海上風電塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計與降本探討

胡頡

【摘 要】隨著“十三五規(guī)劃”的進入沖刺階段，我國加大了對清潔能源領(lǐng)域的投資力度，并已成為世界上規(guī)模最大，裝機容量增速最快的風電的國家。雖然我國取得了舉世矚目的成就。中國近些年以改變能源結(jié)構(gòu)為主要目標，對風力發(fā)電行業(yè)進行大力支持，經(jīng)過多年的投入，現(xiàn)其能源結(jié)構(gòu)風電所占比重占全國發(fā)電量的5%以上。隨著陸上風電的開發(fā)進入穩(wěn)定期，海上風電已表現(xiàn)出改變游戲規(guī)則的可再生能源電力的潛質(zhì)。中國東部的沿海地區(qū)，人口稠密，可以快速地建立起吉瓦級的海上風電場，其規(guī)模和體量是陸上風場的數(shù)倍。加之中國經(jīng)濟分布情況，有利于風電資源在當?shù)剡M行消納，使得海上風電可以迅速解決當?shù)氐哪茉葱枨?，從而達到減少能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)碳排放。

【關(guān)鍵詞】風能；風力發(fā)電；海上風電；大兆瓦風機，風力發(fā)電基礎(chǔ)塔架；降低成本；

引言

中國的風電企業(yè)已經(jīng)在大兆瓦、大直徑風機上有了長足的技術(shù)進步，并攻克了海上風電建設(shè)所需的必要技術(shù)，如大直徑打樁船、大噸位吊裝船，復雜地址條件下的基礎(chǔ)施工，復雜地域的基礎(chǔ)設(shè)計、基礎(chǔ)微觀選址等技術(shù)難關(guān)。但目前制約中國東部沿海發(fā)達地區(qū)海上風電建設(shè)的根本矛盾是當?shù)仫L資源匱乏和高額的海上建造成本。其直接反應出來的低下的投資收益比澆滅了各大發(fā)電企業(yè)投資風力發(fā)電的熱情，加之中國2020年去補貼的目標，風力發(fā)電行業(yè)將面臨更加嚴峻的考驗。

1.我國海上風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢

隨著近些年中國政府對新能源的資本投入和政策傾斜，中國海上風電以較大規(guī)模持續(xù)發(fā)展，《風電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出到2020年底，風電累計并網(wǎng)裝機容量確保達到2.1億千瓦以上。其中海上風電并網(wǎng)裝機容量達到500萬千瓦以上，海上風電開工建設(shè)規(guī)模達到1000萬千瓦，風電年發(fā)電量確保達到4200億千瓦時，約占全國總發(fā)電量的6%。據(jù)測算，“十三五”期間風電建設(shè)總投資將達到7000億元以上。

以廣東省為例，《廣東省海上風電發(fā)展規(guī)劃（2017—2030年）（修編）》（以下簡稱《規(guī)劃》）已獲得國家能源局正式批復同意。按照《規(guī)劃》，到2020年底前廣東省要開工建設(shè)海上風電裝機容量1200萬千瓦以上，其中建成投產(chǎn)200萬千瓦以上；到2030年底前建成約3000萬千瓦。廣東省明確提出，“要緊抓住海上風電發(fā)展的難得機遇，明確海上風電在廣東省能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中的定位，將大力發(fā)展海上風電作為廣東省推進能源發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要抓手。

由此可見，中國的海上風電發(fā)展將進入一個新的階段。

2.海上風力發(fā)電機組塔架結(jié)構(gòu)介紹

海上風力發(fā)電機組塔架結(jié)構(gòu)主要由兩部分組成：外部塔架結(jié)構(gòu)和內(nèi)部塔架結(jié)構(gòu)。而外部塔架結(jié)構(gòu)主要用于塔筒與海上風電基礎(chǔ)之間的連接，以及運維相關(guān)的事宜，例如應急倉、外部樓梯、外部基礎(chǔ)吊機、電氣散熱器等。內(nèi)部塔架結(jié)構(gòu)與陸上風力發(fā)電機組功能上并無二致，主要服務于塔架電器件，但要求更加嚴格，尤其是對防腐、濕度、鹽霧、散熱等方面。

根據(jù)目前國內(nèi)海上風電設(shè)計流程，基礎(chǔ)設(shè)計院負責海上風電基礎(chǔ)設(shè)計，主機廠負責塔筒設(shè)計，雙方合同責任分界點為塔筒底法蘭與基礎(chǔ)頂法蘭接觸面。但因為塔筒內(nèi)附件有不少零件，如塔架內(nèi)爬梯、電纜橋架等需與基礎(chǔ)內(nèi)平臺連接，因此，實際操作時，雙方設(shè)計分界點為基礎(chǔ)內(nèi)平臺。

3.海上風力發(fā)電機組建設(shè)成本面臨的問題

3.1 外形尺寸大造成的成本增加

目前海上風電機組已經(jīng)由2.0MW風機向6.0MW甚至以上建設(shè)，通過建設(shè)更大MW級風機來平攤單位千瓦時的成本，以達到最優(yōu)資本回報率，但更大MW的風機意味著更大的風機載荷以及更大的外形尺寸的電器件，例如箱變、變流器等。勢必需增加塔筒直徑以及增加塔筒壁厚。因此帶來了制造成本、運輸?shù)跹b成本。

