中國海上風(fēng)電技術(shù)的挑戰(zhàn)與應(yīng)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(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；3.沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

經(jīng)驗交流

中國海上風(fēng)電技術(shù)的挑戰(zhàn)與應(yīng)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(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；3.沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

近年來，海上風(fēng)電的開發(fā)和利用越來越受全球重視。文中介紹了歐洲國家海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)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(fēng)電發(fā)展動態(tài)，著重敘述了我國的海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀，提出了我國海上風(fēng)電技術(shù)需要面對的一些挑戰(zhàn)，據(jù)此提出了幾點應(yīng)對策略，可供我國海上風(fēng)電企業(yè)參考。

海上風(fēng)電；裝機(jī)容量；近海；潮間帶；運輸?shù)跹b

隨著風(fēng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)機(jī)型的大型化已成為發(fā)展趨勢。與大陸上風(fēng)電不同，海上風(fēng)電場經(jīng)常會面臨浮水、臺風(fēng)、鹽霧等惡劣自然條件的影響，這給電網(wǎng)的合理調(diào)度造成了很大困難。

近幾年來，海上風(fēng)電風(fēng)靡全球，海上取之不盡、用之不竭的風(fēng)能倍受全世界各國的關(guān)注，海上風(fēng)電成為全球電力行業(yè)的焦點。原因如下：一是海上風(fēng)電的風(fēng)資源豐富、風(fēng)能傳播穩(wěn)定、不占用土地面積、不消耗水資源、發(fā)電利用小時數(shù)高、最重要的是對生態(tài)環(huán)境影響很小；二是相比大陸風(fēng)電而言，海上風(fēng)能具有連續(xù)性，尤其是近海風(fēng)電場的出力效率更高，且靠近傳統(tǒng)電力負(fù)荷中心，便于電網(wǎng)消納，省去了長距離輸電耗能的問題［1－10］。我國的海上風(fēng)電技術(shù)還處于不成熟階段，給海上施工和相應(yīng)安裝技術(shù)帶來了巨大挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)成為我國海上風(fēng)電的重要研究課題。

1 國內(nèi)外海上風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

目前，歐洲的海上風(fēng)電技術(shù)正處于初期發(fā)展階段，在成本調(diào)配和技術(shù)創(chuàng)新方面還有很大的發(fā)展空間，越來越多的50 m以上的深海設(shè)計正在研發(fā)中。歐洲的海上風(fēng)電裝機(jī)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(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀見表1。

在亞洲國家當(dāng)中，除中國以外，韓國、日本的海上風(fēng)電發(fā)展步伐最為迅猛。韓國的海上風(fēng)電項目主要來自現(xiàn)代重工和三星重工，2014年初，現(xiàn)代重工以單機(jī)容量為5.5 MW海上風(fēng)機(jī)在濟(jì)州島已開始施工，同時，三星重工也以總裝機(jī)84 MW容量在濟(jì)州島開始建設(shè)風(fēng)電場，單機(jī)容量為7 MW。韓國計劃在2016年裝機(jī)總?cè)萘繛?00 MW的海上風(fēng)電，到2019年裝機(jī)容量達(dá)1.5 GW；日本的海上風(fēng)電起步先于韓國，其單機(jī)容量為4 MW的漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)成熟，到目前為止，日本的海上風(fēng)電機(jī)組總?cè)萘恳堰_(dá)49.6 MW。

