Fuga程序在福建省海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)布置中的應(yīng)用

（福建省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001）

風(fēng)電機(jī)組是風(fēng)電場(chǎng)的主要設(shè)備，陸上風(fēng)電項(xiàng)目的機(jī)組造價(jià)占總投資比例約60%～70%，而海上風(fēng)電項(xiàng)目的機(jī)組造價(jià)占總投資比例雖下降到30%～40%，但仍然是風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)造價(jià)的主要影響因素之一，并且海上風(fēng)電機(jī)型好壞最終影響著風(fēng)電場(chǎng)投產(chǎn)后發(fā)電收入及運(yùn)營(yíng)成本。

現(xiàn)結(jié)合福建省莆田平海灣海上風(fēng)電場(chǎng)F區(qū)項(xiàng)目機(jī)型選擇、風(fēng)機(jī)布置優(yōu)化及項(xiàng)目建設(shè)運(yùn)行情況，對(duì)該風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)選型、微觀選址、發(fā)電量計(jì)算過程等進(jìn)行分析、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，供福建省類似海上風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)參考。

1 項(xiàng)目概況

2017年5月，項(xiàng)目公司取得福建省發(fā)展和改革委員會(huì)關(guān)于平海灣海上風(fēng)電場(chǎng)F區(qū)項(xiàng)目核準(zhǔn)的復(fù)函。裝機(jī)容量200MW，計(jì)劃安裝5MW以上風(fēng)機(jī)，不超過40臺(tái)。根據(jù)可研報(bào)告評(píng)價(jià)成果，經(jīng)模型軟件理論計(jì)算及各項(xiàng)電量損失修正后，風(fēng)電場(chǎng)等效滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)為3200h，容量系數(shù)0.38。

1.1 地理位置

福建省地處我國(guó)東南沿海，屬全國(guó)風(fēng)能豐富的地區(qū)之一，海岸線長(zhǎng)，適合發(fā)展海上風(fēng)電。受臺(tái)灣海峽“峽管效應(yīng)”的影響，莆田市海上風(fēng)能資源優(yōu)越，發(fā)展海上風(fēng)電擁有得天獨(dú)厚的自然優(yōu)勢(shì)。

福建莆田平海灣海上風(fēng)電場(chǎng)位于莆田市秀嶼區(qū)平海灣內(nèi)，西鄰埭頭半島，北臨南日島，西南鄰湄洲島，規(guī)劃場(chǎng)址分A～F 6塊區(qū)域，規(guī)劃總面積239km2，平海灣海上風(fēng)電場(chǎng)總規(guī)模為1700MW。風(fēng)電場(chǎng)一次規(guī)劃，分期開發(fā)。平海灣F區(qū)，規(guī)劃裝機(jī)容量200MW，位于南日島南側(cè)，距離南日島岸線2.0～4.0km，水深 10～25m，場(chǎng)址面積約 24.9km2。

1.2 風(fēng)能資源

為開發(fā)風(fēng)電場(chǎng)需要，項(xiàng)目公司設(shè)立了一座測(cè)風(fēng)塔，編號(hào)5269#，測(cè)風(fēng)塔位于 F 區(qū)島礁上，東經(jīng) 119°26′45.6″、北緯 25°11′44″，所在位置海拔高程約5m，2011年11月建成開始測(cè)風(fēng)。測(cè)風(fēng)塔高度90m，測(cè)風(fēng)設(shè)備采用NRG測(cè)風(fēng)設(shè)備，收集到2011年11月2日～2013年8月11日約20個(gè)多月的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目以該測(cè)風(fēng)塔測(cè)風(fēng)資料為主進(jìn)行場(chǎng)址風(fēng)能資源評(píng)估。風(fēng)電場(chǎng)氣象參證站主要采用莆田氣象站，風(fēng)電場(chǎng)代表年風(fēng)速的修正采用崇武氣象站資料。經(jīng)分析測(cè)風(fēng)資料完整可靠，可以滿足可研階段風(fēng)能資源評(píng)估要求。根據(jù)可研報(bào)告評(píng)價(jià)成果，5269#測(cè)風(fēng)塔90m高度代表年平均風(fēng)速在9.4m/s，年平均風(fēng)功率密度693.6W/m2。數(shù)據(jù)表明本場(chǎng)址風(fēng)能資源豐富，具有很好的開發(fā)利用價(jià)值。

1.3 風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃范圍及調(diào)整

2017年3月，國(guó)家能源局印發(fā)了《國(guó)家能源局關(guān)于福建省海上風(fēng)電規(guī)劃的復(fù)函》（國(guó)能新能［2017］61號(hào)），福建省海上風(fēng)能資源豐富，開發(fā)建設(shè)條件優(yōu)越，電力市場(chǎng)消納條件好。為加快我國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，促進(jìn)福建省能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和保護(hù)生態(tài)環(huán)境，同意福建省海上風(fēng)電場(chǎng)工程規(guī)劃報(bào)告。同意福建省海上風(fēng)電規(guī)劃總規(guī)模1330萬kW，包括福州、漳州、莆田、寧德和平潭所轄海域17個(gè)風(fēng)電場(chǎng)。平海灣F區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址范圍如圖1、圖2所示。在海上風(fēng)電規(guī)劃報(bào)告送審階段面積為25.9km2，報(bào)批稿階段微調(diào)為24.9km2。

