海上風(fēng)電機(jī)組選型方案研究

摘

要：為適應(yīng)海上風(fēng)場(chǎng)平價(jià)開發(fā)的需求，海上風(fēng)電機(jī)組向著大功率、輕量化、一體化的趨勢(shì)迅速發(fā)展。不同型號(hào)的風(fēng)電機(jī)組在發(fā)電效率、可靠性、安全性、價(jià)格及維修保養(yǎng)等方面差異較大，風(fēng)機(jī)選型時(shí)應(yīng)綜合考慮各種影響因素，計(jì)算分析風(fēng)電場(chǎng)的總體投資及單位度電投資，綜合選擇合適的機(jī)型。以海上風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)為例，論述了風(fēng)電機(jī)組選型的關(guān)鍵影響因素，總結(jié)歸納了風(fēng)電機(jī)組選型的主要流程及方法，為類似風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)、設(shè)計(jì)及建設(shè)提供了參考和指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；機(jī)組選型；度電投資0

引言為應(yīng)對(duì)全球氣候變化，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展，全球各主要國(guó)家和地區(qū)制定了相應(yīng)的“碳中和”目標(biāo)和具體實(shí)施方案。我國(guó)宣布力爭(zhēng)2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。在全球碳中和的時(shí)代大背景下，全球能源結(jié)構(gòu)將深度調(diào)整，以化石能源為主的傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)已無法滿足環(huán)境友好發(fā)展的要求，太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、核能、生物質(zhì)能等清潔能源成為各國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的新寵兒。海上風(fēng)能具有資源豐富、年利用小時(shí)數(shù)高，不占用土地，能夠成片區(qū)大面積規(guī)模開發(fā)，距離負(fù)荷中心近、利于就地消納等優(yōu)點(diǎn)，因此開發(fā)海上風(fēng)電已成為我國(guó)大力發(fā)展可再生能源的戰(zhàn)略需要。2021年全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)21.1GW，中國(guó)海上風(fēng)電新增裝機(jī)17GW，占比約80%。截至2021年，中國(guó)海上風(fēng)電已經(jīng)達(dá)到全球海上風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘康?7%。中石油作為能源企業(yè)，積極響應(yīng)國(guó)家減碳目標(biāo)，明確了綠色轉(zhuǎn)型“三步走”戰(zhàn)略，力爭(zhēng)2035年新能源新業(yè)務(wù)產(chǎn)能與油、氣三分天下，2050年左右實(shí)現(xiàn)近零排放，新能源新業(yè)務(wù)產(chǎn)能達(dá)到半壁江山，并已開始謀劃海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)布局。當(dāng)雙碳目標(biāo)遭遇海上風(fēng)電平價(jià)上網(wǎng)時(shí)，降本增效將是海上風(fēng)電健康可持續(xù)發(fā)展的必由之路。隨著電機(jī)技術(shù)及海工技術(shù)的進(jìn)步，海上風(fēng)電向超大風(fēng)場(chǎng)規(guī)模、單機(jī)功率大型化的方向快速發(fā)展，風(fēng)能利用效率大幅度提升。海上風(fēng)機(jī)大型化不僅能夠攤薄風(fēng)機(jī)制造、建設(shè)安裝以及后期維護(hù)成本，而且采用了更加先進(jìn)的設(shè)備，發(fā)電效率也有所提高。2021年搶裝潮期間，我國(guó)海上風(fēng)機(jī)由主流的6MW機(jī)型升級(jí)到10MW機(jī)型。雖然大型風(fēng)機(jī)是降低成本的有效途徑，但風(fēng)機(jī)選型受到風(fēng)資源稟賦、風(fēng)能利用效率、風(fēng)機(jī)技術(shù)成熟度、安全可靠性、后期維護(hù)保養(yǎng)及安裝船舶資源等多方面制約，需要綜合平衡各方面因素，確定風(fēng)機(jī)機(jī)組選型方案。1

海上風(fēng)電機(jī)組選型的主要影響因素1.1

風(fēng)資源稟賦風(fēng)資源稟賦涉及平均風(fēng)速、風(fēng)切變指數(shù)、空氣密度、有效風(fēng)能密度、風(fēng)速頻率分布、風(fēng)速持續(xù)時(shí)間、湍流強(qiáng)度、風(fēng)能玫瑰等風(fēng)資源數(shù)據(jù)。一般將風(fēng)電場(chǎng)容量系數(shù)作為判斷風(fēng)機(jī)與風(fēng)電場(chǎng)匹配性的標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)電場(chǎng)容量系數(shù)越大，風(fēng)機(jī)與風(fēng)電場(chǎng)的匹配性越好，即以風(fēng)機(jī)在一段時(shí)間內(nèi)平均輸出功率與額定輸出功率之比作為判斷準(zhǔn)則。風(fēng)能屬于低密度能源，風(fēng)機(jī)選型應(yīng)在已知風(fēng)資源數(shù)據(jù)的條件下進(jìn)行適應(yīng)性分析，選擇合適的風(fēng)電機(jī)組。各指標(biāo)應(yīng)盡量適合當(dāng)?shù)仫L(fēng)資源特點(diǎn)，達(dá)到對(duì)風(fēng)能的最大利用效率。我國(guó)海上資源稟賦，南北差異大，需要針對(duì)不同區(qū)域，因地制宜，選擇最佳機(jī)組選型方案。風(fēng)電機(jī)組選型前應(yīng)進(jìn)行風(fēng)資源評(píng)估，根據(jù)評(píng)估數(shù)據(jù)計(jì)算該區(qū)域內(nèi)的風(fēng)資源稟賦特性參數(shù)，將其作為風(fēng)機(jī)選型的輸入數(shù)據(jù)。1.2

