某電廠對附近風(fēng)電場的影響初步研究分析

劉登峰

（中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

關(guān)健詞：風(fēng)電；影響；障礙物；發(fā)電量

1 工程概述

某電廠規(guī)劃裝機(jī)容量4×1000MW，分兩期建設(shè)，一期工程建設(shè)2×1000MW超超臨界、間接空冷、純凝式發(fā)電機(jī)組。推薦的柳溝廠址位于甘肅省酒泉市瓜州縣城東北約50km的戈壁灘上，場址西側(cè)2km處為中國龍?jiān)措娏瘓F(tuán)公司300MW風(fēng)電場和酒泉千萬千瓦級風(fēng)電基地首批開發(fā)項(xiàng)目中的北大橋第二、第三風(fēng)電場（各裝機(jī)200MW）。某電廠及附近風(fēng)電場由南向北依次布置有升壓站、主廠房和煤場，占地面積55hm2。其中廠房、冷卻塔和煙囪分別高50m、160m和240m，而且廠房和冷卻塔建筑物體積較大。該區(qū)域主風(fēng)向?yàn)闁|風(fēng)，可能對西側(cè)風(fēng)電場造成一定影響。為此，就某電廠對附近風(fēng)電場的影響專題進(jìn)行了初步研究分析，如圖1所示。

圖1 某電廠及附近風(fēng)電場平面布置圖

2 區(qū)域氣象及風(fēng)資源

酒泉地區(qū)南部為祁連山脈，北部為北山山系，中部為平坦的戈壁荒灘，形成兩山夾一谷的地形，成為東西風(fēng)的通道，風(fēng)能資源十分豐富。

2.1 瓜州氣象站

瓜州縣氣象站位于瓜州縣城北門外，東經(jīng)95°46′， 北緯40°32′， 海拔高程1171m。 瓜州氣象站于1951年1月設(shè)立，屬國家基本氣象站。

瓜州縣屬大陸性中溫帶干旱性氣候，根據(jù)瓜州氣象站1971-2000年30年氣象資料統(tǒng)計(jì)，年平均氣溫8.8℃，年平均氣壓884.2HPa，年平均水汽壓5.3HPa，年平均降水量53.6mm，沙塵暴日數(shù)6.9d，雷暴日數(shù)6.6d。瓜州氣象站氣象要素統(tǒng)計(jì)見表1。

瓜州氣象站風(fēng)向玫瑰圖如圖2所示。從圖2可看出，瓜州氣象站風(fēng)向以東風(fēng)為主。

圖2 瓜州氣象站風(fēng)向玫瑰圖

表1 瓜州氣象站氣象要素統(tǒng)計(jì)表（1971～2000年）

2.2 風(fēng)電場測風(fēng)資料

2.2.1 測風(fēng)塔情況

為開發(fā)該區(qū)域風(fēng)能資源，該風(fēng)電場場址附近先后設(shè)立了3座測風(fēng)塔。各測風(fēng)塔基本情況見表2，各測風(fēng)塔地理位置圖如圖1所示。

表2 各測風(fēng)塔基本情況表

2.2.2 測風(fēng)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)與處理

為了有效評估本風(fēng)電場風(fēng)能資源，本次對原始測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，對其完整性和合理性進(jìn)行了判斷，檢驗(yàn)出不合理的數(shù)據(jù)和缺測的數(shù)據(jù)。

按照GB/T18710-2002《風(fēng)電場風(fēng)能資源評價(jià)辦法》，采用北京木聯(lián)能軟件公司編制的《風(fēng)電場測風(fēng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證和評估軟件》2.0版本對各測風(fēng)塔的實(shí)測數(shù)據(jù)分別進(jìn)行完整性檢驗(yàn)、范圍檢驗(yàn)、相關(guān)性檢驗(yàn)和風(fēng)速變化趨勢檢驗(yàn)。

檢驗(yàn)后列出所有不合理的數(shù)據(jù)和缺測數(shù)據(jù)及對應(yīng)的時(shí)間，對不合理數(shù)據(jù)再次進(jìn)行判斷，挑出符合實(shí)際情況的有效數(shù)據(jù)，回歸原始數(shù)據(jù)組。各測風(fēng)塔數(shù)據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 各測風(fēng)塔測風(fēng)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

2.2.3 測風(fēng)數(shù)據(jù)插補(bǔ)延長

4738#與1304#測風(fēng)塔直線距離59.1km，其間地勢開闊，地形平坦。對4738#與1304#測風(fēng)塔同期70m高風(fēng)速分別進(jìn)行相關(guān)性分析。4738#與1304#測風(fēng)塔70m高風(fēng)速總體相關(guān)系數(shù)0.818，主風(fēng)向相關(guān)系數(shù)大于0.810；1304#與4738#測風(fēng)塔70m風(fēng)速相關(guān)分析圖如圖2所示，相關(guān)方程及相關(guān)系數(shù)見表4。

