海上風(fēng)電場建設(shè)重大工程問題探討

張超然，李 靖，劉 星

(中國長江三峽集團(tuán)公司，湖北宜昌 443000)

1 前言

風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，與傳統(tǒng)能源相比，風(fēng)力發(fā)電不依賴礦物能源，沒有燃料價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)電成本穩(wěn)定，也沒有包括碳排放等環(huán)境成本。此外，可利用的風(fēng)能在全球范圍內(nèi)分布都很廣泛。正是因?yàn)橛羞@些獨(dú)特的優(yōu)勢，風(fēng)力發(fā)電逐漸成為許多國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，發(fā)展迅速。與陸地相比，海上風(fēng)力發(fā)電具有環(huán)境污染小、風(fēng)況優(yōu)于陸地、風(fēng)湍流強(qiáng)度小、風(fēng)切變小、各種干擾限制少及海上風(fēng)電場不占土地等優(yōu)點(diǎn)［1］，因此，風(fēng)電的大規(guī)模開發(fā)潛力在海上，特別是水深小于15 m的淺海，更是今后幾十年風(fēng)電發(fā)展的方向。

從歐洲近海風(fēng)電考察情況分析，歐洲海上風(fēng)電經(jīng)過17年的試驗(yàn)、示范、商業(yè)化開發(fā)，無論從風(fēng)電機(jī)組制造，還是運(yùn)輸、安裝技術(shù)和設(shè)備都比較成熟，目前正在進(jìn)入規(guī)模化發(fā)展階段。2008年以來雖然遭受金融危機(jī)，但隨著全球化石能源的枯竭和對碳排放的限制，歐洲海上風(fēng)電仍加速發(fā)展。

在我國，可以預(yù)計(jì)在未來十年，如果得到政策鼓勵(lì)并在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)突破，海上風(fēng)電也將得到迅速的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國近海海域10 m高處風(fēng)能資源總蓄量為700 GW，風(fēng)能資源非常豐富。根據(jù)浙江省風(fēng)電規(guī)劃，到2010年全省建成陸上風(fēng)電300 MW;到2015年建成500 MW，其中海上風(fēng)電約150 MW;到2020年建成900 MW，其中海上風(fēng)電300 MW。根據(jù)江蘇省風(fēng)電規(guī)劃，到2010年，全省建成陸上風(fēng)電裝機(jī)1 500 MW;到2020年，全省建成風(fēng)電裝機(jī)10 000 MW，其中，陸上風(fēng)電場3 000 MW，海上風(fēng)電場7 000 MW。

2 風(fēng)電發(fā)展及面臨的問題

發(fā)展海上風(fēng)電是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及風(fēng)能資源、海上風(fēng)電設(shè)備制造、海上風(fēng)電場運(yùn)行維護(hù)、電網(wǎng)建設(shè)等諸多領(lǐng)域，目前仍存在著一些制約性的問題，尤其是海上風(fēng)電，主要有以下兩個(gè)主要問題有待突破。

2．1 風(fēng)電成本太高

在世界范圍內(nèi)，風(fēng)電從技術(shù)上來說已經(jīng)成熟，但是目前相對于傳統(tǒng)發(fā)電方式來說風(fēng)電成本還是偏高。根據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)的測算［2］，陸上風(fēng)電的投資成本在800～1 150歐元/kW，發(fā)電成本在4～6歐分/(kW·h)，海上風(fēng)電的投資和發(fā)電成本分別比陸上高出50%～100%，投資成本在1 250～1 800歐元/kW，發(fā)電成本在7．1～9．6歐分/(kW·h)，依據(jù)資源條件不同而有所變化。在我國，由于未掌握風(fēng)機(jī)設(shè)備制造的關(guān)鍵技術(shù)，導(dǎo)致風(fēng)電成本居高不下，尤其是海上風(fēng)電，成本達(dá)到了1．0元/(kW·h)以上，在目前電價(jià)政策下，直接限制了海上風(fēng)電的發(fā)展。