表1 英國、丹麥、比利時、德國的海上風(fēng)電發(fā)展綜合對照表

表2 Cape Wind項目block island項目海上風(fēng)電信息對比表

在美洲國家當(dāng)中，美國海上風(fēng)電發(fā)展最為盛行。近2年，關(guān)于美國海上風(fēng)電的新能源報道不斷涌現(xiàn)。據(jù)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(fēng)能潛力巨大，僅美國淺海海域的風(fēng)能發(fā)電量就可達(dá)到90 GW。相當(dāng)于美國當(dāng)前陸上風(fēng)力發(fā)電量的3倍，所以，海上風(fēng)能項目的獲批被認(rèn)為是為美國的可再生能源開辟了新領(lǐng)域［13］。目前，美國最大的海上風(fēng)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(fēng)電項目，像風(fēng)能中心海上風(fēng)電場（Wind Energy Center）、緬因州“海風(fēng)”試點項目（Hywind Maine Pilot Project）、水之風(fēng)海上風(fēng)電場（Aqua Ventus）和大西洋城風(fēng)電場（Atlantic City Wind Farm）尚還處于融資階段，有待于開發(fā)。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)目前真正意義上的海上風(fēng)電場主要是東海大橋100 MW海上風(fēng)電場和江蘇沿海區(qū)域的海上試驗風(fēng)機(jī)。我國海上風(fēng)電主要集中在東部沿海地區(qū)，其先天性的優(yōu)越條件和地理優(yōu)勢成為我國海上風(fēng)電事業(yè)得以發(fā)展的一項潮流。我國東部沿海區(qū)域交通便利、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)與上層建筑接軌融洽，均有發(fā)展為國際化電力都市的潛能，但火電、水電缺乏，而海上風(fēng)電資源豐富，建設(shè)條件好、工業(yè)基礎(chǔ)雄厚，已展現(xiàn)出海上風(fēng)電發(fā)展獨特的優(yōu)點。

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

截至2014年初，獲得國家或省能源主管部門同意推進(jìn)的項目分布省市及裝機(jī)容量如圖1所示，項目總?cè)萘繛? 100 MW，各省市的裝機(jī)容量比例如圖2所示。目前，全國還有正處于調(diào)研階段的海上風(fēng)電項目可達(dá)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(fēng)電項目預(yù)可研報告編制完成，見圖3，項目規(guī)模比例見圖4。

圖1 2014年各省份海上風(fēng)電項目裝機(jī)容量柱狀圖

圖2 2014年各省份海上風(fēng)電項目裝機(jī)比例

圖3 2014年各省份海上風(fēng)電項目規(guī)模柱狀圖

圖4 2014年各省份海上風(fēng)電項目規(guī)模比例

2 我國海上風(fēng)電技術(shù)的挑戰(zhàn)

我國海上風(fēng)電技術(shù)挑戰(zhàn)的分類框圖如圖5所示，對此分類框圖做詳細(xì)分析如下。

2.1 施工挑戰(zhàn)分析

海上風(fēng)電技術(shù)經(jīng)常要面對的是氣象、水文情況，吊裝作業(yè)的施工挑戰(zhàn)［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(fēng)、海霧均是影響海上風(fēng)電的客觀因素，其中臺風(fēng)和潮汐是海上風(fēng)電技術(shù)最具代表性的挑戰(zhàn)因素，海霧是海上風(fēng)電技術(shù)最常見的挑戰(zhàn)因素。

圖5 我國海上風(fēng)電技術(shù)挑戰(zhàn)的分類框圖

a.根據(jù)氣象資料統(tǒng)計，臺風(fēng)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(xiàn)多次臺風(fēng)，海上風(fēng)況復(fù)雜，風(fēng)機(jī)機(jī)組及整體支撐結(jié)構(gòu)均需要考慮臺風(fēng)的影響，大大增加了海上風(fēng)電場的建設(shè)難度和成本。