本次采用1304#測風(fēng)塔70m測風(fēng)數(shù)據(jù)相關(guān)插補(bǔ)4738#測風(fēng)塔缺測數(shù)據(jù)，得到4738#測風(fēng)塔2007-06-12～2008-06-13一整年的測風(fēng)數(shù)據(jù)。相關(guān)插補(bǔ)后4738#測風(fēng)塔不同高度月平均統(tǒng)計(jì)見表5。

表4 1304#與4738#測風(fēng)塔70m高度同期風(fēng)速相關(guān)性分析

表5 4738#測風(fēng)塔插補(bǔ)延長后不同高度月平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)表 單位：m/s

2.2.4 測風(fēng)數(shù)據(jù)訂正

為得到一套反映該風(fēng)電場長期平均水平的風(fēng)速代表性數(shù)據(jù)，需借鑒瓜州縣氣象站長期測風(fēng)資料對4738#測風(fēng)塔(2007.06.13～2008.06.13)段測風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正。

瓜州氣象站1991年以后年平均風(fēng)速基本穩(wěn)定，1991.07～2008.06平均風(fēng)速為2.30m/s。而與現(xiàn)場4738#測風(fēng)塔測風(fēng)時(shí)段（2007.07～2008.06）瓜州縣氣象站平均風(fēng)速為2.29m/s，與1991.07～2008.06（18年）平均風(fēng)速持平。說明4738#測風(fēng)塔測風(fēng)時(shí)段（2007.07～2008.06）對長系列平均風(fēng)速具有代表性，故本次不對4738#測風(fēng)塔測風(fēng)時(shí)段 （2007.07～2008.06）實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正。

2.3 風(fēng)電場風(fēng)能資源

2.3.1 平均風(fēng)速及風(fēng)功率密度

4738#測風(fēng)塔不同高度月平均風(fēng)速統(tǒng)計(jì)見表6，61.5m、65m高度風(fēng)速由70m高度風(fēng)速數(shù)據(jù)推算（切變指數(shù)取0.11），風(fēng)向直接采用70m高度風(fēng)向，見表6。

表6 北大橋4738#測風(fēng)塔年月平均風(fēng)速、風(fēng)功率密度統(tǒng)計(jì)表 風(fēng)速：m/s；風(fēng)功率密度：W/m2

4738#測風(fēng)塔61.5m高度年平均風(fēng)速為7.08m/s，年有效風(fēng)速（3.0m/s～20.0m/s）時(shí)數(shù)為7625h，平均風(fēng)能密度為412W/m2。

2.3.2 風(fēng)頻曲線及威布爾參數(shù)

風(fēng)頻曲線采用威布爾分布，概率分布函數(shù)用下式表示：

式中：V為風(fēng)速；A、K為威布爾參數(shù)。

用WASP9.0程序進(jìn)行威布爾曲線擬合計(jì)算，得到4738#測風(fēng)塔61.5m年平均風(fēng)速為7.16m/s，平均風(fēng)功率密度為421W/m2，威布爾參數(shù)A=8.1，k=1.83；65m年平均風(fēng)速為7.21m/s，平均風(fēng)功率密度為428W/m2，威布爾參數(shù)A=8.1，k=1.84。70m年平均風(fēng)速為7.27m/s，平均風(fēng)功率密度為439W/m2，威布爾參數(shù)A=8.2，k=1.84。4738#測風(fēng)塔61.5m高度平均風(fēng)速威布爾分布圖如圖3所示。由圖3可以看出，4738#-1304#測風(fēng)塔61.5m高度風(fēng)速分布基本符合威布爾分布。

圖3 4738#測風(fēng)塔61.5m高度平均風(fēng)速威布爾分布圖

2.3.3 風(fēng)速、風(fēng)向特性

1)風(fēng)向。4738#測風(fēng)塔61.5m高度全年各扇區(qū)風(fēng)向和風(fēng)能分布統(tǒng)計(jì)見表7。

從表7中可以看出，4738#測風(fēng)塔61.5m高度主風(fēng)向和主風(fēng)能方向一致，以東（E）風(fēng)的風(fēng)向和風(fēng)能頻率最高，風(fēng)向頻率占全年的18.98%，風(fēng)能頻率占全年的34.42%。

2)風(fēng)速分布。4738#測風(fēng)塔從風(fēng)速分布看，風(fēng)速主要集中在3.0～11.0m/s，占全年的70.36%,風(fēng)能只占全年的38.41%；12.0～20.0m/s風(fēng)速段占全年的16.44%，但風(fēng)能占全年的60.45%；而大于21.0m/s的風(fēng)速約占全年的0.08%，風(fēng)能占全年的1.04%。4738#測風(fēng)塔61.5m高度風(fēng)速、風(fēng)能頻率分布統(tǒng)計(jì)見表8。