2．2 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)的沖擊

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的特點(diǎn)及其運(yùn)行特性，風(fēng)電對電網(wǎng)的影響一般有如下幾點(diǎn)［3］:a．風(fēng)電輸出功率的大幅變動(dòng)對電網(wǎng)的影響;b．風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)的無功功率影響;c．風(fēng)電對并網(wǎng)潮流分布的影響;d．風(fēng)力發(fā)電的諧波對電網(wǎng)的影響;e．風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)的沖擊;f．對公共連接點(diǎn)電能質(zhì)量的影響。因此，風(fēng)力發(fā)電能順利并入一個(gè)地區(qū)電網(wǎng)的電量，主要取決于電力系統(tǒng)對供電波動(dòng)反應(yīng)的能力，雖然從理論上分析，電網(wǎng)系統(tǒng)中風(fēng)電容量占20%并不存在很大的技術(shù)問題，但電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)踐表明［4］，在歐洲風(fēng)電容量達(dá)到10%、我國達(dá)到5%之后，整個(gè)電網(wǎng)就會(huì)面臨可能發(fā)生的沖擊，造成難以預(yù)料的結(jié)果。而海上風(fēng)電的開發(fā)必須具有規(guī)?；?yīng)，其成本才會(huì)有較大幅度的降低。

以上原因是制約目前國內(nèi)海上風(fēng)電開發(fā)的主要原因，截止到目前為止，僅有上海東海大橋完成了部分海上風(fēng)機(jī)的安裝工作。

3 三峽集團(tuán)公司在海上風(fēng)電領(lǐng)域所做的工作

3．1 降低海上風(fēng)電成本

通常的海上風(fēng)電場成本中風(fēng)電機(jī)組約占一個(gè)風(fēng)電場全部費(fèi)用的30%，其他(基礎(chǔ)、塔筒、海底電纜、風(fēng)電場的施工、運(yùn)行和維護(hù)等)約占70%［1］。因此海上專用風(fēng)機(jī)、近海風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)和海上風(fēng)機(jī)的吊裝施工被認(rèn)為是造成近海風(fēng)電成本較高的3個(gè)主要因素。

3．1．1 海上施工關(guān)鍵技術(shù)

三峽集團(tuán)公司響應(yīng)國家號召，積極推動(dòng)沿海和近海風(fēng)電的開發(fā)，2006年底三峽集團(tuán)公司牽頭聯(lián)合中國水利水電科學(xué)研究院、中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院、河海大學(xué)共同承擔(dān)了國家科技部提出的“大功率風(fēng)電機(jī)組研制與示范”研究項(xiàng)目(國家“十一五科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目”)中的十一課題(近海風(fēng)電場選址及風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行、維護(hù)技術(shù)開發(fā))和十二課題(近海風(fēng)電機(jī)組施工、測試專用設(shè)備的研制)，十一課題側(cè)重于海上施工關(guān)鍵技術(shù)的研究，十二課題側(cè)重于海上風(fēng)機(jī)吊裝技術(shù)的研究。根據(jù)任務(wù)書要求，2009年底在近海建設(shè)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的2 MW海上示范風(fēng)機(jī)一臺，并示范運(yùn)行2 000 h。江蘇響水海上示范風(fēng)機(jī)已于2009年11月23日順利完成吊裝作業(yè)，風(fēng)機(jī)離岸3．5 km，采用半潛駁坐底配合履帶吊分體安裝方案。

該項(xiàng)目主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究:

1)海上測風(fēng)技術(shù):率先在江蘇響水示范風(fēng)機(jī)位置設(shè)計(jì)、建設(shè)了兩座真正意義上的海上測風(fēng)塔(江蘇近海地區(qū)第1，2座，我國第3，4座)，收集了1．5 a的測風(fēng)數(shù)據(jù)和1 a的海洋觀測數(shù)據(jù)。江蘇響水海上測風(fēng)塔高70 m、樁基礎(chǔ)深4×50 m，塔架采用四樁正方形布置，與國內(nèi)已有的兩座測風(fēng)塔采用高樁現(xiàn)澆混凝土承臺的設(shè)計(jì)不同，在設(shè)計(jì)施工過程中，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了海上施工向陸上轉(zhuǎn)化的設(shè)計(jì)理念，采用了鋼承臺的結(jié)構(gòu)形式，減少了海上作業(yè)的工程量，鋼承臺可以在陸地加工完成，施工時(shí)只需起重船吊裝就位即可，大大減少海上施工的時(shí)間和節(jié)省施工成本;通過室內(nèi)試驗(yàn)和大量計(jì)算，樁體與承臺的連接方式采用了高強(qiáng)灌漿材料灌注為主的關(guān)鍵技術(shù)(見圖1)，經(jīng)規(guī)范方法計(jì)算和有限元方法校核以及現(xiàn)場運(yùn)行考驗(yàn)，連接段整體受力較好，能滿足不同環(huán)境荷載下受力要求，為海上風(fēng)電機(jī)組采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)施工提供了第一手資料。開展了適合我國近海地區(qū)的測風(fēng)塔基礎(chǔ)形式、數(shù)據(jù)采集傳輸分析方法等技術(shù)研究，取得了較為豐富的成果，為類似工程和風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)積累了海上設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)。

