把握核心技術(shù)方向，突破海上風(fēng)電困局

文 | 張海亞

把握核心技術(shù)方向，突破海上風(fēng)電困局

文 | 張海亞

行業(yè)現(xiàn)狀

一、引言

4月6日，央視題為“甘肅千億風(fēng)電基地停擺”的新聞報道播出后，將棄風(fēng)限電問題推向了全社會討論的高潮。4月22日，國家能源局再次下發(fā)通知，要求到2020年，國內(nèi)所有火電企業(yè)所承擔(dān)的非水可再生能源發(fā)電量配額需占火電發(fā)電量的15%以上?；陲L(fēng)電和光伏的可利用小數(shù)相對火電較低，因此，未來4年內(nèi)，風(fēng)電和光伏的裝機(jī)容量要達(dá)到現(xiàn)有火電總裝機(jī)容量的30%甚至更多。

關(guān)于上述兩點的討論和解讀有很多，這里就不贅述了。需要指出的是，從密集的文件下發(fā)頻率及指標(biāo)的大幅提高中，可以感受到各大發(fā)電集團(tuán)受到的壓力。而棄風(fēng)限電是規(guī)劃、政策、利益分配和技術(shù)相互影響的系統(tǒng)性問題，短時間尚無有效解決措施。

二、大力開發(fā)海上風(fēng)電已成為共識

那么，在國家政策強(qiáng)力推進(jìn)和大規(guī)模棄風(fēng)限電夾縫中生存的各大發(fā)電集團(tuán)該何去何從呢？可選的路只有兩條，開發(fā)陸上低風(fēng)速資源和海上風(fēng)電。

對現(xiàn)階段陸上風(fēng)電場開發(fā)項目而言，盈虧平衡點大約為風(fēng)電機(jī)組年利用小時數(shù)2000小時。但面對平均風(fēng)速已低至5米/秒的廣大南方山區(qū)風(fēng)電場而言，即使風(fēng)輪直徑達(dá)到120米的2MW機(jī)型，也只能勉強(qiáng)達(dá)到這個標(biāo)準(zhǔn)。而風(fēng)電場建設(shè)還要受到地形、運(yùn)輸、征地、林業(yè)的諸多限制。一邊是發(fā)電效益受限，一邊是投資風(fēng)險增大，短時間來看，陸地低風(fēng)速風(fēng)電場無法快速大規(guī)模建設(shè)，不能完全滿足各大發(fā)電集團(tuán)期望的大規(guī)模建成投運(yùn)的目標(biāo)。

相比較而言，海上風(fēng)電資源豐富，平均風(fēng)速7米/秒以上，風(fēng)向穩(wěn)定，靠近負(fù)荷中心，而且單體項目動輒二三百兆瓦起，相當(dāng)于多個陸上項目同時建設(shè)，從發(fā)電收益和建設(shè)規(guī)模都滿足各大發(fā)電集團(tuán)的需求。因此，現(xiàn)階段大力開發(fā)海上風(fēng)電已成為各大發(fā)電集團(tuán)的共識。

三、海上風(fēng)電現(xiàn)狀

2008 年，我國第一個海上風(fēng)電場“上海東海大橋100MW 海上風(fēng)電示范項目”開工建設(shè)，2010年建成并網(wǎng)發(fā)電。根據(jù)中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會（CWEA）的數(shù)據(jù)，截至2015 年底，我國海上風(fēng)電全年新增裝機(jī)容量360.5MW，累計裝機(jī)容量為1014.68MW，這與“十二五”規(guī)劃中設(shè)定的海上風(fēng)電建設(shè)目標(biāo)5000MW相差甚遠(yuǎn)。但2015 年底已核準(zhǔn)待建的海上風(fēng)電項目達(dá)44個，裝機(jī)容量達(dá)10.53GW，這些項目都將于未來幾年內(nèi)并網(wǎng)發(fā)電。