表7 4738#測風(fēng)塔61.5m高度全年各扇區(qū)風(fēng)向和風(fēng)能分布統(tǒng)計(jì)

表8 4738#測風(fēng)塔61.5m高度風(fēng)速、風(fēng)能頻率分布表

3）風(fēng)速的年內(nèi)變化。通常情況下，本地區(qū)年內(nèi)2～5月風(fēng)速較大，7月～10月風(fēng)速較小。也就是說，夏秋季風(fēng)小，冬春季風(fēng)大。

4）風(fēng)速的日變化。44738#測風(fēng)塔就總體情況看，一般晚上8、9點(diǎn)鐘風(fēng)速逐漸加大，至凌晨2、3點(diǎn)鐘風(fēng)速最大，早晨風(fēng)速逐漸減小，至中午12點(diǎn)鐘左右風(fēng)速最小。

2.4 風(fēng)能資源綜合評價(jià)

從以上分析可知，該風(fēng)電場以東（E）風(fēng)的風(fēng)向和風(fēng)能頻率最高，盛行風(fēng)向穩(wěn)定。風(fēng)速春季大，夏季小。61.5m高度風(fēng)速頻率主要集中在3.0～11.0m/s,3.0m/s以下和21.0m/s以上的無效風(fēng)速和破壞性風(fēng)速少,年內(nèi)變化小，全年均可發(fā)電。用WASP9.0軟件推算到預(yù)裝風(fēng)電機(jī)組輪轂高度61.5m年平均風(fēng)速為7.16～7.56m/s，平均風(fēng)功率密度為421～497W/m2。

由瓜州氣象站近30年資料推算61.5m、65m和70m高度50年一遇極大風(fēng)速分別為50.7m/s、51.0m/s和51.4m/s,小于52.5m/s。15m/s風(fēng)速段湍流強(qiáng)度介于為0.05～0.07,小于0.1，湍流強(qiáng)度較小。

根據(jù)《風(fēng)電場風(fēng)能資源評估方法》判定該風(fēng)電場風(fēng)功率密度等級已超過3級，說明該風(fēng)電場風(fēng)能資源比較豐富,可用于并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電，具有一定的開發(fā)前景。

3 某電廠對風(fēng)電場發(fā)電量影響計(jì)算

3.1 某電廠平面布置

某電廠推薦的廠區(qū)總平面布置由南向北依次布置有升壓站、主廠房、煤場三列式布置格式。主廠房固定端朝西，擴(kuò)建端向東，750kV出線向南。

廠區(qū)根據(jù)工藝及管理要求，廠區(qū)輔助生產(chǎn)和附屬建筑物圍繞主廠房及固定端并靠近相關(guān)設(shè)施成團(tuán)布置，并采用路網(wǎng)隔斷為若干功能小區(qū)，詳述如下：油庫、油泵房、泡沫迸房形成油庫區(qū)；材料庫形成材料區(qū)；灰?guī)?、氣化風(fēng)機(jī)房形成灰?guī)靺^(qū)。渣倉布置在鍋爐房兩側(cè)；綜合檢修樓形成檢修區(qū)；鍋爐補(bǔ)給水處理室、化驗(yàn)樓、生水箱、除鹽水箱及廢水池、水箱、循環(huán)水加藥加氯間、高位酸堿儲(chǔ)備間、廢水澄清泥渣濃縮間等形成化水區(qū)及廢水區(qū)；辦公樓、值班室、食堂和浴室形成廠前區(qū)；制氫間、貯氫罐形成制氫站；以上均在固定端外布置。循環(huán)水預(yù)處理區(qū)、綜合水泵房及蓄水池、凈化站等各自成區(qū)并靠近間冷塔布置；污水處理站布置在廠區(qū)南側(cè)最低點(diǎn)；汽機(jī)房外布置主變、廠高變、啟備變形成變壓器區(qū)；煙囪后形成脫硫設(shè)施區(qū)。間冷塔采用一機(jī)兩塔，本期四個(gè)塔成品字型布置在主廠房西南側(cè)，靠近主廠房布置。本期廠區(qū)占地面積55hm2，某電廠總平面布置如圖4所示。

圖4 某電廠總平面布置

3.2 風(fēng)電場平面布置

某電廠場址西側(cè)2km處為中國龍?jiān)措娏瘓F(tuán)公司300MW風(fēng)電場和酒泉千萬千瓦級風(fēng)電基地首批開發(fā)項(xiàng)目中的北大橋第二、第三風(fēng)電場（各裝機(jī)200MW）。

