海上風電勘測設計存在的問題及優(yōu)化思路淺析

馮宇

【摘 要】本文通過調(diào)研相關設計、施工以及設備制造企業(yè)，從風資源評估以及風電機組選型與布置、地質勘測、風機基礎選型與設計以及施工組織設計等各個專業(yè)層面，梳理了目前國內(nèi)海上風電項目在勘測設計階段存在的部分問題，并針對問題提出了優(yōu)化思路。

【關鍵詞】海上風電;優(yōu)化設計;風資源評估;地質勘測

中圖分類號： TM714.3;TM614 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）16-0028-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.012

Analysis on the Existing Problems and Optimization Ideas of Offshore Wind Power Survey and Design

FENG Yu

（Three Gorges Group Shanghai Survey and Design Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200434，China）

【Abstract】In this paper，through the investigation of related design，construction and equipment manufacturing enterprises，from the wind resources evaluation，wind turbine selection and layout，geological survey，fan foundation selection and design，construction organization design and other professional levels，This paper combs some problems existing in the survey and design stage of domestic offshore wind power projects，and puts forward some optimization ideas for the problems.

【Key words】Offshore wind power;Optimization design;Wind resource assessment;Geological survey

0 引言

海上風電是在陸上風電成熟后發(fā)展起來的，具有不占用土地資源、風能資源穩(wěn)定、靠近負荷中心等優(yōu)勢，已成為全球主要涉海國家新能源發(fā)展的重要領域。自上世紀90年代丹麥、荷蘭等國家率先建成試驗樣機以來，經(jīng)過近30年的持續(xù)推進，特別是近10年的快速發(fā)展，全球海上風電的裝機規(guī)模及產(chǎn)業(yè)升級均實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，我國作為海上風電新興市場也已經(jīng)進入發(fā)展的快車道，商業(yè)化、規(guī)?；_發(fā)海上風電的序幕已全面拉開。

目前海上風電還存在建設成本高、周期長、風險大的問題，近期國家能源主管部門出臺的一系列建設及價格新政也為未來海上風電的開發(fā)建設及成本控制提出了更高的要求。設計作為整個工程的前期環(huán)節(jié)，對于海上風電成本控制起著至關重要的作用，本文將從海上風電勘測設計的幾個主要環(huán)節(jié)，對海上風電場勘測設計中存在的問題進行梳理并提出優(yōu)化思路。

1 風資源評估以及風電機組選型與布置

1.1 重視前期測風工作，為風機選型與布置以及發(fā)電量估算提供可靠依據(jù)

海上測風工作是摸清待開發(fā)風電場風資源特征和規(guī)律的重要手段，是風電機組選型與布置以及發(fā)電量估算的重要依據(jù)。和陸上測風相比，海上測風工作具有施工復雜程度高、技術難度大、建設周期長、投資成本大等特點，因此部分項目由于工期和成本制約，在沒有進行海上測風或測風數(shù)據(jù)不完整的情況下開展了可行性研究甚至工程建設，造成風電機組選型和布置不夠合理，進而影響了整個風場的風資源利用效率和發(fā)電量水平。同時，在目前海上風電競價上網(wǎng)的大背景下，可靠完整的測風數(shù)據(jù)是準確估算發(fā)電量、提出合理報價的先決條件，直接影響著整個項目的最終收益率水平。

建議加強對海上風電測風工作的重視，同時研究推廣使用漂浮式激光雷達測風裝置等新技術提高測風數(shù)據(jù)的及時性，減少測風塔建設對項目總體進度的影響;海上風電項目必須在測風數(shù)據(jù)滿一年的情況下開展施工圖設計工作，保證風機布置的科學合理。

1.2 優(yōu)化風機選型，推進大容量機組應用

風電機組大容量化是目前降低海上風電機組投資成本的重要手段之一。對于總容量一定的風電場，大單機容量機組臺數(shù)少，繼而在吊裝費用、基礎費用、集電海纜費用、海域使用費以及工期上能夠帶來一定程度的節(jié)約。然而這并不意味著機組容量越大則經(jīng)濟效益越好。在特定風速條件下，海上風電場具有一個最佳功率等級。當風電機組功率等級低于該等級時，風電場內(nèi)部收益率與風電機組功率等級呈現(xiàn)正相關的趨勢;而當風電機組功率超過該功率等級后，風電場內(nèi)部收益率與風電機組功率等級呈現(xiàn)逆相關的趨勢。

