界各國的關注，海上風電成為全球電力行業的焦點。原因如下：一是海上風電的風資源豐富、風能傳播穩定、不占用土地面積、不消耗水資源、發電利用小時數高、最重要的是對生態環境影響很小；二是相比大陸風電而言，海上風能具有連續性，尤其是近海風電場的出力效率更高，且靠近傳統電力負荷中心，便于電網消納，省去了長距離輸電耗能的問題［1－10］。我國的海上風電技術還處于不成熟階段，給海上施工和相應安裝技術帶來了巨大挑戰，這些挑戰成為我國海上風電的重要研究課題。

1 國內外海上風電技術的發展現狀

1.1 國外發展現狀

目前，歐洲的海上風電技術正處于初期發展階段，在成本調配和技術創新方面還有很大的發展空間，越來越多的50 m以上的深海設計正在研發中。歐洲的海上風電裝機主要分布在英國、丹麥、比利時、德國4個國家，4個國家的海上風電發展現狀見表1。

在亞洲國家當中，除中國以外，韓國、日本的海上風電發展步伐最為迅猛。韓國的海上風電項目主要來自現代重工和三星重工，2014年初，現代重工以單機容量為5.5 MW海上風機在濟州島已開始施工，同時，三星重工也以總裝機84 MW容量在濟州島開始建設風電場，單機容量為7 MW。韓國計劃在2016年裝機總容量為900 MW的海上風電，到2019年裝機容量達1.5 GW；日本的海上風電起步先于韓國，其單機容量為4 MW的漂浮式海上風電機組已經成熟，到目前為止，日本的海上風電機組總容量已達49.6 MW。

表1 英國、丹麥、比利時、德國的海上風電發展綜合對照表

表2 Cape Wind項目block island項目海上風電信息對比表

在美洲國家當中，美國海上風電發展最為盛行。近2年，關于美國海上風電的新能源報道不斷涌現。據美國能源部下屬的國家可再生能源實驗室估計，美國的海上風能潛力巨大，僅美國淺海海域的風能發電量就可達到90 GW。相當于美國當前陸上風力發電量的3倍，所以，海上風能項目的獲批被認為是為美國的可再生能源開辟了新領域［13］。目前，美國最大的海上風電項目有二：一是Cape Wind項目，二是block island項目，2個項目的信息對比如表2所示。

美國還有幾個風電項目，像風能中心海上風電場（Wind Energy Center）、緬因州“海風”試點項目（Hywind Maine Pilot Project）、水之風海上風電場（Aqua Ventus）和大西洋城風電場（Atlantic City Wind Farm）尚還處于融資階段，有待于開發。

1.2 國內發展現狀

國內目前真正意義上的海上風電場主要是東海大橋100 MW海上風電場和江蘇沿海區域的海上試驗風機。我國海上風電主要集中在東部沿海地區，其先天性的優越條件和地理優勢成為我國海上風電事業得以發展的一項潮流。我國東部沿海區域交通便利、經濟基礎與上層建筑接軌融洽，均有發展為國際化電力都市的潛能，但火電、水電缺乏，而海上風電資源豐富，建設條件好、工業基礎雄厚，已展現出海上風電發展獨特的優點。

我國東部沿海地區冬、春季受北方冷空氣影響，夏、秋季受熱帶氣旋影響，海上風能資源較為豐富。江蘇沿海地區是建設海上風電的典型代表，其地處北緯31°～35°，東經116°～122°，隸屬于溫帶和亞熱帶濕潤氣候區，風向有明顯季節性更替規律，夏季盛行東南風，冬季盛行東北風，風能資源較為豐富。而且江蘇沿海地區的臺風活動相對不頻繁，破壞性概率較小，更適合大規模的海上風電場建設。

截至2014年初，獲得國家或省能源主管部門同意推進的項目分布省市及裝機容量如圖1所示，項目總容量為4 100 MW，各省市的裝機容量比例如圖2所示。目前，全國還有正處于調研階段的海上風電項目可達11 000 MW，其中近海項目10 510 MW，潮間帶項目950 MW，超過7 000 MW的海上風電項目預可研報告編制完成，見圖3，項目規模比例見圖4。

