海上風電項目風機選型分析

馬洪飛

（中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

技術(shù)進步的過程中，我國的風電事業(yè)高速發(fā)展，為國家能源事業(yè)做出了卓越貢獻。與陸上風電項目不同，海上風電項目的特殊環(huán)境決定了在風機選型時需關(guān)注更多因素。風電事業(yè)發(fā)展的今天，市場上的風機型號越發(fā)多樣，每種型號的風機都有其性能、功能特點。有關(guān)人員在選型時，需按照海上風電項目建設(shè)要求，開展一系列分析及對比。未來的工作中，相關(guān)人員需繼續(xù)研究海上風電項目的風機選型，以豐富理論基礎(chǔ)和實踐經(jīng)驗，為項目建設(shè)提供理論與實踐指導。

1 海上風電機組選型的主要影響因素

1.1 風資源稟賦

風資源稟賦是影響風機選型的一大方面。風資源稟賦下包含很多細分因素，如平均風速、風切變指數(shù)、空氣密度、有效風能密度、風速持續(xù)時間等。按照風機選型經(jīng)驗，風電場容量系數(shù)為評估風機與風電場是否匹配的標準，風電場容量系數(shù)越大，風機與風電場越匹配。在風機選型過程中，有關(guān)人員必須掌握這些關(guān)系，據(jù)此選出符合要求的風機。

風能為低密度能源，海上風電項目中為選出性能優(yōu)越的風機，相關(guān)人員在前期必須掌握海上風電項目所在地的風資源信息，以此為基準開展適應(yīng)性分析，為項目配備高性能風機。此項工作中，各項指標應(yīng)盡可能與風資源特點相匹配，提高風能利用率。我國海上資源稟賦存在顯著的南北差異，風機選型時，有關(guān)人員需考慮區(qū)域差異，完成選型工作。另外，考慮到風機選型受風資源稟賦影響，選型工作開始前，應(yīng)安排專人實地調(diào)研，這些人員需要與當?shù)貧庀缶值确e極溝通，整合氣象資料、環(huán)境數(shù)據(jù)等，開展風資源評估，結(jié)合評估結(jié)果計算風電場的風資源稟賦特性參數(shù)，將此作為風機選型的重要參考。

1.2 風機性能

風電項目的風機選型為一大關(guān)鍵任務(wù)。為選出符合項目要求的風機，相關(guān)人員需關(guān)注風機性能。市場上的每一風機都有其性能特點，如選擇的風機性能不達標，后續(xù)投入使用后海上風電系統(tǒng)的運行效率低下、機組故障率較高。葉輪與功率是需要關(guān)注的重點性能指標。大葉輪風機的葉片長，掃風面積大，能獲取更多的風能資源。同時，風場容量固定的情況下，如風電機組的功率較高，能減少機位數(shù)，降低機械采購、安裝成本。風機運行具有以下特點：氣動效率高的葉片能降低損耗，保障風機的發(fā)電效率；高度集成的驅(qū)動鏈系統(tǒng)能形成全新的傳力路徑，在提高傳動效率的同時減少維護保養(yǎng)工作，體現(xiàn)風機的經(jīng)濟性運行特征；成熟的變槳和偏航系統(tǒng)，可自動采集風機運行數(shù)據(jù)，精準、靈活調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與槳矩角，使風機的葉尖速比、額定功率等符合要求，保持最佳的運行狀態(tài)；大范圍的風切和切出速度下，風機能高效率利用風能資源。

1.3 技術(shù)水平

一些風機中采用了先進技術(shù)，具有比其他風機更優(yōu)越的性能。因此，海上風電項目的風機選型中，有關(guān)人員也需要關(guān)注風機的技術(shù)水平。先進技術(shù)支持下風機能鹽霧、雷暴、積冰、暴風雪等惡劣條件，即使風電場建設(shè)區(qū)域受熱帶氣旋影響，風機也能免受臺風影響。海上風電場需面臨復雜和多變的海洋環(huán)境，風機材料應(yīng)具有耐高溫、耐腐蝕、耐沖擊特點；風機運行過程中，需承受復雜的工作荷載、環(huán)境荷載，所選擇風機的結(jié)構(gòu)強度應(yīng)有一定余量；風機運行時間長，其系統(tǒng)應(yīng)具有自動控制、智能監(jiān)測功能。