初步研究結果表明，在7-8m/s風區(qū)的最佳功率等級在6MW左右，而在9-10m/s風區(qū)的最佳功率等級在8MW左右，因此建議在上海、浙江等III類風資源區(qū)域，推廣6MW級風電機組應用;在福建、廣東等I-II類風資源區(qū)域，探索推進8MW以上風電機組應用。

1.3 優(yōu)化修正方法，準確估算風電場上網(wǎng)電量

風電場估算年上網(wǎng)電量是在理論發(fā)電量的基礎上，考慮風機利用率、氣候影響、空氣密度、功率曲線、風機尾流、風機葉片腐蝕污染、控制和湍流強度、風電場內(nèi)能量損耗等因素的影響，對其進行修正，估算出風電場年上網(wǎng)電量。

通過比較多個已完成可研的海上風電項目，在修正系數(shù)的選擇上存在著不小的差異。對于尾流折減系數(shù)，取值的誤差主要來自尾流模型的選取以及模型參數(shù)的取值。除尾流損失外的修正系數(shù)取值目前尚缺乏科學系統(tǒng)的方法，因此部分因素的修正系數(shù)取值具有較大的隨機性。

由于修正系數(shù)直接影響著最終發(fā)電量的估算，因此優(yōu)化修正系數(shù)選取方法，縮小取值范圍，對開發(fā)商在未來海上風電資源競爭性配置中報出準確、合理的上網(wǎng)電價具有重要意義。建議通過分析實際項目數(shù)據(jù)，利用科學的統(tǒng)計學方法優(yōu)化修正系數(shù)取值，力求實現(xiàn)修正系數(shù)的科學、準確。

2 地質勘測

2.1 加強地質勘測質量控制，確保數(shù)據(jù)的可靠性

由于設備和成本制約，目前海上風電的勘測工作大都由設計院外包給專業(yè)的勘測團隊承擔。由于勘測團隊的水平參差不齊且缺乏有效監(jiān)督，部分施工單位反映部分地勘資料可能存在不準確甚至做假的情況，對設計和施工都會產(chǎn)生不利影響。

建議加強地質勘測質量控制，對地勘的各個環(huán)節(jié)實行有效監(jiān)督，推行勘測設計監(jiān)理制度，對地勘結果的準確性進行后評估，作為后續(xù)項目選擇地勘團隊的依據(jù)。

2.2 探討試樁工程的必要性，減小試樁工程對項目工期的影響

試樁工程是通過原位試驗的方法驗證項目所在區(qū)域土層的力學參數(shù)，以達到修正計算模型、優(yōu)化設計的目的。試樁工程作為地質勘測的補充，對于摸清陌生海域的地質特點具有一定的意義。然而在實際工程中，試樁工程需要占用大量的施工窗口期，對項目工期會產(chǎn)生較大的影響。同時，由于目前基于實驗和經(jīng)驗公式的土層力學參數(shù)估算方法已經(jīng)趨于成熟，而且已在多年的港口、橋梁工程實踐中被充分檢驗，因此隨著海上風電工程經(jīng)驗的日趨豐富，簡化甚至省略試樁工程，應是可以預見的趨勢。

建議根據(jù)項目具體情況，探討試樁工程的必要性，對于地質條件較好或項目經(jīng)驗較多的地區(qū)，考慮省略試樁工程以節(jié)約成本并加快施工建設進度。

3 風機基礎選型與設計

3.1 加強設計階段對施工因素的考慮

風機基礎的投資約占全項目投資的20%～25%，并且與項目建設進度有很大的相關性。和陸上風電不同，海上風電基礎的選型與設計很大程度上受船機能力等施工因素的制約。目前部分設計單位由于缺乏實際施工經(jīng)驗，在基礎選型時往往只關注某種基礎型式的技術特點和造價成本，對施工組織難度的考慮不足。