b.潮汐挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在風(fēng)暴潮、強(qiáng)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(qū)，平均潮差5 m以上。與陸上風(fēng)機(jī)不同的是，沿海地區(qū)的灘涂以及淺水海床等環(huán)境，海上運維作業(yè)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(fēng)暴、團(tuán)霧、暴雨天氣，導(dǎo)致其海上維護(hù)作業(yè)的周期減短，產(chǎn)生很大的安全隱患。風(fēng)暴潮受到大氣劇烈的擾動，如強(qiáng)風(fēng)、氣壓驟變導(dǎo)致海平面不正常的升降差，同時和天文潮疊加恰好形成強(qiáng)烈的低氣壓風(fēng)暴涌浪導(dǎo)致的高涌浪，再與天文高潮疊加便會對風(fēng)電作業(yè)造成更大的破壞力，這會給海上施工作業(yè)帶來硬性的麻煩。強(qiáng)涌浪和大潮差主要是給樁基、吊裝作業(yè)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(yè)無法通過暫停來規(guī)避。

c.海霧是出現(xiàn)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(yè)、海洋開發(fā)均有重要影響，是海上重要的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。對海上風(fēng)電場建設(shè)來說，海霧既影響海上施工安全，又影響到整個風(fēng)電場的建設(shè)工期。

2.1.2 吊裝技術(shù)

目前，世界上海上風(fēng)機(jī)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(shè)備單件質(zhì)量比整體要小得多，重心比整體吊裝要低，且穩(wěn)定、安全，控制難度比整體吊裝小，所以目前最流行的海上風(fēng)電安裝方式還是分體安裝。要進(jìn)行海上分體吊裝作業(yè)，必須具備2個條件：安裝船舶抗風(fēng)浪能力要好；使用的吊裝設(shè)備能盡可能減少海上配套船機(jī)設(shè)備的使用。但是由于我國東南近海表層淤泥質(zhì)地基可能導(dǎo)致平臺樁腿入泥深度達(dá)10 m以上，造成樁腿深陷泥土中而無法拔出的現(xiàn)象發(fā)生，因此目前國內(nèi)現(xiàn)有海上起吊船機(jī)設(shè)備無法滿足海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)分體吊裝要求。

2.2 技術(shù)挑戰(zhàn)分析

海上風(fēng)電技術(shù)經(jīng)常要面對的是機(jī)組設(shè)備技術(shù)、風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)技術(shù)的挑戰(zhàn)。

2.2.1 機(jī)組設(shè)備技術(shù)

從機(jī)組設(shè)備技術(shù)角度來看，我國海上風(fēng)電機(jī)組不可避免地要面對氣象環(huán)境、場地及施工、技術(shù)的先進(jìn)性及可靠性、發(fā)電量、設(shè)備廠家的技術(shù)力量和服務(wù)水平、經(jīng)濟(jì)性和其他因素條件的約束。目前可供選擇的風(fēng)機(jī)主要有金風(fēng)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(jī)型等。但國內(nèi)的海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)備現(xiàn)階段正處于少量生產(chǎn)、樣機(jī)研制和試驗階段，還沒有經(jīng)過長時間的實際運行的經(jīng)驗，機(jī)組成熟性及可靠性還需要進(jìn)一步驗證。

2.2.2 沉樁技術(shù)

從風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)技術(shù)的角度來看，我國海上風(fēng)機(jī)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(shù)挑戰(zhàn)。樁基規(guī)格對照表如表3所示。

表3 單樁、多樁規(guī)格對照表

我國海上風(fēng)機(jī)的樁基沉樁方法主要有液壓錘擊沉樁、液壓振動聯(lián)動沉樁和鉆孔灌注沉樁［14］。我國的海上沉樁技術(shù)經(jīng)常要面對護(hù)筒變形、塌孔、鋼筋籠偏位、斷樁的技術(shù)挑戰(zhàn)。

在海上鉆孔樁施工過程中，護(hù)筒變形是最常見、影響最大的事故。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)鉆孔灌注樁施工時，鋼護(hù)筒將穿越較深的淤泥質(zhì)土層，護(hù)筒沉放時，環(huán)向應(yīng)力較大，可達(dá)38～96 MPa，其與按薄壁圓管非彈性屈曲環(huán)向臨界應(yīng)力計算得到的護(hù)筒屈曲臨界應(yīng)力相當(dāng)，護(hù)筒壁太薄時可能會導(dǎo)致護(hù)筒變形。