2 風(fēng)機(jī)布置優(yōu)化過程

2.1 海上風(fēng)電裝機(jī)特征

海上風(fēng)機(jī)選擇時(shí)主要考慮其進(jìn)入行業(yè)時(shí)間、運(yùn)行業(yè)績(jī)、單機(jī)容量、葉片長(zhǎng)度、可利用率、廠商服務(wù)質(zhì)量等因素。由于海上環(huán)境氣候惡劣，所選風(fēng)電機(jī)組還需具有較好的抗臺(tái)風(fēng)、防鹽霧、防腐、防雷暴等性能要求。

福建省海上風(fēng)能資源十分豐富，但受各方面因素制約，可供開發(fā)位置有限，若采用小容量機(jī)組則機(jī)組臺(tái)數(shù)增加，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)及海底電纜投資相應(yīng)增加，設(shè)備運(yùn)輸、施工及安裝工作量加大。由于本工程區(qū)域理論水深在10～25m左右，可以采用大型運(yùn)輸安裝船，宜選用單機(jī)容量較大的大型風(fēng)電機(jī)組，結(jié)合現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電機(jī)組制造水平、成熟度和風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)進(jìn)度，考慮選擇5MW以上的大型海上風(fēng)電機(jī)組。

2.2 布置調(diào)整優(yōu)化過程

（1）項(xiàng)目于2014年9月通過福建省發(fā)展和改革委員會(huì)在福州主持召開的 《福建省莆田平海灣海上風(fēng)電場(chǎng)F區(qū)項(xiàng)目預(yù)可行性研究報(bào)告》審查。預(yù)可階段風(fēng)機(jī)布置如圖3所示。

（2）項(xiàng)目于2016年5月完成可研初稿報(bào)告編制，風(fēng)機(jī)布置如圖4。

（3）2016年11月，在F區(qū)海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目海域使用可行性論證前期咨詢會(huì)上，參會(huì)海洋部門領(lǐng)導(dǎo)及專家提出審查意見，主要是離岸距離調(diào)整、機(jī)位水深要求等。項(xiàng)目經(jīng)過三個(gè)不同方案比較（見圖5），與相關(guān)部門對(duì)接調(diào)整，確定選定的風(fēng)機(jī)布置為方案c。

（4）2017年3月，根據(jù)方案c編制的可研及項(xiàng)目申請(qǐng)報(bào)告通過審查報(bào)省發(fā)改委項(xiàng)目核準(zhǔn)。

3 尾流模型及發(fā)電量計(jì)算

尾流損失的大小直接影響整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的年發(fā)電量值。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，尾流損失降低1%，年等效滿發(fā)小時(shí)數(shù)至少提升30h，IRR至少提升0.5%。海上風(fēng)電場(chǎng)的尾流效應(yīng)比陸上風(fēng)電場(chǎng)要更加顯著和強(qiáng)烈。主要原因?yàn)楹Ｃ鏋槠教咕鶆蛳聣|面，海表粗糙度很小，湍流強(qiáng)度較低，不同高度大氣的垂直混合作用較弱，尾流風(fēng)速恢復(fù)較慢，尾流傳播距離加長(zhǎng)。

目前，風(fēng)電場(chǎng)機(jī)位排布后，主要通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算尾流場(chǎng)分布，不同的商用軟件采用的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出的尾流場(chǎng)有極大偏差。

目前有許多流動(dòng)模型計(jì)算尾流、尾流和葉片的相互作用。從簡(jiǎn)單的分析模型到雷諾平均 Navier-Stokes方程（RANS，CFD的一種），到高精度的、有時(shí)間分辨率的大渦模擬（LES），再到直接數(shù)值模擬（DNS，計(jì)算成本巨大）。設(shè)計(jì)院常見的商用軟件有 WAsP、WindPro、WindFarmer、Fuga、WindSim、WT 等，常用的尾流模型主要有：Jensen（Park）模型、Fuga模型、黏性渦流模型（eddy Viscous wake model）、大型風(fēng)電場(chǎng)尾流模型。

經(jīng)驗(yàn)公式所描繪的尾流場(chǎng)分布與海上風(fēng)場(chǎng)實(shí)際尾流分布不一致是導(dǎo)致風(fēng)場(chǎng)實(shí)際發(fā)電量與計(jì)算發(fā)電量偏差較大的主要原因。