圖1 2014年各省份海上風電項目裝機容量柱狀圖

圖2 2014年各省份海上風電項目裝機比例

圖3 2014年各省份海上風電項目規模柱狀圖

圖4 2014年各省份海上風電項目規模比例

2 我國海上風電技術的挑戰

我國海上風電技術挑戰的分類框圖如圖5所示，對此分類框圖做詳細分析如下。

2.1 施工挑戰分析

海上風電技術經常要面對的是氣象、水文情況，吊裝作業的施工挑戰［11－13］。

2.1.1 氣象、水文

從氣象、水文的角度講，海流、潮汐、潮流、海浪、海水溫度、臺風、海霧均是影響海上風電的客觀因素，其中臺風和潮汐是海上風電技術最具代表性的挑戰因素，海霧是海上風電技術最常見的挑戰因素。

圖5 我國海上風電技術挑戰的分類框圖

a.根據氣象資料統計，臺風一般在我國東南部沿海一帶登陸，我國東南部沿海每年均會出現多次臺風，海上風況復雜，風機機組及整體支撐結構均需要考慮臺風的影響，大大增加了海上風電場的建設難度和成本。

b.潮汐挑戰主要體現在風暴潮、強涌浪和大潮差上。特別是我國東南沿海一帶屬于潮位高、潮差大的大潮區，平均潮差5 m以上。與陸上風機不同的是，沿海地區的灘涂以及淺水海床等環境，海上運維作業受到潮汐影響最為明顯。在江淮沿海一帶，還會受到極端天氣和惡劣天氣的影響，例如風暴、團霧、暴雨天氣，導致其海上維護作業的周期減短，產生很大的安全隱患。風暴潮受到大氣劇烈的擾動，如強風、氣壓驟變導致海平面不正常的升降差，同時和天文潮疊加恰好形成強烈的低氣壓風暴涌浪導致的高涌浪，再與天文高潮疊加便會對風電作業造成更大的破壞力，這會給海上施工作業帶來硬性的麻煩。強涌浪和大潮差主要是給樁基、吊裝作業帶來巨大安全隱患，容易使樁基傾斜、船樁摩擦、使起重船搖晃不定，讓吊裝作業無法通過暫停來規避。

c.海霧是出現在海上、沿岸、島嶼附近的霧總稱。海霧的水平能見度低至1 km以下，海霧對于海上航行、海上作業、海洋開發均有重要影響，是海上重要的災害性天氣現象。對海上風電場建設來說，海霧既影響海上施工安全，又影響到整個風電場的建設工期。

2.1.2 吊裝技術

目前，世界上海上風機的安裝方法按安裝過程主要有2類，即海上整體吊裝方法和海上分體吊裝方法。由于分體吊裝的各設備單件質量比整體要小得多，重心比整體吊裝要低，且穩定、安全，控制難度比整體吊裝小，所以目前最流行的海上風電安裝方式還是分體安裝。要進行海上分體吊裝作業，必須具備2個條件：安裝船舶抗風浪能力要好；使用的吊裝設備能盡可能減少海上配套船機設備的使用。但是由于我國東南近海表層淤泥質地基可能導致平臺樁腿入泥深度達10 m以上，造成樁腿深陷泥土中而無法拔出的現象發生，因此目前國內現有海上起吊船機設備無法滿足海上風電場風機分體吊裝要求。

2.2 技術挑戰分析

海上風電技術經常要面對的是機組設備技術、風機樁基礎技術的挑戰。

2.2.1 機組設備技術

從機組設備技術角度來看，我國海上風電機組不可避免地要面對氣象環境、場地及施工、技術的先進性及可靠性、發電量、設備廠家的技術力量和服務水平、經濟性和其他因素條件的約束。目前可供選擇的風機主要有金風公司的GW90／2500kW、GW100／2500kW、GW90／3000kW，上海電氣的SEC87－2.0MW和SEC93－2.0MW，華銳公司的SL90－3.0MW、SL100－3.0MW和SL110－3.0MW機型等。但國內的海上風電機組設備現階段正處于少量生產、樣機研制和試驗階段，還沒有經過長時間的實際運行的經驗，機組成熟性及可靠性還需要進一步驗證。

2.2.2 沉樁技術

從風機樁基礎技術的角度來看，我國海上風機傳至塔筒的荷載和彎矩通常較大，無論是采用單樁、多樁，均對樁長和樁重提出更大的技術挑戰。樁基規格對照表如表3所示。

表3 單樁、多樁規格對照表

我國海上風機的樁基沉樁方法主要有液壓錘擊沉樁、液壓振動聯動沉樁和鉆孔灌注沉樁［14］。我國的海上沉樁技術經常要面對護筒變形、塌孔、鋼筋籠偏位、斷樁的技術挑戰。

在海上鉆孔樁施工過程中，護筒變形是最常見、影響最大的事故。海上風機基礎鉆孔灌注樁施工時，鋼護筒將穿越較深的淤泥質土層，護筒沉放時，環向應力較大，可達38～96 MPa，其與按薄壁圓管非彈性屈曲環向臨界應力計算得到的護筒屈曲臨界應力相當，護筒壁太薄時可能會導致護筒變形。