塌孔一般主要是因為孔內(nèi)泥漿低于孔外水位或泥漿密度小，或者在細(xì)砂、粉砂層中鉆進(jìn)時泥漿密度小，進(jìn)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(shù)人員經(jīng)驗不足，造成偏位；定位筋易擠入土質(zhì)孔壁，達(dá)不到實際應(yīng)用效果；鋼筋籠在焊接時，焊肉使得上下錯位，不同軸，導(dǎo)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(yīng)中斷、導(dǎo)管密封圈失效和導(dǎo)管被大塊物體堵塞所致。

3 我國海上風(fēng)電發(fā)展的應(yīng)對策略

3.1 制定海上運行維護(hù)策略

海上風(fēng)電場運行維護(hù)策略可以以風(fēng)電場規(guī)模、人員配置、風(fēng)機(jī)可靠性、機(jī)組故障分類及其嚴(yán)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(hù)交通工具性能特征和租賃專業(yè)海上交通工具的性能特征為基礎(chǔ)依據(jù)，建立運行維護(hù)成本模型，以實現(xiàn)海上風(fēng)電場最大經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，制定運行維護(hù)策略并進(jìn)行優(yōu)化，最終確定例行維護(hù)周期、備品備件儲量、故障及時維修程度。根據(jù)海上風(fēng)電機(jī)組本省的故障特性，結(jié)合海上風(fēng)電場的氣象、水文規(guī)律，以及運維船舶費用和人力成本，計算分析海上風(fēng)電場可利用率以及年發(fā)電量，得到最優(yōu)的運行維護(hù)方案以實現(xiàn)海上風(fēng)電場的經(jīng)濟(jì)效益最大化。

3.2 建立海上風(fēng)電發(fā)展激勵政策

a.制定合理的海上風(fēng)電購電協(xié)議。

b.減免稅收。

c.整合現(xiàn)有風(fēng)機(jī)制造業(yè)，提高生產(chǎn)能力，為海上風(fēng)電發(fā)展服務(wù)。

d.實行“產(chǎn)學(xué)研”聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)。

e.給予土地和海域使用權(quán)的支持。

f.加快人才引進(jìn)和培育。

3.3 分體安裝起重船中型化改裝

借鑒國外海上風(fēng)電大國的實施經(jīng)驗，專業(yè)風(fēng)機(jī)安裝船或由集裝箱改造而成或?qū)ｉT制造，可以選擇在船的左右兩側(cè)裝備液壓自升支腿系統(tǒng)。運輸?shù)竭_(dá)安裝地點時，先拋錨，再通過液壓系統(tǒng)放下支腿至海床面，依靠液壓支腿承受整個船身和所載設(shè)備的荷載，這樣海上的風(fēng)浪就不會造成船體左右晃動，可以保證分體安裝過程的穩(wěn)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(fēng)機(jī)安裝船是可行的，再配合船舶錨泊系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)，可以滿足風(fēng)機(jī)的安裝要求。

4 結(jié)束語

經(jīng)過多年來海上風(fēng)電的發(fā)展，國外尤其是歐美地區(qū)的海上風(fēng)電技術(shù)逐漸成熟，已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模研發(fā)階段。雖然我國缺乏海上風(fēng)電建設(shè)經(jīng)驗，海上風(fēng)電技術(shù)并不成熟，給海上風(fēng)電帶來了各種施工和技術(shù)上的挑戰(zhàn)，但我國的海上風(fēng)能資源測量與評估技術(shù)已經(jīng)起步，相信不久就會取得突破性的進(jìn)展。目前我國缺乏海上風(fēng)電建設(shè)激勵政策和技術(shù)改進(jìn)創(chuàng)新策略，并且有關(guān)技術(shù)規(guī)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(fā)電技術(shù)。

2015－11－11）