海上風電項目風機選型分析

馬洪飛

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

技術進步的過程中，我國的風電事業高速發展，為國家能源事業做出了卓越貢獻。與陸上風電項目不同，海上風電項目的特殊環境決定了在風機選型時需關注更多因素。風電事業發展的今天，市場上的風機型號越發多樣，每種型號的風機都有其性能、功能特點。有關人員在選型時，需按照海上風電項目建設要求，開展一系列分析及對比。未來的工作中，相關人員需繼續研究海上風電項目的風機選型，以豐富理論基礎和實踐經驗，為項目建設提供理論與實踐指導。

1 海上風電機組選型的主要影響因素

1.1 風資源稟賦

風資源稟賦是影響風機選型的一大方面。風資源稟賦下包含很多細分因素，如平均風速、風切變指數、空氣密度、有效風能密度、風速持續時間等。按照風機選型經驗，風電場容量系數為評估風機與風電場是否匹配的標準，風電場容量系數越大，風機與風電場越匹配。在風機選型過程中，有關人員必須掌握這些關系，據此選出符合要求的風機。

風能為低密度能源，海上風電項目中為選出性能優越的風機，相關人員在前期必須掌握海上風電項目所在地的風資源信息，以此為基準開展適應性分析，為項目配備高性能風機。此項工作中，各項指標應盡可能與風資源特點相匹配，提高風能利用率。我國海上資源稟賦存在顯著的南北差異，風機選型時，有關人員需考慮區域差異，完成選型工作。另外，考慮到風機選型受風資源稟賦影響，選型工作開始前，應安排專人實地調研，這些人員需要與當地氣象局等積極溝通，整合氣象資料、環境數據等，開展風資源評估，結合評估結果計算風電場的風資源稟賦特性參數，將此作為風機選型的重要參考。

1.2 風機性能

風電項目的風機選型為一大關鍵任務。為選出符合項目要求的風機，相關人員需關注風機性能。市場上的每一風機都有其性能特點，如選擇的風機性能不達標，后續投入使用后海上風電系統的運行效率低下、機組故障率較高。葉輪與功率是需要關注的重點性能指標。大葉輪風機的葉片長，掃風面積大，能獲取更多的風能資源。同時，風場容量固定的情況下，如風電機組的功率較高，能減少機位數，降低機械采購、安裝成本。風機運行具有以下特點：氣動效率高的葉片能降低損耗，保障風機的發電效率；高度集成的驅動鏈系統能形成全新的傳力路徑，在提高傳動效率的同時減少維護保養工作，體現風機的經濟性運行特征；成熟的變槳和偏航系統，可自動采集風機運行數據，精準、靈活調整發電機轉速、轉矩與槳矩角，使風機的葉尖速比、額定功率等符合要求，保持最佳的運行狀態；大范圍的風切和切出速度下，風機能高效率利用風能資源。

1.3 技術水平

一些風機中采用了先進技術，具有比其他風機更優越的性能。因此，海上風電項目的風機選型中，有關人員也需要關注風機的技術水平。先進技術支持下風機能鹽霧、雷暴、積冰、暴風雪等惡劣條件，即使風電場建設區域受熱帶氣旋影響，風機也能免受臺風影響。海上風電場需面臨復雜和多變的海洋環境，風機材料應具有耐高溫、耐腐蝕、耐沖擊特點；風機運行過程中，需承受復雜的工作荷載、環境荷載，所選擇風機的結構強度應有一定余量；風機運行時間長，其系統應具有自動控制、智能監測功能。

1.4 風機廠商

風機為專業化設備，一般由專業廠家來生產。廠商的生產能力、信譽、生產技術、產品價格、供貨周期等也是風機選型中需關注的因素。如海上風電項目所選擇的風機制造商無法及時供貨，為避免延誤工期，必須與其他風機供貨商尋求合作，確保廠商能按時、按量供貨。風機運行期間因磨損或者操作等出現故障，如無法及時采購到相應型號的配件，或者服務商反應緩慢、維修人員技術水平較低，將影響海上風電機組的正常運行，甚至會產生額外的經濟損失。因此，風機選型時有關人員需全面了解市場上的風機廠家，掌握這些廠家的生產水平、信譽、供貨能力等，與實力強、信譽佳的風機廠商建立合作關系，使廠商能根據海上風電項目中的風機配置需求，生產出高性能、高質量的風機。

2 海上風電機組選型方案

2.1 工程概況

廣西壯族自治區欽州市某海上風電場，項目中心與岸邊相距約90km。風電場東西寬約27km、南北長約14km，規劃總面積為200km2，場址海域平均水深約33m，總裝機容量為1200MW。在前期的現場調研中，相關人員整合了各種資料，發現風電場160m 輪轂高度年平均風速、年平均風功率密度分別為7.55m/s、520W/m2，風電場160m 高度標準空氣密度下50 年一遇最大風速為34.88m/s，小于37.5m/s。經一系列分析，本項目所在地的風功率等級為3 級，就海上風電場而言，本項目屬于低風速海上風電場，資源條件一般，為保證投資收益，選擇優質高效的風電機組尤為重要。