圖1 承臺/鋼管樁連接示意圖Fig．1 Cap/steel pipe pile connection diagram

2)海上風(fēng)資源評估:利用兩座海上測風(fēng)塔和附近灘涂5座陸地測風(fēng)塔的豐富測風(fēng)數(shù)據(jù)及響水氣象站近30年的氣象資料進(jìn)行了海陸風(fēng)對比、環(huán)境因素對測風(fēng)數(shù)據(jù)的影響以及風(fēng)速與潮位的對應(yīng)關(guān)系等項(xiàng)目的研究。海陸風(fēng)相關(guān)性分析及風(fēng)速與潮位相關(guān)關(guān)系分析顯示，海、陸風(fēng)資源在16風(fēng)向扇區(qū)具有較好的相關(guān)性，潮位對低高度的風(fēng)速有一定的影響。海上風(fēng)資源具有較小的湍流強(qiáng)度、風(fēng)切變指數(shù)和較小的空氣密度，與灘涂及內(nèi)陸風(fēng)資源比較，近海海域風(fēng)況優(yōu)于陸上，適合大規(guī)模開發(fā)近海風(fēng)電場。提出了可移動(dòng)式測風(fēng)塔的概念，并完成了移動(dòng)式測風(fēng)塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、就位固定、浮運(yùn)移動(dòng)等關(guān)鍵技術(shù)的研究，為海上測風(fēng)塔提供了一種新的結(jié)構(gòu)形式，可進(jìn)一步減少測風(fēng)成本和實(shí)現(xiàn)快速、移動(dòng)測風(fēng)的要求，具有較好的推廣前景。

3)近海風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的研究:結(jié)合選定風(fēng)電場區(qū)域的地質(zhì)條件(我國東部近海區(qū)域大多上覆10～15 m淤泥質(zhì))，進(jìn)行了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式的研究，提出了單樁、3樁(見圖2)、4樁、5樁、群樁(見圖3)、輔助樁以及筒形基礎(chǔ)等多種基礎(chǔ)形式，并結(jié)合我國的實(shí)際海上施工能力，開展了大口徑樁基施工技術(shù)、樁基承臺水平度調(diào)整技術(shù)和基礎(chǔ)精確定位技術(shù)等專項(xiàng)技術(shù)的研究。鑒于現(xiàn)階段國內(nèi)成樁裝備技術(shù)水平，在樁徑小于2．5 m的條件下，施工能力和施工設(shè)備可行、施工技術(shù)較為成熟。多樁方案結(jié)構(gòu)較優(yōu)，目前樁基礎(chǔ)形式可采用高樁承臺多樁方案，但導(dǎo)管架基礎(chǔ)方案設(shè)計(jì)依據(jù)和技術(shù)優(yōu)勢明確，在提高施工技術(shù)水平前提下應(yīng)盡快實(shí)施。

