深遠海域海上風(fēng)電工程風(fēng)險和不確定因素研究

文 | 俞曉峰，王倩，李子林，蘇伊雯

近來，深遠海域海上風(fēng)電技術(shù)的研究和開發(fā)成為了當(dāng)今海上風(fēng)電發(fā)展的新趨勢，其作為風(fēng)電技術(shù)的制高點，正在成為海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)眾多參與方追捧的熱點。英國、丹麥、德國等海上風(fēng)電技術(shù)領(lǐng)先國家已紛紛將海上風(fēng)電的研究方向投向深遠海領(lǐng)域。

在我國，由于近海海域日益緊張，同時，深遠海域風(fēng)電場的建設(shè)和運行對于海洋、漁業(yè)、軍事、海事通航以及城市居民等利益相關(guān)方的不利影響相對更小，更適合海上風(fēng)電場的規(guī)模化開發(fā)建設(shè)。

深遠海海域風(fēng)功率密度更大，平均風(fēng)速更高，相比近海有更加廣闊的開發(fā)空間和價值。與此同時，深遠海域一般水深超過40米，離岸距離超過70～80km遠，工程面臨的環(huán)境更惡劣、技術(shù)難度更大，比如超遠距離風(fēng)電輸送、漂浮式風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計、漂浮式風(fēng)電機組的研制以及遠海工程的實施等深海風(fēng)電工程實施環(huán)節(jié)均面臨較大的風(fēng)險和不確定性。

工程風(fēng)險和不確定研究是工程實施的前提，本文結(jié)合《上海市深遠海域海上風(fēng)電示范工程前期研究》情況和初步成果，著重對工程風(fēng)險和不確定因素進行研究和分析。

深遠海風(fēng)電研究現(xiàn)狀

一、國際形勢

從國際形勢來看，海上風(fēng)電是風(fēng)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)的制高點。當(dāng)前，近海風(fēng)電的技術(shù)已經(jīng)相對成熟，國內(nèi)外眾多機構(gòu)已經(jīng)將海上風(fēng)電的研究瞄準(zhǔn)深遠海域。調(diào)研信息顯示，英國、丹麥、德國、葡萄牙、挪威、日本及美國，均已在研究深遠海風(fēng)電開發(fā)利用技術(shù)，且部分樣機試驗項目已經(jīng)取得成功（如圖1）。英國、葡萄牙等國家的深遠海海上風(fēng)電將在2018年左右進入商業(yè)化開發(fā)階段。

圖1 葡萄牙電力半潛式樣機

二、 國內(nèi)形勢

在國內(nèi)，深遠海風(fēng)電尚屬技術(shù)空白階段。2016年4月，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》，其中明確要求風(fēng)電技術(shù)發(fā)展將“深海風(fēng)能”提上日程。2016年12月，國家海洋局發(fā)布《海洋可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，明確提出要研發(fā)深海漂浮式風(fēng)電機組，掌握遠距離深水大型海上風(fēng)電場設(shè)計、建設(shè)及運維等關(guān)鍵技術(shù)。

目前，我國已經(jīng)有公司在參與境外的深遠海域海上風(fēng)電的研究，并積極參與國際合作。比如三峽集團與葡萄牙電力開展深遠海項目合作研究；中廣核歐洲能源公司與法國合作方Eolf i公司組成的聯(lián)合體，于2016年8月成功中標(biāo)大西洋法屬布列塔尼地區(qū)的Groix深遠海海上風(fēng)電項目（24MW）。

三、 國內(nèi)研究已經(jīng)啟動

2016年3月，上海市緊盯國際前沿，瞄準(zhǔn)國內(nèi)空白，在國內(nèi)率先啟動深遠海域海上風(fēng)電重大示范工程前期研究，定位“創(chuàng)新引領(lǐng)，高端示范”的研究目標(biāo)，集中上海市及國內(nèi)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢資源成立科研聯(lián)合體，部署深遠海域海上風(fēng)電重大示范工程研究工作。