2015年，上海電氣提供的西門子機(jī)組裝機(jī)容量最大，占當(dāng)年海上風(fēng)電總裝機(jī)容量的83.2%。截至2015年底，在所有吊裝的海上風(fēng)電機(jī)組中，單機(jī)容量為4MW的機(jī)組最多，累計裝機(jī)容量達(dá)到352MW，占海上裝機(jī)容量的34.69%。

海上風(fēng)電制約因素簡析

從歷年數(shù)據(jù)可以看出，我國海上風(fēng)電發(fā)展緩慢。從2008年到2015年，7年的時間里，不但遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)成國家“十二五”規(guī)劃的5000MW裝機(jī)目標(biāo)，甚至沒有一款能夠同西門子3.6/4MW機(jī)型直接競爭的主機(jī)產(chǎn)品。這同陸上風(fēng)電裝機(jī)量連續(xù)翻番、機(jī)組設(shè)備3年進(jìn)入價格戰(zhàn)、5年外資品牌基本撤出國內(nèi)市場競爭、新技術(shù)新產(chǎn)品層出不窮的局面形成了鮮明對比。

是什么原因?qū)е铝四壳皩擂蔚木置妫?/p>

一、資源開發(fā)企業(yè)自身發(fā)展的源動力不足

2005年到2015年是我國風(fēng)電行業(yè)飛速發(fā)展的十年，裝機(jī)量連續(xù)翻番，全球前十的整機(jī)廠商有近乎一半被國內(nèi)企業(yè)占據(jù)，支撐這一現(xiàn)狀的99%數(shù)據(jù)來源于國內(nèi)陸上風(fēng)電。在這種大環(huán)境下，海上風(fēng)電相比較而言沒有成熟可借鑒經(jīng)驗，項目投資巨大，建設(shè)周期長，電價不明確，導(dǎo)致開發(fā)海上風(fēng)電的難度數(shù)倍于陸上風(fēng)電項目，企業(yè)自身發(fā)展海上風(fēng)電的源動力不足。

可以說，目前國內(nèi)建設(shè)海上風(fēng)電更像是“政治任務(wù)”，風(fēng)險大、成本高、缺乏經(jīng)驗都是開發(fā)商必須面對的“攔路虎”，最明顯的表現(xiàn)是，尚未有成規(guī)模的民營資本投入到海上風(fēng)電的開發(fā)中。近年來，國家的各項政策也逐漸趨向于強(qiáng)力推進(jìn)各大央企調(diào)結(jié)構(gòu)，履行社會責(zé)任。隨著巴黎氣候大會的落幕以及新常態(tài)經(jīng)濟(jì)形勢的發(fā)展，國家層面對各大發(fā)電集團(tuán)的要求將持續(xù)保持高壓態(tài)勢，這一趨勢在“十三五”期間不會發(fā)生改變。

二、海工市場不成熟

根據(jù)國家能源局規(guī)劃的10.53GW海上風(fēng)電總量，剔除建成和在建項目的裝機(jī)容量，其余8767MW的裝機(jī)規(guī)模預(yù)計將在2016年—2020年實施。由于整體開發(fā)進(jìn)度相對滯后，按2016年1000MW，2017年—2020年每年2000MW—2500MW風(fēng)資源開發(fā)量測算，2017年以后全國范圍內(nèi)至少需要8—12艘海上風(fēng)電安裝船。

一邊是市場的強(qiáng)烈需求，一邊是停滯不前的海工投資，原因何在？

在解決了技術(shù)原理性問題之后，經(jīng)濟(jì)性將是技術(shù)能否推廣的決定因素。在國內(nèi)歷年已完成建設(shè)的項目中，實現(xiàn)了規(guī)?；┕さ钠髽I(yè)主要有中交三航局、龍源振華以及南通海洋水建三家單位。準(zhǔn)備進(jìn)入并已經(jīng)實際投入的企業(yè)有華爾辰、華電重工以及中船海裝等企業(yè)。