圖2 三樁基礎(chǔ)示意圖Fig．2 Tri－pile foundation of offshore w ind turbine

圖3 群樁基礎(chǔ)示意圖Fig．3 M ulti－ pile foundation of offshore w ind turbine

4)環(huán)境載荷對基礎(chǔ)作用力的影響研究:除了對自重、風(fēng)荷載、浪荷載等靜力荷載進(jìn)行分析外，重點(diǎn)對風(fēng)、浪等循環(huán)效應(yīng)下的動(dòng)力特性及風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力影響進(jìn)行研究，同時(shí)根據(jù)風(fēng)機(jī)高聳結(jié)構(gòu)的抗震要求，對地震動(dòng)參數(shù)選擇及輸入機(jī)制、結(jié)構(gòu)－基礎(chǔ)－海水－風(fēng)－地震聯(lián)合作用等進(jìn)行了詳細(xì)的地震分析。安排進(jìn)行現(xiàn)場振動(dòng)測試(見圖4)，得到風(fēng)電機(jī)組和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，從而驗(yàn)證機(jī)組和結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算成果，為有效采取振動(dòng)控制措施提供科學(xué)依據(jù)，對風(fēng)、海浪和機(jī)組運(yùn)行作用下測試基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)振動(dòng)量大小，完善結(jié)構(gòu)受力特性研究成果，為長期運(yùn)行安全、結(jié)構(gòu)損傷評價(jià)提供科學(xué)依據(jù)，為全體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)核和優(yōu)化提供依據(jù)。

5)海上風(fēng)機(jī)運(yùn)輸、吊裝技術(shù)研究:結(jié)合我國東部近海區(qū)域的海床條件(上覆10～15 m淤泥質(zhì)地層)，分別研究了分體式吊裝技術(shù)和整體式吊裝技術(shù)的適用條件和技術(shù)特點(diǎn)，并聯(lián)合中交三航局等海洋設(shè)計(jì)、施工單位對兩種吊裝方式的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。針對響水近?，F(xiàn)場海洋水文條件、海上風(fēng)電機(jī)組安裝的安全性和可靠性、施工可實(shí)現(xiàn)程度、施工工期等角度考慮，鑒于現(xiàn)場水深較淺，大型起重船無法進(jìn)入，提出采用半潛駁分體安裝方案(見圖5)，對潮間帶風(fēng)電機(jī)組安裝具有指導(dǎo)意義。

圖4 響水風(fēng)機(jī)振動(dòng)測試點(diǎn)布置示意圖Fig．4 Themeasured location of structural vibration of offshore w ind turbine on XiangShui

6)運(yùn)行、維護(hù)技術(shù):根據(jù)兩年來近海測風(fēng)塔建設(shè)施工和運(yùn)行管理所獲得的第一手資料，積累了一定的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，形成一整套關(guān)于海上測風(fēng)塔運(yùn)行維護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)，得出了維護(hù)設(shè)備的可進(jìn)入性分析尤其重要的結(jié)論，提高海上風(fēng)機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性是減少維護(hù)費(fèi)用最有效、最直接的方法。為今后的海上風(fēng)機(jī)維護(hù)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，可為類似工程的運(yùn)行與維護(hù)提供參考。結(jié)合我國沿海地區(qū)和示范風(fēng)電場區(qū)域的地理、氣象條件，研究風(fēng)電場的運(yùn)行和維護(hù)技術(shù)，提出了相應(yīng)的維護(hù)策略，并開發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)管理和系統(tǒng)支撐軟件。

3．1．2 海上風(fēng)機(jī)研發(fā)

圖5 半潛駁分體安裝方案Fig．5 Sem i－ submersible barge for installing offshore w ind turbine in stages

三峽集團(tuán)公司依托國內(nèi)兩大風(fēng)機(jī)制造商上海電氣和金風(fēng)科技，追蹤國內(nèi)外風(fēng)電技術(shù)發(fā)展趨勢，根據(jù)中國風(fēng)資源狀況、海洋條件以及并網(wǎng)和非并網(wǎng)應(yīng)用需要，提出適用于規(guī)模開發(fā)海上風(fēng)電的技術(shù)方案(三峽方案);根據(jù)三峽方案，提出和制定大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范(三峽標(biāo)準(zhǔn));通過引進(jìn)、消化、吸收等方式實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，自主研發(fā)適用于我國海洋條件的海上風(fēng)電技術(shù)，使風(fēng)機(jī)具有更高的可靠性和更低的制造成本，有效降低海上風(fēng)場開發(fā)的成本投入，提高海上風(fēng)場經(jīng)濟(jì)效益，為我國大規(guī)模開發(fā)近海風(fēng)電創(chuàng)造條件。截止到2009年底，在江蘇響水近海安裝了一臺上海電氣2 MW海上試驗(yàn)風(fēng)機(jī)，并在江蘇響水潮間帶安裝了上海電氣2 MW和金風(fēng)科技2．5 MW試驗(yàn)風(fēng)機(jī)各一臺，2010年還計(jì)劃安裝一臺3 MW半直驅(qū)海上試驗(yàn)風(fēng)機(jī)。通過近海試點(diǎn)，已在海上風(fēng)機(jī)的大功率化、風(fēng)機(jī)防腐防鹽霧等方面取得了長足進(jìn)步。