科研聯(lián)合體通過優(yōu)勢互補、分工協(xié)作，針對海上風(fēng)電場選址研究，漂浮式海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究，深遠海域漂浮式基礎(chǔ)施工技術(shù)與裝備關(guān)鍵技術(shù)研究，深遠海風(fēng)電場接入系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究，深遠海海上風(fēng)電機組設(shè)計、開發(fā)和運維相關(guān)技術(shù)研究五方面重大難題展開科研課題攻關(guān)，2017年4月，前期研究成果已經(jīng)通過水電水利規(guī)劃設(shè)計總院組織的評審和驗收?？傮w研究選定的海域區(qū)域（包括電力輸送登陸）如圖2所示。

本文著重闡述深遠海海上風(fēng)電開發(fā)存在的潛在風(fēng)險和不確定因素，并進行研究分析。

圖2 深遠海風(fēng)電研究布置圖

深遠海風(fēng)電工程的風(fēng)險性及防范研究

一、自然風(fēng)險及防范

深遠海域相比近海擁有更好的風(fēng)能資源，同時與近海海域相比工況更復(fù)雜，海水及鹽霧腐蝕、雷擊、臺風(fēng)等不利自然條件影響更大，遠海深水區(qū)域在臺風(fēng)等極端天氣條件下將產(chǎn)生更復(fù)雜的風(fēng)、浪、潮、涌工況，這對于身處遠海的漂浮式基礎(chǔ)以及風(fēng)電機組是巨大的考驗和風(fēng)險。

防范措施：在常規(guī)防鹽霧、防雷等措施的基礎(chǔ)上，為了規(guī)避極端自然條件造成的風(fēng)險，需充分考慮風(fēng)電機組漂浮式基礎(chǔ)的可靠性，強調(diào)漂浮式風(fēng)力發(fā)電機組一體化設(shè)計的安全冗余度。并在相關(guān)擬真實驗室內(nèi)進行極端天氣數(shù)模試驗，將實驗數(shù)據(jù)及成果反映到最終的科研及設(shè)計成果中，保證漂浮式風(fēng)力發(fā)電機組擁有較高的自我生存能力?？傊覀兛梢酝ㄟ^對海上風(fēng)、浪、潮、涌的實地勘測，借助臺風(fēng)、地震影響評估從技術(shù)上盡量規(guī)避面臨的自然風(fēng)險。

二、技術(shù)風(fēng)險及防范

(一) 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺失是最大技術(shù)風(fēng)險

漂浮式風(fēng)電機組研制和漂浮式基礎(chǔ)工程設(shè)計的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)缺失，是深海風(fēng)能研究和開發(fā)面臨的最大風(fēng)險。近海風(fēng)電場開發(fā)技術(shù)日益成熟，但是在深遠海領(lǐng)域尚屬新的課題。深遠海區(qū)域風(fēng)電，從傳統(tǒng)的固定式基礎(chǔ)轉(zhuǎn)變?yōu)槠∈交A(chǔ)，技術(shù)發(fā)生了根本性變化。在如何研制適應(yīng)深遠海工況的風(fēng)電機組，如何解決深遠海區(qū)域風(fēng)電場的工程設(shè)計以及如何考慮海上升壓站的設(shè)計等核心技術(shù)層面，缺乏成熟的案例、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)甚至設(shè)計軟件。

（二）總體防范措施

制定合理的項目開發(fā)路徑，確定合理的技術(shù)路線，建立科學(xué)的設(shè)計模型是項目發(fā)展的關(guān)鍵。根據(jù)本次研究目標(biāo)場址40～50m左右的水深條件，本文初步選定TLP張力腿式的基礎(chǔ)型式，基于此開展漂浮式海上風(fēng)電機組的設(shè)計，通過優(yōu)化控制策略和載荷設(shè)計，然后再反饋優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計。