中國龍?jiān)措娏瘓F(tuán)公司風(fēng)電場計(jì)劃安裝214臺(tái)單機(jī)容量1500kW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其中33臺(tái)GW77/1500風(fēng)力發(fā)電機(jī)(輪轂高度65m，葉片直徑77m)，181臺(tái)GW82/1500風(fēng)力發(fā)電機(jī)(輪轂高度70m，葉片直徑82m)，總裝機(jī)容量321MW。風(fēng)機(jī)東西之間間距770m，南北之間間距385m，成梅花型布置。

北大橋第二、第三風(fēng)電場位于龍?jiān)达L(fēng)電場北側(cè)，兩風(fēng)電場之間間距約2600m。北大橋第二風(fēng)電場設(shè)計(jì)安裝134臺(tái)單機(jī)容量1500kW的FD77B風(fēng)力發(fā)電機(jī) (輪轂高度61.5m，葉片直徑77m)，總裝機(jī)容量201MW。風(fēng)機(jī)東西之間間距690m，南北之間間距350m，成梅花型布置。

北大橋第三風(fēng)電場設(shè)計(jì)安裝134臺(tái)單機(jī)容量1500kW的SL1500/82風(fēng)力發(fā)電機(jī) (輪轂高度70m，葉片直徑82m)，總裝機(jī)容量201MW。風(fēng)機(jī)東西之間間距740m，南北之間間距360m，成梅花型布置。

3.3 某電廠對風(fēng)電場發(fā)電量影響計(jì)算

3.3.1 計(jì)算軟件

本次分析計(jì)算采用目前國際上應(yīng)用最廣的風(fēng)能資源分析軟件——風(fēng)圖譜分析及應(yīng)用軟件WASP(Wind Atlas Analysis and Application Programs)，WASP是由丹麥國家實(shí)驗(yàn)室風(fēng)能應(yīng)用開發(fā)部開發(fā)出來的風(fēng)能資源分析處理軟件。

WASP對某地區(qū)進(jìn)行風(fēng)能資源評估分析時(shí)，不僅可以分析山丘以及復(fù)雜場地引起的風(fēng)的變化，而且可以計(jì)算由附近建筑物或障礙物所引起的風(fēng)機(jī)發(fā)電量的變化。本次分析計(jì)算采用WASP11.0版本。

3.3.2 建筑物尺寸處理

地面障礙物如建筑物、防風(fēng)帶等對風(fēng)速、風(fēng)向產(chǎn)生的衰減影響與障礙物到測風(fēng)點(diǎn)的距離以及障礙物和測風(fēng)點(diǎn)的高度有密切關(guān)系，另外，還與障礙物的孔隙度有一定關(guān)系。為了便于計(jì)算，一般將障礙物近似為具有一定長度、寬度和高度的矩形物來考慮。某電廠中建筑物設(shè)置參數(shù)見表9。

表9 某電廠影響分析WASP計(jì)算中建筑物設(shè)置參數(shù)表

表10 某電廠對風(fēng)電場發(fā)電量影響統(tǒng)計(jì)表

3.3.2 發(fā)電量影響計(jì)算

根據(jù)4738#測風(fēng)塔(2007.6.13～2008.6.13)風(fēng)速資料、風(fēng)機(jī)布置方案及1：50000地形圖，采用各風(fēng)電場選用機(jī)型當(dāng)?shù)乜諝饷芏认碌墓β是€和推力系數(shù)曲線，利用WASP9.0軟件進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算，得到風(fēng)機(jī)的理論年發(fā)電量和風(fēng)機(jī)尾流干擾后的年發(fā)電量。

某電廠對風(fēng)電場發(fā)電量影響統(tǒng)計(jì)見表10，由表可以看出，當(dāng)某電廠距離風(fēng)電場2km時(shí)，某電廠對該區(qū)域風(fēng)電場影響總體（平均）發(fā)電量減少0.7%，其中龍?jiān)达L(fēng)電場影響發(fā)電量平均減少1.32%，其中單機(jī)影響發(fā)電量最大減少9.2%。

4 結(jié)論

1）由于規(guī)劃等原因，目前僅對3個(gè)風(fēng)場700MW風(fēng)電裝機(jī)影響用通過WASP11.0軟件計(jì)算。理論計(jì)算結(jié)果：某電廠對該區(qū)域3個(gè)風(fēng)場發(fā)電量平均影響減少0.7%，其中龍?jiān)?00MW風(fēng)場發(fā)電量平均影響減少1.32%，隨著與電場的距離增加發(fā)電量影響減弱，單臺(tái)機(jī)發(fā)電量最大影響減少9.2%。

2）目前該地區(qū)風(fēng)電場上網(wǎng)電量計(jì)算中，葉片污染對發(fā)電量的影響僅考慮了1%（葉片污染影響也包含其它工業(yè)影響），某電廠運(yùn)行中的排放物及灰場、煤場對風(fēng)機(jī)的葉片可能造成一定的污染，對發(fā)電量有無影響及影響程度目前很難定量得出。