文昌油氣田風能資源特征分析

尹漢軍 謝波濤 安 偉 張 琪

（1 中海油研究總院有限責任公司 北京 100028 2 中海油能源發展股份有限公司安全環保分公司 天津 300450）

引言

南海北部附近海域油氣資源儲量豐富，是我國加快建設“南海大氣區”的核心海區，目前已形成南海西部和南海東部兩大油氣開發集群。在國家“雙碳”戰略的指導下，中國海洋石油集團有限公司（簡稱中海油）的能源轉型發展對海上風電和太陽能等海上清潔能源開發的需求迅速增加，海上風電、天然氣水合物等海洋能產業也成為中海油的重要戰略發展方向之一[1][2]。

風能等清潔能源的利用也是我國實現節能減排、發展低碳環保經濟的重要途徑。中國風電發展路線圖2050 規劃的發展目標為：到2020、2030 和2050年，中國風電裝機容量將分別達到2 億、4 億和10 億kW，成為中國的五大電能來源之一，到2050 年，風電將滿足國內17%的電力需求[3]。我國周圍海域的風能資源豐富，截至2021 年，中國海上風電的累積裝機規模約為3000 萬kW[4]。在油氣作業海區，海上風電開發則有望為海上油氣平臺的能源供給提供節能環保解決方案，而原位風速觀測和風能資源的精細化評估則是油氣田海域風電開發當中的一項重要基礎工作。

由于缺乏海上風能資源缺乏評估所需的技術數據特別是現場原位觀測數據，海上風能資源評估的研究與陸上風能資源評估相比還存在較大差距，考慮到海洋環境的獨特性，針對海上風資源評估的行業標準還有待制定和修訂[5]。目前，我國海上風能資源評估的研究可大致分為以下四類：基于氣象站和海洋站數據的海上風能資源評估、基于再分析資料的海上風能資源評估、基于衛星遙感數據的海上風能資源評估和基于數值模擬的海洋風能資源評估。如姜波等[6]利用9 個海洋站的多年氣象觀測數據研究了浙江沿海海洋風能資源分布；高成志等[7]利用22年的CCMP 分析風場資料對中國近海的風能資源的長期變化進行了分析；許遐禎等[8]利用ASCAT 散射計瞬時風速數據對中國近海的風能資源作了深入分析；常蕊等[9]利用合成孔徑雷達衛星反演風場資料對杭州灣附近海域的風資源評估中，取得較好效果；穆海振等[10]利用TAPM 數值模式對上海附近海域的風能資源進行了評估應用，給出了研究區域內10m、25m、50m、70m、100m 等多層高度處的多年平均風速和風功率密度。

雖然已有的研究[5][7][9][11]給出了我國周圍海域海上風能資源的理論儲量、宏觀分布狀況以及中長期變化等重要信息，但是較多研究結果還缺乏海上原位氣象觀測的支持。海上特別是深遠海原位風場觀測數據的研究結果較少，油氣田海區的精細化風能資源評估工作還有待深入開展。通過分析文昌油田某海上油氣平臺持續1 年（2021 年1-12 月）的氣象觀測資料，給出了該油田2021 年海面10 m 高度的風能資源特征，可為南海北部文昌油氣田附近海域的海上清潔能源規劃與開發與海上油氣田節能環保方案的制定提供基礎科學依據。

1 數據與方法

1.1 觀測站位置

搭載氣象觀測站的海洋油氣平臺位于文昌油氣田，位于海南省文昌市東南方向，距離文昌市約150 km，位置如圖1 所示。

圖1 油氣平臺位置及周圍海底地形

測站附近海域此處盛行季風，冬季多為東北風，夏季多為西南風。此外，臺風對場址附近的影響較大，常有臺風過境，造成大風和暴雨天氣。

1.2 數據及質量驗證

海上油氣平臺氣象的測風數據由美國R.M.Young 一站式氣象儀獲取，氣象觀測儀器距離海面40 m。數據的時間范圍為2021 年1 月1 日-2021 年12 月15 日，觀測記錄的風速、風向、氣溫、氣壓等數據的時間間隔均為10 min。

根據風能資源評估國家標準規范[12]，對原始記錄數據依次進行完整性、合理性和變卦趨勢檢驗。2021年1 月1 日-12 月15 日期間，測站10 分鐘間隔的測風數據應記錄50208 次（10 分鐘間隔），實測49971時次，缺測237 次，數據完整率為99.53%。其次，原始氣象觀測數據的風速、風向和平均氣壓等主要參數均在合理范圍內，各主要參數均通過范圍檢驗。此外，原始氣象觀測數據的主要測風參數記錄數據在2021 年10 月10-15 日期間由于2021 年西北太平洋第18 號臺風“圓規”過境時風速值出現短暫超出合理變化趨勢范圍的情況，其余時間段各主要參數的變化均通過了合理變化趨勢檢驗。

通過以上檢驗，計算得到文昌油氣田2021 年測風數據有效數據完整率為99.52 %，結果達到風能資源評估最低有效數據完整率的參考標準值。對非有效數據點采用樣條插值方法進行數據插補，得到近一年的完整測風數據，進行小時平均后即可得到觀測期間符合風資源評估標準的逐小時測風結果。在數據分析部分若無說明，測風參數數據均為逐小時數據。

1.3 研究方法

參考現行的國家標準及行業技術規范[12～14]，風資源評估的參數包括平均風速、風功率密度、風向頻率、風速頻率、風能方向頻率、有效風速小時數和風速分布等。區域風功率密度等級劃分除參照以上標準外，也同時參考相關研究常用方案[15]。主要參數表達式如下：