3．2 風(fēng)電的非并網(wǎng)應(yīng)用

除了研究提高電網(wǎng)的質(zhì)量，增加電網(wǎng)容納不穩(wěn)定功率的能力外，“非并網(wǎng)風(fēng)電”技術(shù)也可以為海上風(fēng)電提供一種可行的應(yīng)用方式。所謂“非并網(wǎng)風(fēng)電”，就是風(fēng)電系統(tǒng)的終端負(fù)荷不再是傳統(tǒng)的單一電網(wǎng)，而是直接應(yīng)用于一系列能適應(yīng)風(fēng)電特性的集中耗能產(chǎn)業(yè)及其他特殊領(lǐng)域。其主要特點(diǎn)是:將風(fēng)電直接應(yīng)用于用戶(負(fù)載)。風(fēng)電非并網(wǎng)運(yùn)行方式的優(yōu)勢體現(xiàn)在:a．可以采用直流電，減少電能轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，回避風(fēng)電上網(wǎng)引起的風(fēng)機(jī)電壓、頻率等控制問題，繞開電網(wǎng)這一限制風(fēng)電大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸，也避免了風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響;b．提高風(fēng)能利用效率，簡化風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)和風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)所需大量輔助設(shè)備，大幅度降低風(fēng)電設(shè)備的制造成本;c．風(fēng)電可以直接應(yīng)用于某些特定產(chǎn)業(yè)，變成工業(yè)生產(chǎn)的重要能源，明顯節(jié)約成本，形成產(chǎn)品的強(qiáng)大競爭力。因此，風(fēng)電非并網(wǎng)技術(shù)可以大幅降低風(fēng)機(jī)制造的難度和成本，可以減少并網(wǎng)運(yùn)行對電網(wǎng)的不利影響，可促進(jìn)風(fēng)電的進(jìn)一步發(fā)展。

三峽集團(tuán)公司聯(lián)合中國水利水電科學(xué)研究院已經(jīng)完成了非并網(wǎng)風(fēng)電應(yīng)用的前期調(diào)研，初步確定前期主要在我國東部沿海進(jìn)行海水淡化的非并網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)用和在西北內(nèi)陸地區(qū)進(jìn)行苦(咸)水淡化的非并網(wǎng)運(yùn)用。室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置(見圖6)已經(jīng)于2009年完成初步調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了變功率輸入風(fēng)電通過控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)海水淡化系統(tǒng)，使其適應(yīng)不確定的功率輸入，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、長期的淡化水作業(yè)。2010年8月，日產(chǎn)淡化水5 t的完全獨(dú)立風(fēng)電－海水淡化系統(tǒng)(見圖7)已經(jīng)在江蘇響水投入示范運(yùn)行。經(jīng)初步測算，若采用海上風(fēng)電進(jìn)行海水淡化，海水淡化成本可控制在6．00元/(m3·h)左右(海上風(fēng)電電價(jià)按1．00元/(kW·h)計(jì)算)。

圖6 獨(dú)立風(fēng)電－海水淡化試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)Fig．6 Simulating system of desalination of sea water by stand －alone w ind power in laboratory

圖7 獨(dú)立風(fēng)電－海水淡化系統(tǒng)現(xiàn)場示范運(yùn)行Fig．7 The system of desalination of sea water by stand－alone w ind power on－site

海水淡化的非并網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)用技術(shù)對風(fēng)電清潔能源的應(yīng)用和非常規(guī)水資源的技術(shù)開發(fā)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式等開辟了新的途徑，具有重要的技術(shù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

［1］ 李曉燕，余 志．海上風(fēng)力發(fā)電進(jìn)展［J］．太陽能學(xué)報(bào)，2004，25(1)，78 －83．

［2］ World Wind Energy Association(WWEA) ．World Wind Energy Report2008［R］．2009．

［3］ 顧衛(wèi)東．中國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展新戰(zhàn)略與風(fēng)電非并網(wǎng)理論［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006．

［4］ 高季章．我國近海風(fēng)電發(fā)展的若干問題探討［J］．水利水電技術(shù)，2009，40(9):1 －3．