塌孔一般主要是因為孔內泥漿低于孔外水位或泥漿密度小，或者在細砂、粉砂層中鉆進時泥漿密度小，進尺快。

造成鋼筋籠偏位主要原因如下：鋼筋籠被泥漿埋沒，不易直接測量定位；施工技術人員經驗不足，造成偏位；定位筋易擠入土質孔壁，達不到實際應用效果；鋼筋籠在焊接時，焊肉使得上下錯位，不同軸，導致鋼筋籠入孔時不垂直，造成偏位。

斷樁主要是由于混凝土供應中斷、導管密封圈失效和導管被大塊物體堵塞所致。

3 我國海上風電發展的應對策略

3.1 制定海上運行維護策略

海上風電場運行維護策略可以以風電場規模、人員配置、風機可靠性、機組故障分類及其嚴重性、氣象條件、海況、故障維修及例行檢查所需時間、自有海上維護交通工具性能特征和租賃專業海上交通工具的性能特征為基礎依據，建立運行維護成本模型，以實現海上風電場最大經濟效益為目標，制定運行維護策略并進行優化，最終確定例行維護周期、備品備件儲量、故障及時維修程度。根據海上風電機組本省的故障特性，結合海上風電場的氣象、水文規律，以及運維船舶費用和人力成本，計算分析海上風電場可利用率以及年發電量，得到最優的運行維護方案以實現海上風電場的經濟效益最大化。

3.2 建立海上風電發展激勵政策

a.制定合理的海上風電購電協議。

b.減免稅收。

c.整合現有風機制造業，提高生產能力，為海上風電發展服務。

d.實行“產學研”聯合技術攻關。

e.給予土地和海域使用權的支持。

f.加快人才引進和培育。

3.3 分體安裝起重船中型化改裝

借鑒國外海上風電大國的實施經驗，專業風機安裝船或由集裝箱改造而成或專門制造，可以選擇在船的左右兩側裝備液壓自升支腿系統。運輸到達安裝地點時，先拋錨，再通過液壓系統放下支腿至海床面，依靠液壓支腿承受整個船身和所載設備的荷載，這樣海上的風浪就不會造成船體左右晃動，可以保證分體安裝過程的穩定性。從功能上考慮，把中型起重船舶加上樁腿后改成專門的風機安裝船是可行的，再配合船舶錨泊系統進行作業，可以滿足風機的安裝要求。

4 結束語

經過多年來海上風電的發展，國外尤其是歐美地區的海上風電技術逐漸成熟，已經進入大規模研發階段。雖然我國缺乏海上風電建設經驗，海上風電技術并不成熟，給海上風電帶來了各種施工和技術上的挑戰，但我國的海上風能資源測量與評估技術已經起步，相信不久就會取得突破性的進展。目前我國缺乏海上風電建設激勵政策和技術改進創新策略，并且有關技術規范體系亟待解決。

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Challenges and Strategies Analysis of Offshore Wind Power Technology in China

ZHONG Hong?yu1，QI Quan2，GAO Yang3，LI Peng?ru3，YAO Ye1
（1.Power Supply compang of Tonghua，Tonghua，JiLin 134000，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；3.School of Electrical Engineering of Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Liaoning 110136，China；）

In recent years，development and utilization of offshore wind power is favored by more and more scholars all over the world，many countries have embarked on a journey of offshore wind power technology.This paper introduces the development status of Europe?an offshore wind power technology and make a comprehensive comparison table.A brief description of the dynamic development of off?shore wind power in Japan，South Korea and America is introduced，this paper focuses on the present development situation of offshore wind power of China.According to the domestic present situation，China＇s offshore wind power technology faced some challenges and strategies are presented which has an important reference for the development of offshore wind power enterprises in China.

Offshore wind power；Installed capacity；Coastal；Intertidal zone；Transportation hoisting

TM614

A

1004－7913（2016）01－0039－05

鐘宏宇（1987— ），男，碩士，主要研究方向為新能源發電技術。

2015－11－11）