Fuga屬于線性化的CFD模型，但是只計(jì)算了風(fēng)機(jī)阻力的線性響應(yīng)，計(jì)算速度比傳統(tǒng)的CFD模型快104～105倍，大大節(jié)省了計(jì)算資源，提高了計(jì)算效率。其線性化是做了正式的攝動(dòng)展開，保留了所有項(xiàng)，尋找數(shù)值解、而非解析解。

線性化的CFD模型是CFD模型的“廉價(jià)”版本，在小擾動(dòng)區(qū)域（近地面和尾流遠(yuǎn)場(chǎng)）模擬得非常好，但是在靠近葉片的近場(chǎng)區(qū)域（約3倍風(fēng)輪直徑范圍內(nèi)）不完全正確，因?yàn)榫€性化破壞了動(dòng)量平衡。因此，人們自然認(rèn)為這一破壞的動(dòng)量平衡會(huì)損壞整個(gè)尾流。然而，經(jīng)驗(yàn)表明線性尾流趨于修復(fù)近場(chǎng)動(dòng)量平衡的破壞，而在遠(yuǎn)場(chǎng)（超過5倍風(fēng)輪直徑的區(qū)域）恢復(fù)到合理的動(dòng)量虧損——這一特征使線性模型在遠(yuǎn)場(chǎng)相對(duì)準(zhǔn)確。

線性模型允許單尾流解的疊加；線化的CFD不可能精確地模擬近尾流場(chǎng)，但是在相鄰風(fēng)機(jī)的典型距離（5倍風(fēng)輪直徑）上，解足夠精確。

圖6為選定方案在主導(dǎo)風(fēng)向30度時(shí)受尾流影響后的風(fēng)速分布情況。

Fuga模型中引入了Monin-Obukhov長(zhǎng)度，增加了大氣熱穩(wěn)定度對(duì)于尾流的影響，依據(jù)大氣穩(wěn)定度分別為不穩(wěn)定（U）、中性（N）、穩(wěn)定（S）等多種狀態(tài)，分別計(jì)算出不同的尾流結(jié)果。但是由于設(shè)立測(cè)風(fēng)塔時(shí)對(duì)不同高度的溫度沒有長(zhǎng)期測(cè)量，因此我們也就無法準(zhǔn)確計(jì)算本風(fēng)電場(chǎng)大氣熱穩(wěn)定度對(duì)于尾流的影響。

由于計(jì)算速度的提高，對(duì)于設(shè)計(jì)單位進(jìn)行項(xiàng)目風(fēng)機(jī)布局優(yōu)化和多方案比較，F(xiàn)uga程序就提供了很大的方便。通常在項(xiàng)目前期階段，由于外部條件例如航路、海域、海洋環(huán)評(píng)等的變化，會(huì)對(duì)場(chǎng)區(qū)范圍，風(fēng)機(jī)行列間距，布置方向進(jìn)行調(diào)整，如果不能快速提供新布置方案及發(fā)電量計(jì)算結(jié)果，將影響項(xiàng)目的推進(jìn)速度。而如果僅采用WAsP程序進(jìn)行計(jì)算，則可能低估尾流對(duì)發(fā)電量的影響，導(dǎo)致發(fā)電量評(píng)估偏樂觀。

4 結(jié)語(yǔ)

項(xiàng)目可研推薦采用5MW風(fēng)機(jī)40臺(tái)，海域使用論證時(shí)按40個(gè)機(jī)位考慮。實(shí)際上，經(jīng)招標(biāo)確定采用更大容量的機(jī)型（6MW、7MW），經(jīng)安全性復(fù)核計(jì)算，也是滿足要求的，復(fù)核過程計(jì)劃在另外的文章進(jìn)行論述。

以下幾點(diǎn)工作經(jīng)驗(yàn)可供開發(fā)福建省海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)布置及發(fā)電量計(jì)算借鑒。

（1）Fuga軟件采用先進(jìn)的尾流計(jì)算模型，計(jì)算快捷，可信度超過WAsP軟件，可應(yīng)用于海上風(fēng)電場(chǎng)可研階段的風(fēng)機(jī)布置比較、優(yōu)化及發(fā)電量計(jì)算。

（2）海上測(cè)風(fēng)塔設(shè)立時(shí)應(yīng)考慮設(shè)置多層溫度測(cè)量，可以提供大氣穩(wěn)定度計(jì)算參數(shù)。

（3）風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)布置優(yōu)化是個(gè)綜合課題，要從風(fēng)能資源、可選機(jī)型、風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)投資初估、通航條件、海域使用、軍事部門要求等方面綜合考慮，才能確定風(fēng)電場(chǎng)優(yōu)化布局。

（4）在主導(dǎo)風(fēng)向明顯的風(fēng)電場(chǎng)，可以考慮減小第一排風(fēng)機(jī)的列間距，以減小海域面積占用，同時(shí)全場(chǎng)尾流損失也在接受范圍內(nèi)。