舉例來說，從科研團隊目前做物模仿真前期了解的情況來看，全球有30多種軟件可以對漂浮式風(fēng)電的基礎(chǔ)或風(fēng)電機組進行計算，但是還沒有一個成熟而且經(jīng)過多案例驗證的軟件能同時完成漂浮式風(fēng)電機組和基礎(chǔ)的迭代計算，更沒有形成技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。所以，這是我們目前所面臨的最大風(fēng)險和挑戰(zhàn)。當(dāng)然我們也有信心，通過物模仿真和不斷深化設(shè)計來攻克這個難關(guān)，最終促成國內(nèi)對這些規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的編制和研究。

關(guān)于技術(shù)風(fēng)險，我們正在向科技部和上海市科學(xué)技術(shù)委員會申請科研課題，繼續(xù)通過產(chǎn)、學(xué)、研聯(lián)合攻關(guān)，突破關(guān)鍵技術(shù)難題，同時擬通過仿真實驗和樣機工程來驗證，確保在應(yīng)用推廣前將技術(shù)風(fēng)險降低到最低限度，確保工程安全實施。

（三）基于TLP技術(shù)的海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)的風(fēng)險識別及防范

本次研究的目標(biāo)場址水深約40～50m左右。我們主要選取了漂浮式基礎(chǔ)型式中的TLP張力腿型式基礎(chǔ)開展研究攻關(guān)。風(fēng)電機組基礎(chǔ)初步研究的成果如圖3所示（左圖為3.6MW風(fēng)電機組基礎(chǔ)模型，右圖為6MW風(fēng)電機組基礎(chǔ)模型）。

如圖3所示，張力腿式漂浮基礎(chǔ)的關(guān)鍵是張力腿要保證始終處于受張緊力狀態(tài)，否則一根張力腿松弛或者張力腿斷裂，將會導(dǎo)致風(fēng)電機組整體傾覆。對此，可通過增加張力腿應(yīng)力的實時監(jiān)測，采取在風(fēng)電機組周圍設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)等措施以保證張力腿結(jié)構(gòu)處于張緊安全狀態(tài)。

漂浮式風(fēng)電機組塔筒底部極限載荷和疲勞損傷增大較多，塔筒結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)連接設(shè)計不合理，有可能導(dǎo)致塔筒底部破壞，風(fēng)電機組倒塌。因此，需要根據(jù)風(fēng)電機組載荷計算結(jié)果逐次校核塔筒結(jié)構(gòu)強度及基礎(chǔ)與塔筒連接結(jié)構(gòu)強度，保證在各個工況安全可靠。

張力腿型浮式風(fēng)電機組自身存在差頻與和頻等高頻振動，隨機的風(fēng)載荷和波浪載荷頻率與風(fēng)電機組存在共振可能性，數(shù)值上難以進行模擬和分析。因此，必須對張力腿型浮式風(fēng)電機組進行仿真模型試驗，如果條件允許要進行樣機測試，從而得到較為準(zhǔn)確的風(fēng)電機組振動特性。

圖3 風(fēng)電機組張力腿式基礎(chǔ)模型

三、工程風(fēng)險

（一）項目建設(shè)風(fēng)險

從建設(shè)期來看，建設(shè)的難點是漂浮式風(fēng)電研制、漂浮式基礎(chǔ)施工、遠距離電力傳輸。同時，這也是后續(xù)深遠海風(fēng)電場建設(shè)所將面臨的主要風(fēng)險。另外，場址離岸距離遠，場址周邊船只通航壓力大，漁民公海作業(yè)，管理難度大，這都將對遠海施工造成較大的風(fēng)險和隱患。

（二）防范措施

繼續(xù)深入研究，盡快開展場址區(qū)域風(fēng)、浪、潮、涌等資源數(shù)據(jù)的收集，開展臺風(fēng)影響、地震災(zāi)害有關(guān)專題研究；優(yōu)化現(xiàn)有設(shè)計模型，優(yōu)化風(fēng)電機組設(shè)計選型，全面深化設(shè)計；同時和海事部門、海洋部門及時配合，做好建設(shè)施工期有關(guān)危險因素的防范，堅決將建設(shè)期的風(fēng)險控制在可控范圍。