風功率密度

風功率密度是指與風向垂直的單位面積中風所具有的功率，是直接反映待評估區域風能大小的重要參數。設定時段的平均風功率密度表達式為：

其中，Dwp為平均風功率密度，W/m2；n 為設定時段內的記錄數；ρ 為空氣密度，kg/m3；νi3為第i 次記錄的風速值的立方；此外，計算平均風功率時，需使用設定時段內逐小時風功率密度的平均值；空氣密度ρ按以下公式計算：

其中，P為年平均大氣壓，Pa；R為氣體常數，287J/kg.K；T為年平均空氣開氏溫標絕對溫度。在常溫和1 個標準大氣壓下，空氣密度約為1.225 kg/m3。

風速分布

風速分布是用于描述連續時限內風速概率分布的函數，一般風速可采用威布爾（Weibull）分布。以平均風速和風速標準差估算威布爾參數的兩個參數，平均風速估計μ，以標準差Sv估計σ：

威布爾兩個參數k，c 按以下公式估計（保留兩位小數）：

其中，（1+1/k）為伽馬函數。

利用測風數據計算風能資源參數時，按照通行做法，將測站風速換算到離海面10 m 高度處的風速，風速換算關系如下：

其中，Vh為高度h 處風速，Z 為測風高度，α 默認取0.143。

2 風能資源評估

2.1 風速和風功率密度

觀測站2021 年全年海面10 m 高度處的風速和風功率密度年變化如圖2a 所示，平均風速為3.94 m/s，平均風功率密度為90.27 W/m2。2021 年冬季和夏季風速較強，夏季最大月平均風速為6 月的6.09 m/s，冬季最大月平均風速為12 月的5.55 m/s，春季和秋季風速較弱，春季最小月平均風速為4 月的1.96 m/s，秋季最小風速為9 月的2.10 m/s。

圖2 全年的風速和風功率密度(a)年變化與(b)日變化

圖2b 的結果表明，文昌油田附近海域海面風速的晝夜風速差異較小，但呈現夜間風速略強，日間風速略弱的基本特征。風速在日間12 時達到最弱的3.67 m/s，在夜間22 時達到最強的4.19 m/s，風速日較差僅0.52 m/s。風功率的日變化也基本維持在90 W/m2上下浮動，夜間稍強可達112.79 W/m2。

2.2 風向頻率分布與風能頻率方向分布

觀測站點測風數據的風向頻率分布和風能頻率方向分布如圖3 所示。風向頻率分布結果表明，文昌油田附近海域的風向以NE 為主風向，風向占比達到23.75%，與主風向接近的NNE 方向占比也達到16.43%；次主風向為S 方向，該風向占比達到11.97%，與次主方接近的SSE 方向占比達到11.46%；以上四個風向共占比63.61%，風向分布較集中。進一步分析觀測站的風能頻率方向分布，數據結果也顯示出與風向分布類似的特征，但在細節分布上存在細微差別。主風能方向上，NNE 成為主風向，該方向能量占比達23.45%，緊靠該主風能方向的NE方向能量占比為19.18%；次主風能方向為S 方向，與次主風向保持一致，該風向能量占比為23.70%，緊鄰該次主風能方向SSE 方向風能占比為14.11%；風能在方向上的分布較集中，以上四個方向風能占比達到80.44%。

圖3 （a）風向、（b）風能頻率方向分布以及（c）風速風向聯合分布

風能頻率方向分布與風向分布的細節差異主要由各風向風速構成引起。如圖3c 所示，雖然NE 風向頻次明顯高于NNE，但其風速中低風速占比明顯高于NNE 方向，因而最后得到風能總量反而低于NNE 方向；類似的情況在S 和SSE 兩個方向上也存在，S 和SSE 在風向頻次基本相同的情形下，由于S方向的高風速占比較高，因而S 方向風能總量遠高于SSE 方向。測站2021 年的風向及風能頻率方向分布在各月的分布主要反映了此處海域的季風特征，秋冬季風向及風能主要集中在NNE、NE 兩個方向，春夏季的風向及風能主要集中在S 和SSE 兩個方向，與以往研究中反映的季風氣候特征相符，風速和風能風向分布均十分集中，利于風能資源的實際開發與利用。

2.3 風速、風能頻率分布

通過對各風速區間風速和風能出現頻率以及全年風速和風能頻率分布的統計分析，3.0-25.0 m/s 有效風速出現的頻率占比63.18%，低于切入風速（3m/s）的低風速占比36.81%，年平均有效風速小時數達到5535 h；3.0-25.0 m/s 風速的風能占比99.25%，測站2021 風速和風能頻率分布如圖4a 所示。采用威布爾分布對2021 年測站處10 m 高度的風速分布進行擬合，擬合結果如圖4b 所示，利用觀測風速的平均風速和標準差計算得到的威布爾分布k 參數為1.41，c參數為4.31。

圖4 （a）風速風能頻率密度分布及（b）風速頻率密度Weibull分布擬合曲線

結語

南海北部文昌油氣田附近海域測風資料及數據分析結果顯示：該海域2021 年的平均風速為3.94 m/s；有2 個接近相反的主風向，NE 方向和S 方向，2 個接近相反的主風能方向NNE 方向和S 方向。2021 年10 m 高度的年平均風功率密度為90.27 W/m2，風能等級為1 級，風能等級偏弱。年平均有效風速小時數達到5535 h，有效風速的風能占比為99.25%，風向和風能方向分布的集中度較高，有效風時長，可一定程度上彌補測站附近海面風速較弱的不足。

風電資源是一種清潔資源，具有節能、環保、可再生的特點，具有很大的開發利用價值，有效利用風電資源可以減少化石能源的消耗量，緩解日益嚴重的能源短缺問題，并且還可以降低溫室氣體的排放量，起到環保的作用。因此，加快風能資源的開發利用可以為文昌油氣田節能環保提供新思路。