3.2 設(shè)計及建造要求高造成的成本增加

目前國內(nèi)大MW級的海上風力發(fā)電機組才剛剛起步，本土廠商大部分電器件的設(shè)計能力無法達到應對海上高鹽霧、高濕度、高腐蝕等惡劣環(huán)境的要求，因此絕大部分電器元器件均采購國外品牌，無形中增加了采購成本。又因為這些電器件需內(nèi)置在相對密封的塔筒內(nèi)，因此又帶來了諸如塔筒散熱、電氣件信號干擾、安裝不便等棘手的問題，又帶來了后期維護成本；

3.3 樣本少，走彎路造成的設(shè)計成本

現(xiàn)今國內(nèi)風電經(jīng)過近十年的發(fā)展，單臺風機功率已經(jīng)發(fā)展到6MW級別，風機運行載荷也比十年前的1.5MW-2.0MW風機高了幾倍。在福建興化灣試驗風場的各家主機廠拿出來的風機幾乎是國內(nèi)現(xiàn)有的最高水平，因此國內(nèi)各主機廠、各設(shè)計院的參考樣本有且僅有的國內(nèi)建設(shè)的幾臺樣機，國內(nèi)均缺乏大MW的海上風機設(shè)計建設(shè)的資料和經(jīng)驗。

3.4 地質(zhì)、氣象等外在因素造成建設(shè)成本增加

海上風電機組打樁、沉樁面臨的最大問題是海底地質(zhì)，吊裝面臨的最大問題是海況，運行面臨的最大的問題是臺風。

因為中國地理位置的問題，海底海況復雜程度超乎想象。而沿海各省的海底地質(zhì)均不相同，例如江蘇省沿海的地質(zhì)條件較好，平均水深小于15m，水底走向較為平緩，基礎(chǔ)建設(shè)成本較低。相反，廣東省沿海地質(zhì)條件較差，粵東和粵西的差距較大，普遍超過30m的水深，水底地質(zhì)復雜，需增加嵌巖基礎(chǔ)數(shù)量，基礎(chǔ)建設(shè)成本比江蘇省普遍高出一倍。

加之中國沿海各省缺乏詳細的海底海況勘探數(shù)據(jù)，風場地質(zhì)情況均需重頭開始，沒有歷史資料可以作證。筆者參與的海上風電項目，業(yè)主方僅地質(zhì)勘探的成本花費就超過3億元。

風機吊裝時，漲退潮、季風、海浪，天氣等均對吊裝產(chǎn)生影響，施工周期、施工窗口期普遍小于陸地風場。吊裝船只的每日花費遠遠高于陸地車輛吊裝，因此吊裝成本也居高不下。

4 海上風力發(fā)電機組降低成本討論

4.1外形尺寸增加的成本控制

目前國內(nèi)塔筒廠能夠制造直徑7M的塔筒的廠家普遍較多，7.5M直徑的塔筒廠家也有不少，因此塔筒設(shè)計時需注意對塔筒直徑的控制，業(yè)主方招標時，應標方增多，可以降低招標價格。選擇塔筒廠時，需選擇擁有碼頭并且可以?？恳欢▏嵨贿\輸船的塔筒廠，這樣可以減少運輸成本和運輸周期。

4.2 整體采購，分批設(shè)計，降低成本

整體采購可以降低業(yè)主采購鋼板成本，分批設(shè)計可以精準優(yōu)化不同機位的載荷，從而減少設(shè)計盈余，降低制造成本。又通過分批設(shè)計，從而達到成熟設(shè)計的目的。

筆者主導的廣東粵電湛江外羅海上示范項目，其采用單樁基礎(chǔ)，塔架高度為85.3m。筆者后續(xù)主導的項目，如廣東三峽陽江沙扒海上風電項目，同樣采用單樁基礎(chǔ)，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，將其塔架高度降低至82.7m，從而降低單臺塔筒重量，又根據(jù)不同機位的載荷，單獨設(shè)計多套圖紙，進一步降低整個項目的塔筒造價，為業(yè)主方節(jié)省數(shù)千萬元。

4.3 精簡設(shè)計，整體吊裝為主要設(shè)計理念

外部塔架結(jié)構(gòu)主要用于塔筒與海上風電基礎(chǔ)之間的連接，以及運維相關(guān)的事宜，例如應急倉、外部樓梯、外部基礎(chǔ)吊機、電氣散熱器等，因此精簡外部塔架結(jié)構(gòu)，有利于減少外部零部件的安裝時間，如外部樓梯、外部平臺等。

將電器散熱器、外部吊機等外置于塔架筒壁上，在陸地上安裝好后，隨塔筒一并吊裝，將進一步減少吊裝周期。

結(jié)語

本文討論了海上風力發(fā)電機組建造成本遇到的問題以及解決方案，希望本文能給眾多風力發(fā)電機組的設(shè)計者們提供一個降低成本的方向，使得國內(nèi)海上風力發(fā)現(xiàn)機組能夠朝著低成本、平電價的方向努力。

參考文獻：

[1]王大鵬，許衛(wèi)士，李鴻運.海上風電導管架結(jié)構(gòu)與樁基灌漿連接施工工藝[J/OL].海洋開發(fā)與管理，2018（S1）：88-91.

[2]任秀鳳，牛余剛.大型海上風電塔架法蘭鍛件制造技術(shù)[J].金屬加工（熱加工），2016（11）：41-42.

（作者單位：明陽智慧能源集團股份公司）