1.4 風機廠商

風機為專業(yè)化設(shè)備，一般由專業(yè)廠家來生產(chǎn)。廠商的生產(chǎn)能力、信譽、生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)品價格、供貨周期等也是風機選型中需關(guān)注的因素。如海上風電項目所選擇的風機制造商無法及時供貨，為避免延誤工期，必須與其他風機供貨商尋求合作，確保廠商能按時、按量供貨。風機運行期間因磨損或者操作等出現(xiàn)故障，如無法及時采購到相應(yīng)型號的配件，或者服務(wù)商反應(yīng)緩慢、維修人員技術(shù)水平較低，將影響海上風電機組的正常運行，甚至會產(chǎn)生額外的經(jīng)濟損失。因此，風機選型時有關(guān)人員需全面了解市場上的風機廠家，掌握這些廠家的生產(chǎn)水平、信譽、供貨能力等，與實力強、信譽佳的風機廠商建立合作關(guān)系，使廠商能根據(jù)海上風電項目中的風機配置需求，生產(chǎn)出高性能、高質(zhì)量的風機。

2 海上風電機組選型方案

2.1 工程概況

廣西壯族自治區(qū)欽州市某海上風電場，項目中心與岸邊相距約90km。風電場東西寬約27km、南北長約14km，規(guī)劃總面積為200km2，場址海域平均水深約33m，總裝機容量為1200MW。在前期的現(xiàn)場調(diào)研中，相關(guān)人員整合了各種資料，發(fā)現(xiàn)風電場160m 輪轂高度年平均風速、年平均風功率密度分別為7.55m/s、520W/m2，風電場160m 高度標準空氣密度下50 年一遇最大風速為34.88m/s，小于37.5m/s。經(jīng)一系列分析，本項目所在地的風功率等級為3 級，就海上風電場而言，本項目屬于低風速海上風電場，資源條件一般，為保證投資收益，選擇優(yōu)質(zhì)高效的風電機組尤為重要。

2.2 風電機組選型流程

此項目中為選出高性能風機，相關(guān)人員需率先確定風機的安全等級。參考此項目所在地50 年一遇最大風速及國際標準，同時由于本風電場位于廣西北部灣海域，時有臺風過境，根據(jù)臺風影響專題研究成果，應(yīng)選擇IEC Ⅰ類加強型以及以上安全等級的抗臺風風力發(fā)電機組。有關(guān)人員在本項目現(xiàn)場開展了風資源稟賦研究，并同步完成了風機適應(yīng)性分析，依據(jù)這些研究及分析結(jié)果，能確定市場主流機型、風機容量范圍，此后，以不同機型方案來確定風機機位，并布置海纜路由。海上風電場不同于陸地風電場，其環(huán)境復雜，為選出合理的風機，相關(guān)人員需進一步綜合風電場發(fā)電量、尾流、涉海面積、海底地形條件、地質(zhì)條件等因素，組織經(jīng)濟性、技術(shù)性對比與評估，選擇最優(yōu)選型方案。

在布置風機時，應(yīng)從技術(shù)可行性、經(jīng)濟合理性角度確定風機位置、相鄰風機的間距，以減小尾流對風機運行的干擾，控制風機之間的海纜長度，以減少電能消耗，降低施工成本。

2.3 風電機組選型方案

結(jié)合本項目現(xiàn)場的風資源情況，測風塔高度主風向、風能主要集中在NNE 扇區(qū)。風場風向、風能資源集中，此情況下，為遵循相應(yīng)規(guī)范布置風機，需將風機布置在主導風向分布區(qū)間的中間位置，但需控制不同風機之間的距離。因為此項目屬于低風速海上風電場，風能資源條件一般，為提高發(fā)電量，應(yīng)配備高效率風機。上述規(guī)劃工作后，考慮到風機廠家的供貨能力，機組先進性、經(jīng)濟性等因素，最終本項目的單機容量為8500 ～14000kW。

