海上風電塔架結構設計與降本探討

胡頡

【摘 要】隨著“十三五規劃”的進入沖刺階段，我國加大了對清潔能源領域的投資力度，并已成為世界上規模最大，裝機容量增速最快的風電的國家。雖然我國取得了舉世矚目的成就。中國近些年以改變能源結構為主要目標，對風力發電行業進行大力支持，經過多年的投入，現其能源結構風電所占比重占全國發電量的5%以上。隨著陸上風電的開發進入穩定期，海上風電已表現出改變游戲規則的可再生能源電力的潛質。中國東部的沿海地區，人口稠密，可以快速地建立起吉瓦級的海上風電場，其規模和體量是陸上風場的數倍。加之中國經濟分布情況，有利于風電資源在當地進行消納，使得海上風電可以迅速解決當地的能源需求，從而達到減少能源生產環節碳排放。

【關鍵詞】風能；風力發電；海上風電；大兆瓦風機，風力發電基礎塔架；降低成本；

引言

中國的風電企業已經在大兆瓦、大直徑風機上有了長足的技術進步，并攻克了海上風電建設所需的必要技術，如大直徑打樁船、大噸位吊裝船，復雜地址條件下的基礎施工，復雜地域的基礎設計、基礎微觀選址等技術難關。但目前制約中國東部沿海發達地區海上風電建設的根本矛盾是當地風資源匱乏和高額的海上建造成本。其直接反應出來的低下的投資收益比澆滅了各大發電企業投資風力發電的熱情，加之中國2020年去補貼的目標，風力發電行業將面臨更加嚴峻的考驗。

1.我國海上風電產業的發展趨勢

隨著近些年中國政府對新能源的資本投入和政策傾斜，中國海上風電以較大規模持續發展，《風電發展“十三五”規劃》指出到2020年底，風電累計并網裝機容量確保達到2.1億千瓦以上。其中海上風電并網裝機容量達到500萬千瓦以上，海上風電開工建設規模達到1000萬千瓦，風電年發電量確保達到4200億千瓦時，約占全國總發電量的6%。據測算，“十三五”期間風電建設總投資將達到7000億元以上。

以廣東省為例，《廣東省海上風電發展規劃（2017—2030年）（修編）》（以下簡稱《規劃》）已獲得國家能源局正式批復同意。按照《規劃》，到2020年底前廣東省要開工建設海上風電裝機容量1200萬千瓦以上，其中建成投產200萬千瓦以上；到2030年底前建成約3000萬千瓦。廣東省明確提出，“要緊抓住海上風電發展的難得機遇，明確海上風電在廣東省能源結構調整中的定位，將大力發展海上風電作為廣東省推進能源發展和能源結構調整的重要抓手。

由此可見，中國的海上風電發展將進入一個新的階段。

2.海上風力發電機組塔架結構介紹

海上風力發電機組塔架結構主要由兩部分組成：外部塔架結構和內部塔架結構。而外部塔架結構主要用于塔筒與海上風電基礎之間的連接，以及運維相關的事宜，例如應急倉、外部樓梯、外部基礎吊機、電氣散熱器等。內部塔架結構與陸上風力發電機組功能上并無二致，主要服務于塔架電器件，但要求更加嚴格，尤其是對防腐、濕度、鹽霧、散熱等方面。

根據目前國內海上風電設計流程，基礎設計院負責海上風電基礎設計，主機廠負責塔筒設計，雙方合同責任分界點為塔筒底法蘭與基礎頂法蘭接觸面。但因為塔筒內附件有不少零件，如塔架內爬梯、電纜橋架等需與基礎內平臺連接，因此，實際操作時，雙方設計分界點為基礎內平臺。

3.海上風力發電機組建設成本面臨的問題

3.1 外形尺寸大造成的成本增加

目前海上風電機組已經由2.0MW風機向6.0MW甚至以上建設，通過建設更大MW級風機來平攤單位千瓦時的成本，以達到最優資本回報率，但更大MW的風機意味著更大的風機載荷以及更大的外形尺寸的電器件，例如箱變、變流器等。勢必需增加塔筒直徑以及增加塔筒壁厚。因此帶來了制造成本、運輸吊裝成本。