相比較國外成熟的商業(yè)模式，國內(nèi)海上風(fēng)電安裝市場尚未成熟，各個企業(yè)認(rèn)為資本投入的風(fēng)險較大。在上述國內(nèi)企業(yè)中，除中交三航局為傳統(tǒng)海工施工安裝企業(yè)以外，其余均為新成立的海上風(fēng)電施工安裝服務(wù)企業(yè)，且均同資源開發(fā)企業(yè)存在一定捆綁關(guān)系。

造成這一現(xiàn)狀的主要原因除了投資者對市場環(huán)境存在一定擔(dān)憂以外，還有一個原因是：國內(nèi)外海上風(fēng)電行業(yè)整體進(jìn)展相差并不大，習(xí)慣了引進(jìn)—消化—吸收的國內(nèi)企業(yè)在沒有成熟經(jīng)驗可借鑒的前提下，無法邁出從中國制造到中國創(chuàng)造的腳步。

三、沒有適宜的海上風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)品

雖然海上風(fēng)電機(jī)組占整個項目成本的不到45%，但不論是發(fā)電收益還是海工成本，都是緊密圍繞整機(jī)展開的，應(yīng)該說，風(fēng)電機(jī)組設(shè)備才是海上風(fēng)電場考慮的核心。

筆者并不贊同行業(yè)內(nèi) “我國海上風(fēng)電起步較晚”的說法，7年的發(fā)展時間，陸上風(fēng)電已經(jīng)經(jīng)過了幾輪洗牌，而海上風(fēng)電尚未實現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展。除了政策、配套、模式等等問題以外，核心問題還在于沒有合適的海上風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)品。

1. 風(fēng)輪直徑和額定功率的關(guān)系

對于機(jī)組總體設(shè)計而言，第一步就是風(fēng)輪直徑和額定功率的匹配。在目前葉片氣動性能、整機(jī)性能相差不大的情況下，風(fēng)輪直徑越大，從風(fēng)中吸收的能量也就越大，發(fā)電量也就越高。

為了直觀地反映兩者之間的關(guān)系，行業(yè)給出了一項術(shù)語——單位千瓦掃風(fēng)面積，其計算公式為：單位千瓦掃風(fēng)面積=（3.14×風(fēng)輪直徑2/4）/額定功率。比如151—5MW的單位千瓦掃風(fēng)面積=（3.14×151×151/4）/5000=3.58（單位為“m2”，以下略）。

同時，為了直觀地考核機(jī)組的出力，反映投資回報效益，行業(yè)內(nèi)還有另外一項術(shù)語——等效利用小時數(shù)，其計算公式為：等效利用小時數(shù)=單位機(jī)組全年發(fā)電量/單位機(jī)組額定功率。比如假設(shè)151—5MW的全年發(fā)電量為1482.5萬千瓦時，其等效滿發(fā)小時數(shù)=14825000/5000=2857。

表2 國內(nèi)海上風(fēng)電施工安裝服務(wù)企業(yè)

從以上不難看出，風(fēng)輪直徑越大，發(fā)電量越多；額定功率越小，等效滿發(fā)小時數(shù)越高，投資回報效益越好。

2. 151—5MW 的匹配原則

2010年1月，重慶海裝正式啟動5MW級海上風(fēng)電機(jī)組的研制。立項之初，結(jié)合科技部“十二五”指南，參考國際成功開發(fā)經(jīng)驗，初步確定擬開發(fā)機(jī)型為127—5MW，其單位千瓦掃風(fēng)面積為2.53。

項目組在隨后半年的概念設(shè)計中發(fā)現(xiàn)，歐洲海上風(fēng)電基本上是一類風(fēng)區(qū)，127—5MW并不適應(yīng)我國長江口以北的三類風(fēng)區(qū)。同期重慶海裝在龍源江蘇如東潮間帶試驗風(fēng)電場安裝的2臺93—2MW，工程靜態(tài)投資約1.63萬元/千瓦，上網(wǎng)電價為0.778元，投資回報率略高于10%。因此，針對長江口以北的海上風(fēng)電市場，必須要推出一款不低于93—2MW單位千瓦掃風(fēng)面積3.39的機(jī)型。