建議在符合國家相關政策法規(guī)的前提下，通過技術咨詢、方案評審等方式引入可靠的施工合作單位提前介入設計階段，在前期把控設計方案的施工難度，降低后期因設計方案難以施工導致的工期延誤和成本上升。

3.2 探索切實可行的一體化設計方案

在大多數(shù)結構工程中，一個構筑物的上部結構和基礎的設計工作是由同一家設計單位承擔的，這樣有利于整體考慮結構各部分剛度分布，準確模擬結構動態(tài)響應，從整體上實現(xiàn)優(yōu)化設計。目前國內(nèi)的海上風電基礎工程，由于知識產(chǎn)權和資質的制約，風機的基礎和上部塔筒分別由設計院和風機廠家設計，這不僅不利于結構整體響應的模擬，造成技術上的缺陷，同時由于設計院和風機廠家往往傾向于基于自身考慮而過度設計，造成人為的成本增加。

建議通過加強業(yè)主、設計院和風機廠商溝通，共同探索適合國情的、符合各方利益的、切實可行的一體化設計組織方案，可以組織可靠的合作風機廠商提前介入設計，共同完成整體載荷計算，減少設計過程中由于溝通不暢造成的技術和非技術成本。

4 施工組織設計

4.1 優(yōu)化施工組織方案，提高施工窗口期功效

海上風電工程施工受海洋環(huán)境影響大，施工窗口期非常有限，隨著未來海上風電開發(fā)走向深遠海，施工環(huán)境將更加惡劣，窗口期勢必進一步壓縮。海上施工主要受船機設備和作業(yè)人員對自然條件適應能力兩方面共同限制。單純提高設備生存能力，并不能解決作業(yè)人員生理機能限制因素。

因而，應著重研究提高有效窗口期內(nèi)的施工效率，建議從以下幾個方面入手：一是充分收集不同海域自然條件資料，根據(jù)統(tǒng)計和實測資料，分析影響施工的自然條件因素，包括制約船機設備作業(yè)的因素和制約施工人員作業(yè)的因素;二是根據(jù)目前國內(nèi)海上風電主要船機設備作業(yè)工況，分析統(tǒng)計各個海域影響施工作業(yè)的時間和可施工的窗口期;三是分別對各種主流基礎形式和風機安裝從施工交通運輸、主體工程施工工藝流程入手，分析傳統(tǒng)功效，同時結合船機設備適應性的研究，提出提升窗口期施工功效的措施。

4.2 提高陸上預制構件比例，減少海上作業(yè)

由于海上施工成本高，風險大，受風浪、海流等自然條件制約明顯，因此提高陸上預制構件比例，盡量減少海上作業(yè)，是降低施工風險和成本的有效途徑之一。目前國內(nèi)設計單位已對此做出了積極探索，例如單樁基礎整體套籠技術和高樁承臺預制承臺技術，都是為了減少海上施工帶來的不確定性，使得項目工期安排更加靈活、可控。

建議設計方案要充分考慮海上施工成本，通過技術創(chuàng)新努力將更多的海上澆筑、焊接工序提前在陸上完成，減少海上施工工序和施工時間，將有限的施工窗口期更加充分地利用。

5 結語

經(jīng)過多年的工程實踐，目前國內(nèi)海上風電勘測設計水平已經(jīng)有了長足的提高，并已基本具備國內(nèi)各類海洋和地質條件下海上風電場的設計能力。然而，隨著國內(nèi)近海淺水海上風電資源的逐步開發(fā)完畢以及行業(yè)建設管理及價格政策的不斷調(diào)整，海上風電場的開發(fā)建設難度和成本控制壓力也在不斷提高，這就要求設計單位不斷改進設計方法、創(chuàng)新設計思路、加強成本控制意識，從而助力海上風電降本增效，逐步擺脫補貼依賴，實現(xiàn)長遠健康發(fā)展。