3.2 設計及建造要求高造成的成本增加

目前國內大MW級的海上風力發電機組才剛剛起步，本土廠商大部分電器件的設計能力無法達到應對海上高鹽霧、高濕度、高腐蝕等惡劣環境的要求，因此絕大部分電器元器件均采購國外品牌，無形中增加了采購成本。又因為這些電器件需內置在相對密封的塔筒內，因此又帶來了諸如塔筒散熱、電氣件信號干擾、安裝不便等棘手的問題，又帶來了后期維護成本；

3.3 樣本少，走彎路造成的設計成本

現今國內風電經過近十年的發展，單臺風機功率已經發展到6MW級別，風機運行載荷也比十年前的1.5MW-2.0MW風機高了幾倍。在福建興化灣試驗風場的各家主機廠拿出來的風機幾乎是國內現有的最高水平，因此國內各主機廠、各設計院的參考樣本有且僅有的國內建設的幾臺樣機，國內均缺乏大MW的海上風機設計建設的資料和經驗。

3.4 地質、氣象等外在因素造成建設成本增加

海上風電機組打樁、沉樁面臨的最大問題是海底地質，吊裝面臨的最大問題是海況，運行面臨的最大的問題是臺風。

因為中國地理位置的問題，海底海況復雜程度超乎想象。而沿海各省的海底地質均不相同，例如江蘇省沿海的地質條件較好，平均水深小于15m，水底走向較為平緩，基礎建設成本較低。相反，廣東省沿海地質條件較差，粵東和粵西的差距較大，普遍超過30m的水深，水底地質復雜，需增加嵌巖基礎數量，基礎建設成本比江蘇省普遍高出一倍。

加之中國沿海各省缺乏詳細的海底海況勘探數據，風場地質情況均需重頭開始，沒有歷史資料可以作證。筆者參與的海上風電項目，業主方僅地質勘探的成本花費就超過3億元。

風機吊裝時，漲退潮、季風、海浪，天氣等均對吊裝產生影響，施工周期、施工窗口期普遍小于陸地風場。吊裝船只的每日花費遠遠高于陸地車輛吊裝，因此吊裝成本也居高不下。

4 海上風力發電機組降低成本討論

4.1外形尺寸增加的成本控制

目前國內塔筒廠能夠制造直徑7M的塔筒的廠家普遍較多，7.5M直徑的塔筒廠家也有不少，因此塔筒設計時需注意對塔筒直徑的控制，業主方招標時，應標方增多，可以降低招標價格。選擇塔筒廠時，需選擇擁有碼頭并且可以停靠一定噸位運輸船的塔筒廠，這樣可以減少運輸成本和運輸周期。

4.2 整體采購，分批設計，降低成本

整體采購可以降低業主采購鋼板成本，分批設計可以精準優化不同機位的載荷，從而減少設計盈余，降低制造成本。又通過分批設計，從而達到成熟設計的目的。

筆者主導的廣東粵電湛江外羅海上示范項目，其采用單樁基礎，塔架高度為85.3m。筆者后續主導的項目，如廣東三峽陽江沙扒海上風電項目，同樣采用單樁基礎，通過優化結構，將其塔架高度降低至82.7m，從而降低單臺塔筒重量，又根據不同機位的載荷，單獨設計多套圖紙，進一步降低整個項目的塔筒造價，為業主方節省數千萬元。

4.3 精簡設計，整體吊裝為主要設計理念

外部塔架結構主要用于塔筒與海上風電基礎之間的連接，以及運維相關的事宜，例如應急倉、外部樓梯、外部基礎吊機、電氣散熱器等，因此精簡外部塔架結構，有利于減少外部零部件的安裝時間，如外部樓梯、外部平臺等。

將電器散熱器、外部吊機等外置于塔架筒壁上，在陸地上安裝好后，隨塔筒一并吊裝，將進一步減少吊裝周期。

結語

本文討論了海上風力發電機組建造成本遇到的問題以及解決方案，希望本文能給眾多風力發電機組的設計者們提供一個降低成本的方向，使得國內海上風力發現機組能夠朝著低成本、平電價的方向努力。

參考文獻：

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[2]任秀鳳，牛余剛.大型海上風電塔架法蘭鍛件制造技術[J].金屬加工（熱加工），2016（11）：41-42.

（作者單位：明陽智慧能源集團股份公司）