四、項目運維風(fēng)險及防范

從項目運行期來看，深遠海風(fēng)電項目離岸距離遠，風(fēng)、浪、潮、涌海況更加復(fù)雜，相比近海風(fēng)電，更難以接近，使得風(fēng)電場日常維護和故障消缺難度更大，面臨更加嚴(yán)峻的運營風(fēng)險。

防范措施：優(yōu)化風(fēng)電場的控制策略研究，提高海上風(fēng)電機組遠程控制能力；增加風(fēng)電機組的冗余設(shè)計，提高海上風(fēng)電機組的發(fā)電能力；加強風(fēng)電場的運維方式研究，通過在附近海島建立海上風(fēng)電場固定運維基地，或者建立便于深遠海海上風(fēng)電場的運維船舶，考慮建造直升飛機著陸點，提高風(fēng)電場的運維便利性，縮短深遠海域海上風(fēng)電場快速運維響應(yīng)時間。另外，制定深遠海域海上風(fēng)電場運維風(fēng)險管理標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，全面防范風(fēng)險。

五、環(huán)境風(fēng)險及防范

深遠海風(fēng)電工程不可避免會導(dǎo)致一定的環(huán)境風(fēng)險。如海洋生態(tài)風(fēng)險，包括：風(fēng)電場風(fēng)電機組基礎(chǔ)的建設(shè)和海底電纜的敷設(shè)，會對海床的結(jié)構(gòu)形態(tài)造成一定程度的影響；開發(fā)建設(shè)過程中的工程溢油等現(xiàn)象，會對海洋生態(tài)環(huán)境造成一定范圍內(nèi)的破壞。也存在一定的海洋資源破壞風(fēng)險。為保障風(fēng)電場的安全運行，風(fēng)電機組周圍和電纜兩側(cè)的一定海域范圍內(nèi)會嚴(yán)禁捕撈作業(yè)，限制養(yǎng)殖區(qū)面積，因此，會造成漁業(yè)生產(chǎn)海域面積減小，漁業(yè)產(chǎn)值會受到一定損失。

防范措施：引入海上公站，實現(xiàn)整體規(guī)模的遠距離輸送，減小單根電纜的輸入規(guī)模；實現(xiàn)裝機容量的大型化，減少風(fēng)電機組單位容量對海洋生態(tài)資源的影響；漂浮式風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的柔性連接，相對減少了由固定式支撐基礎(chǔ)直接對海床及深海環(huán)境造成的不確定影響，也能從整體上減緩海洋工程溢油對海洋環(huán)境的破壞。

深遠海域海上風(fēng)電項目開發(fā)的不確定性及應(yīng)對措施

一、管理不確定性

（一）海洋功能區(qū)劃協(xié)調(diào)不確定性

深遠海域海上風(fēng)電場選址，從近海推進到公海規(guī)劃能否落地；國家與地方省區(qū)市海洋功能區(qū)劃協(xié)調(diào)存在不確定性。

應(yīng)對措施：海洋功能區(qū)劃確認(rèn)是項目落地開發(fā)的重中之重。應(yīng)通過與各個利益相關(guān)方協(xié)調(diào)溝通，進行專項論證研究和專題討論；協(xié)調(diào)國家和地方海洋主管部門，落實相應(yīng)區(qū)域關(guān)于海上風(fēng)電場建設(shè)的功能區(qū)劃。

（二）項目核準(zhǔn)及建設(shè)程序不確定性

場址選擇后，因為涉及國家和地方的用海用地管理，尤其可能涉及海洋經(jīng)濟專屬區(qū)的用海管理，工程建設(shè)核準(zhǔn)以及建設(shè)程序是否需要到國家級政府辦理有關(guān)手續(xù)，仍存在一定的不確定性。