2.2 風電機組選型流程

此項目中為選出高性能風機，相關人員需率先確定風機的安全等級。參考此項目所在地50 年一遇最大風速及國際標準，同時由于本風電場位于廣西北部灣海域，時有臺風過境，根據臺風影響專題研究成果，應選擇IEC Ⅰ類加強型以及以上安全等級的抗臺風風力發電機組。有關人員在本項目現場開展了風資源稟賦研究，并同步完成了風機適應性分析，依據這些研究及分析結果，能確定市場主流機型、風機容量范圍，此后，以不同機型方案來確定風機機位，并布置海纜路由。海上風電場不同于陸地風電場，其環境復雜，為選出合理的風機，相關人員需進一步綜合風電場發電量、尾流、涉海面積、海底地形條件、地質條件等因素，組織經濟性、技術性對比與評估，選擇最優選型方案。

在布置風機時，應從技術可行性、經濟合理性角度確定風機位置、相鄰風機的間距，以減小尾流對風機運行的干擾，控制風機之間的海纜長度，以減少電能消耗，降低施工成本。

2.3 風電機組選型方案

結合本項目現場的風資源情況，測風塔高度主風向、風能主要集中在NNE 扇區。風場風向、風能資源集中，此情況下，為遵循相應規范布置風機，需將風機布置在主導風向分布區間的中間位置，但需控制不同風機之間的距離。因為此項目屬于低風速海上風電場，風能資源條件一般，為提高發電量，應配備高效率風機。上述規劃工作后，考慮到風機廠家的供貨能力，機組先進性、經濟性等因素，最終本項目的單機容量為8500 ～14000kW。

雙饋發電機組的體積小、質量輕、成本低、可調速區間大，很多海上風電項目中均采用的是這一風電機組。即使如此，雙饋發電機組在運行使用過程中也存在問題，如齒輪箱易出現磨損、斷齒、漏油等問題，且傳動效率偏低，可靠性不足，維護難度大且工作量大。直驅型永磁機組的功率大、效率高、可靠性好、維護工作量小、低電壓穿透能力好，但此類風機也存在體積龐大、重量大、造價高等缺點。半直驅風電機組融合了雙饋與直驅機組的優勢。海上風電場的運輸及安裝條件也是影響風機選型的重要因素。相對而言，海上風機運輸、安裝船舶的施工能力較強，風機吊裝與運輸的便捷性較高，但海上風機的維護困難，成本較高。針對大兆瓦風電機組，可優先采用直驅、半直驅類型風機，這兩種風機均符合本項目現場條件。

結合本海上風電項目，主要選擇了直驅/半直驅型發電機，相關參數如表1 所示。

表1 風機機組參數

2.4 風機選型注意事項

2.4.1 建立專業化工作團隊

海上風電項目的風機選型是一項專業性工作，參與此項工作中的人員必須儲備大量的專業知識，且具有豐富的工作經驗，能在選型時收集大量的資料，并展開一系列計算與分析。因此，項目負責人應將風機選型交由專業人員來負責，從項目團隊中調取不同專業的人才，由這些人才組建臨時性工作團隊，并對這些人才開展崗前培訓，引導他們掌握風機選型的大量知識，使后續該團隊在工作時發揮每個成員的專業優勢。另外，該工作團隊在選型時也需要積極與其他工作團隊、部門溝通，分享各自在風機選型方面的建議，從相互交流中調整選型方案。

2.4.2 建立完善的工作制度

風機選型時，需多個部門、崗位人員參與到其中，為保障工作效果，企業需針對海上風電項目的風機選型要求，結合行業規范制定完善的工作制度，在此制度中應包含風機選型工作流程、部門間與崗位間的溝通與協調方式、責任劃分等。正式開始項目選型時，有關部門需在企業內分崗位、分專業組織培訓活動，向每個人員傳授風機選型的更多知識，使他們了解選型規范。當然，制度體系中也應該包含責任機制，清晰劃分各部門、崗位人員在風機選型方面的責任，各部門、崗位人員在實際的工作中應切實履行其職責。一旦風機選型過程中出現問題，相關部門應立即定責、追責，追究人員責任，給予一定的懲罰。

2.4.3 應用先進技術

當前，我國進入了信息時代，風機選型方面也需要積極利用信息技術，由計算機系統完成自動選型。傳統的風機選型工作大部分需要人工完成，人工工作量大，不僅需整合已有的信息，還需要篩選數據、完成計算，極易出現計算錯誤等情況，影響選型工作。通過建立計算機系統，相關人員直接將已有信息錄入系統，可直接由系統自動對比，得到最優的選型結果。

3 結語

綜上，風機選型對海上風電項目的實施進度、效果等存在直接影響。由于市場風機型號、性能的多樣性，相關人員在海上風電項目中應根據環境、氣候等特點，再充分考慮項目發電量、效率等要求，優化選型方式，選定最優的風機設備。