開發(fā)機(jī)組首先是尋找葉片。127機(jī)型對應(yīng)的葉片要想滿足上述要求，那么機(jī)組的額定功率不能高于3.97MW，這與科技部“十三五”支持5MW以上大型海上風(fēng)電機(jī)組研制的目標(biāo)相沖突。因此，項目組通過篩選查找，選定了當(dāng)時正在開發(fā)的全球最長葉片——LM 73.5。由此倒推，主機(jī)額定功率不能高于5.61MW。

項目組參考國內(nèi)外機(jī)型型譜，5MW及以上均為整數(shù)，因此，概念設(shè)計階段將額定功率確定為：通過標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的設(shè)計，在同一平臺研制127—5MW和H15—5MW兩款機(jī)型，分別適配我國長江口以南IA風(fēng)區(qū)和長江口以北IIIB+風(fēng)區(qū)。

到目前為止，國內(nèi)實現(xiàn)樣機(jī)安裝的5MW及以上海上風(fēng)電機(jī)組共7家單位的9臺機(jī)組（見表3）。

從上表可以看出，盡管H151—5MW的單位千瓦掃風(fēng)面積達(dá)到3.58，但也僅相當(dāng)于陸上96—2MW機(jī)型，相比較陸上H120—2MW機(jī)型的5.65指標(biāo)，尚有較大提升空間。

3. 額定功率為何不升級到6MW以上

歐洲風(fēng)電從陸上開始發(fā)展，受地理條件和資本市場等條件的限制，歐洲陸上風(fēng)電的開發(fā)主要采用分散模式，極少有像中國和美國那樣大片集中開發(fā)的風(fēng)電場。其技術(shù)進(jìn)步的外在需求為：在不改變機(jī)組主要結(jié)構(gòu)的前提下，挖掘機(jī)組自身潛力。因此，提升額定輸出功率是最可行的方法。

中國市場自2006年以來，陸上風(fēng)電快速發(fā)展，裝機(jī)量連續(xù)翻番。受市場競爭的影響，機(jī)組銷售價格自2008年初開始持續(xù)下滑。在國內(nèi)以單位千瓦報價為投標(biāo)主要打分權(quán)重的情況下，在不改變風(fēng)輪的前提下提升風(fēng)機(jī)額定輸出功率，額定風(fēng)速以上發(fā)電量的增加不足以抵消業(yè)主增加的成本。

2009之前，國內(nèi)市場主力軍基本是引進(jìn)的國外成熟機(jī)型，整機(jī)結(jié)構(gòu)匹配比較成熟，優(yōu)化空間不大。此外，受當(dāng)時技術(shù)水平的限制，增大風(fēng)輪直徑勢必導(dǎo)致傳動結(jié)構(gòu)的改變，等于重新開發(fā)一款新的機(jī)組。這種觀念甚至直接影響到了市場需求，在2009年的部分特許權(quán)招標(biāo)文件中，就要求投標(biāo)機(jī)型不能低于2.5MW。

然而，2010年，重慶海裝通過技術(shù)進(jìn)步，掌握了系列變參數(shù)變槳核心控制技術(shù)。同年底，在不改變?nèi)魏螜C(jī)組結(jié)構(gòu)的情況下，僅通過優(yōu)化控制策略，就研制推出了102機(jī)型。該機(jī)型相當(dāng)于在不改變成本的情況下，理論發(fā)電量提升15%。一經(jīng)推出，迅速獲得大量訂單。

隨后，重慶海裝根據(jù)競爭對手的追趕速度，陸續(xù)推出111和120機(jī)型。目前，120—2MW機(jī)型的單位千瓦掃風(fēng)面積達(dá)到5.65。