應(yīng)對措施：關(guān)于深遠海域海上風(fēng)電場的規(guī)劃和管理風(fēng)險防范，需要與政府及各利益相關(guān)方溝通協(xié)調(diào)解決。要做好及時有效的溝通，協(xié)調(diào)海上風(fēng)電場建設(shè)與整體海洋功能區(qū)劃的關(guān)系，提高管理溝通的效率，共同推進后續(xù)開發(fā)進程，協(xié)調(diào)解決在后續(xù)建設(shè)審批環(huán)節(jié)中所出現(xiàn)的不確定因素。

二、 電網(wǎng)接入不確定性

深遠海風(fēng)電有別于近海風(fēng)電，其電網(wǎng)接入系統(tǒng)將是制約項目開發(fā)和建設(shè)的主要不確定因素。主要表現(xiàn)在三個方面：第一個是遠距離輸送電的技術(shù)本身存在風(fēng)險；第二個是接入系統(tǒng)能否與海上風(fēng)電場同步配套的不確定性；第三個是有無海上公共升壓站對于海上風(fēng)電場建設(shè)整體技術(shù)經(jīng)濟性影響的不確定性。

應(yīng)對措施：首先，應(yīng)在交流和直流兩種輸電方式中選擇符合項目本身的、經(jīng)濟可行的方案。其次，開展深遠海海上風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)調(diào)查和研究，開展海上公用變電站的專項研究，這將為并網(wǎng)接入提供有力的技術(shù)支撐。

三、政策及財務(wù)不確定性

深遠海風(fēng)電與近海風(fēng)電相比由于離岸距離遠，電力送出距離長，技術(shù)難度大，導(dǎo)致深遠海風(fēng)電場的造價將高于近海風(fēng)電場，整體投資造價高，勢必直接導(dǎo)致未來的生產(chǎn)成本和財務(wù)成本偏高，給未來的項目運營盈利帶來不確定風(fēng)險。

其次，電價政策尚未出臺，未來的收益水平尚不明確，項目的盈利性存在不確定風(fēng)險。國家和地方政府對于深遠海域海上風(fēng)電開發(fā)有無專項補貼政策，都將影響項目的財務(wù)評價水平。而這些都將是項目實施所面臨的不確定因素。

應(yīng)對措施：優(yōu)化設(shè)計方案、施工工藝，合理控制造價；希望政府引導(dǎo)和出臺合理的深遠海風(fēng)電場電價及財政扶持政策，支持和推動深遠海風(fēng)電的發(fā)展；考慮到遠距離電力接入成本高，建議對100萬千瓦級的海上風(fēng)電場進行一次規(guī)劃，分期建設(shè)，通過規(guī)模效應(yīng)攤薄投資成本；開展項目金融創(chuàng)新，積極引入綠色債券，降低項目融資成本，降低后續(xù)運營的財務(wù)成本。

展望

深遠海域海上風(fēng)電技術(shù)是行業(yè)發(fā)展的新形勢，是我國風(fēng)電趕超國際前沿的契機，是未來海上風(fēng)電發(fā)展的一片藍海，深遠海風(fēng)電開發(fā)勢必大有可為。但必須引起重視的是，近海風(fēng)電開發(fā)風(fēng)險大于陸上風(fēng)電，不確定性因素多于后者。而深遠海域海上風(fēng)電與近海風(fēng)電相比，面臨的風(fēng)險將會更大，不確定性也將更多。

預(yù)計我國的深遠海風(fēng)電示范工程將在2020年左右啟動。我們在深遠海風(fēng)電工程前期研究中，要充分識別工程的各種風(fēng)險和不確定性，通過科研攻關(guān)解決技術(shù)和工程風(fēng)險，通過管理協(xié)調(diào)解決管理風(fēng)險和不確定因素。只有充分研究風(fēng)險才能規(guī)避風(fēng)險，通過不確定因素分析逐一排除不確定性，才能確保后續(xù)技術(shù)研發(fā)和攻關(guān)的順利，也才能確保后續(xù)項目的建設(shè)和運營的安全性，并最終推動我國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級。

攝影：劉富卿