雙饋發(fā)電機組的體積小、質(zhì)量輕、成本低、可調(diào)速區(qū)間大，很多海上風電項目中均采用的是這一風電機組。即使如此，雙饋發(fā)電機組在運行使用過程中也存在問題，如齒輪箱易出現(xiàn)磨損、斷齒、漏油等問題，且傳動效率偏低，可靠性不足，維護難度大且工作量大。直驅(qū)型永磁機組的功率大、效率高、可靠性好、維護工作量小、低電壓穿透能力好，但此類風機也存在體積龐大、重量大、造價高等缺點。半直驅(qū)風電機組融合了雙饋與直驅(qū)機組的優(yōu)勢。海上風電場的運輸及安裝條件也是影響風機選型的重要因素。相對而言，海上風機運輸、安裝船舶的施工能力較強，風機吊裝與運輸?shù)谋憬菪暂^高，但海上風機的維護困難，成本較高。針對大兆瓦風電機組，可優(yōu)先采用直驅(qū)、半直驅(qū)類型風機，這兩種風機均符合本項目現(xiàn)場條件。

結(jié)合本海上風電項目，主要選擇了直驅(qū)/半直驅(qū)型發(fā)電機，相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 風機機組參數(shù)

2.4 風機選型注意事項

2.4.1 建立專業(yè)化工作團隊

海上風電項目的風機選型是一項專業(yè)性工作，參與此項工作中的人員必須儲備大量的專業(yè)知識，且具有豐富的工作經(jīng)驗，能在選型時收集大量的資料，并展開一系列計算與分析。因此，項目負責人應(yīng)將風機選型交由專業(yè)人員來負責，從項目團隊中調(diào)取不同專業(yè)的人才，由這些人才組建臨時性工作團隊，并對這些人才開展崗前培訓，引導他們掌握風機選型的大量知識，使后續(xù)該團隊在工作時發(fā)揮每個成員的專業(yè)優(yōu)勢。另外，該工作團隊在選型時也需要積極與其他工作團隊、部門溝通，分享各自在風機選型方面的建議，從相互交流中調(diào)整選型方案。

2.4.2 建立完善的工作制度

風機選型時，需多個部門、崗位人員參與到其中，為保障工作效果，企業(yè)需針對海上風電項目的風機選型要求，結(jié)合行業(yè)規(guī)范制定完善的工作制度，在此制度中應(yīng)包含風機選型工作流程、部門間與崗位間的溝通與協(xié)調(diào)方式、責任劃分等。正式開始項目選型時，有關(guān)部門需在企業(yè)內(nèi)分崗位、分專業(yè)組織培訓活動，向每個人員傳授風機選型的更多知識，使他們了解選型規(guī)范。當然，制度體系中也應(yīng)該包含責任機制，清晰劃分各部門、崗位人員在風機選型方面的責任，各部門、崗位人員在實際的工作中應(yīng)切實履行其職責。一旦風機選型過程中出現(xiàn)問題，相關(guān)部門應(yīng)立即定責、追責，追究人員責任，給予一定的懲罰。

2.4.3 應(yīng)用先進技術(shù)

當前，我國進入了信息時代，風機選型方面也需要積極利用信息技術(shù)，由計算機系統(tǒng)完成自動選型。傳統(tǒng)的風機選型工作大部分需要人工完成，人工工作量大，不僅需整合已有的信息，還需要篩選數(shù)據(jù)、完成計算，極易出現(xiàn)計算錯誤等情況，影響選型工作。通過建立計算機系統(tǒng)，相關(guān)人員直接將已有信息錄入系統(tǒng)，可直接由系統(tǒng)自動對比，得到最優(yōu)的選型結(jié)果。

3 結(jié)語

綜上，風機選型對海上風電項目的實施進度、效果等存在直接影響。由于市場風機型號、性能的多樣性，相關(guān)人員在海上風電項目中應(yīng)根據(jù)環(huán)境、氣候等特點，再充分考慮項目發(fā)電量、效率等要求，優(yōu)化選型方式，選定最優(yōu)的風機設(shè)備。