通過市場檢驗證明，重慶海裝這種保持額定輸出功率不變，增大風(fēng)輪直徑的技術(shù)改進(jìn)方式，引領(lǐng)了行業(yè)進(jìn)步的方向。2015年，重慶海裝進(jìn)入行業(yè)第五，全球第十，其中H111—2MW機(jī)型進(jìn)入年度十大成交量機(jī)型名單。

根據(jù)陸上風(fēng)電的發(fā)展經(jīng)驗，通過理論計算和實踐證明，在不改變風(fēng)輪直徑的情況下，一味提升額定輸出功率，不會增加產(chǎn)品的等效利用小時數(shù)，業(yè)主是不會接受這種做法的。

表3 國內(nèi)海上大功率風(fēng)電機(jī)組信息一覽

4. 高速永磁、高速雙饋、直驅(qū)的區(qū)別

高速永磁和高速雙饋的區(qū)別可參閱發(fā)表于2013年6月《風(fēng)能》雜志上的文章《雙饋風(fēng)電機(jī)組與高速永磁風(fēng)電機(jī)組對比分析》。

上述兩種技術(shù)路線區(qū)別在于電氣傳動不同，他們同直驅(qū)相比在于機(jī)械傳動不同，可參閱發(fā)表于2010年9月《電氣制造》雜志上的文章《“直驅(qū)VS雙饋”：風(fēng)機(jī)主流技術(shù)大比拼》。

需要指出的是，目前全球范圍內(nèi)尚未有大型直驅(qū)機(jī)組下海的成熟案例，除了本身巨大的結(jié)構(gòu)趨向薄壁件，容易因變形而導(dǎo)致的磁隙問題以外，內(nèi)外轉(zhuǎn)子間的防腐是一個比較難解決的問題。

小結(jié)

在不少業(yè)內(nèi)人士看來，國內(nèi)廠商在陸上機(jī)組技術(shù)的開發(fā)上已經(jīng)沒有問題。廠商已經(jīng)走完了引進(jìn)、消化、國產(chǎn)化、研究創(chuàng)新的過程，一些低風(fēng)速機(jī)組的技術(shù)甚至領(lǐng)先于世界。而對于海上風(fēng)電而言，大的技術(shù)路線不存在誰好誰壞，更多的還是細(xì)節(jié)問題，而這些問題需要大量的“試錯”才能得到根本解決。按某業(yè)內(nèi)資深人士的說法，“西門子被證明出來是最好的，是因為企業(yè)積累了20年的經(jīng)驗，有無數(shù)次的試錯的機(jī)會，積累了無數(shù)的失敗經(jīng)驗?！?/p>

從國家能源結(jié)構(gòu)和能源安全的角度來看，大力發(fā)展海上風(fēng)電是一條單行道，沒有退路。海上風(fēng)電機(jī)組技術(shù)需要“有錢、有技術(shù)、耐得住寂寞”的大型整機(jī)制造企業(yè)來不斷投入和推進(jìn)，以此來為中國的海上風(fēng)電提供可靠的保障和支撐。

整機(jī)制造企業(yè)除了需要投入巨資研制樣機(jī)并示范運(yùn)行以外，可能還需要通過資源和資本等各種手段，開展風(fēng)電場項目級示范，推動行業(yè)進(jìn)步。后續(xù)，各企業(yè)還需在持續(xù)提升等效利用小時數(shù)、大幅提高平均無故障時間、關(guān)重系統(tǒng)可靠性驗證、全工況全功率仿真模擬試驗、浮動式海上風(fēng)電以及環(huán)境試驗風(fēng)電場等多方面開展研究工作，打造真正擁有自主核心的、可持續(xù)發(fā)展的中國裝備，這是突破海上風(fēng)電困境的唯一途徑。

（作者單位：中船重工（重慶）海裝設(shè)備有限公司）