風(fēng)機(jī)的先進(jìn)性大功率、大葉輪是未來大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流發(fā)展方向。大葉輪的葉片更長(zhǎng)，具有更大的掃風(fēng)面積，可獲得更多的風(fēng)能。大功率風(fēng)電機(jī)組可在風(fēng)場(chǎng)容量不變的情況下減少機(jī)位數(shù)，降低風(fēng)機(jī)設(shè)備采購(gòu)及安裝成本。氣動(dòng)效率高的葉片可以降低損耗，提高發(fā)電效率；高度集成的驅(qū)動(dòng)鏈系統(tǒng)可優(yōu)化傳力路徑，具有更好的傳動(dòng)效率，可以減少維護(hù)保養(yǎng)，提升發(fā)電收益；成熟可靠的變槳及偏航系統(tǒng)，可通過控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及槳矩角，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行在最佳葉尖速比狀態(tài)和額定功率狀態(tài)，保證風(fēng)機(jī)安全可靠運(yùn)行；較大范圍的風(fēng)切入及切出速度，可提高風(fēng)能的利用效率；先進(jìn)控制技術(shù)可降低載荷，提升發(fā)電量，降低度電成本；一體化的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)可縮短海上安裝工期，降低施工成本。先進(jìn)的風(fēng)電機(jī)組具備冗余設(shè)計(jì)，安全性高、可靠性好，發(fā)電機(jī)容量覆蓋范圍廣，風(fēng)能利用率高，運(yùn)行維護(hù)成本低等特點(diǎn)。風(fēng)機(jī)選型時(shí)可從風(fēng)機(jī)的葉片氣動(dòng)效率、防雷系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冗余設(shè)計(jì)、安全保護(hù)等方面評(píng)判其是否具有先進(jìn)性，這些因素也是風(fēng)電平價(jià)并網(wǎng)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。1.3

風(fēng)機(jī)的安全、可靠性風(fēng)電機(jī)組應(yīng)能在風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速、鹽霧、雷暴、積冰、暴風(fēng)雪等自然氣候條件下安全運(yùn)行；對(duì)于有熱帶氣旋影響的場(chǎng)址區(qū)域，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)具備抗臺(tái)風(fēng)性能。海上風(fēng)電機(jī)組所處海洋環(huán)境惡劣，設(shè)備材料需具有耐高溫、耐腐蝕、耐沖擊等特征，以保證使用壽命。風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)承受復(fù)雜多變的工作荷載和環(huán)境荷載，為確保風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)有足夠的承載能力，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)有一定的安全余量。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全天候處于工作狀態(tài)下，需滿足長(zhǎng)期自動(dòng)控制、運(yùn)行及監(jiān)測(cè)要求，因此，風(fēng)電機(jī)組質(zhì)量、控制系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)安全可靠，并具有一定的冗余度，保障風(fēng)機(jī)的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。作為主要產(chǎn)能設(shè)備，海上風(fēng)電機(jī)組的維修率直接影響到風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益[4]。如果風(fēng)機(jī)可靠性差，運(yùn)行過程故障率高，維修停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，將造成風(fēng)機(jī)實(shí)際發(fā)電小時(shí)數(shù)減少，年發(fā)電量降低。評(píng)價(jià)風(fēng)機(jī)運(yùn)行可靠性，可以采用式（1）風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用率作為判別依據(jù)。1.4

風(fēng)機(jī)廠商風(fēng)機(jī)廠商的信譽(yù)、業(yè)績(jī)、產(chǎn)品價(jià)格、供貨周期、質(zhì)量保證、售后服務(wù)等都是風(fēng)機(jī)采購(gòu)與選型的重要影響因素。風(fēng)機(jī)制造商供貨能力不能滿足項(xiàng)目進(jìn)度要求時(shí)，將拖后整個(gè)項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度，影響發(fā)電并網(wǎng)時(shí)間。風(fēng)機(jī)發(fā)生故障后，配件采購(gòu)困難、服務(wù)商反應(yīng)速度慢、維修人員技術(shù)水平不高，都可能造成額外損失及費(fèi)用，降低風(fēng)場(chǎng)發(fā)電效率。風(fēng)機(jī)廠商的生產(chǎn)制造場(chǎng)地、供貨地址等則會(huì)影響風(fēng)機(jī)安裝效率及施工費(fèi)用。按照發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，風(fēng)電機(jī)組可分為雙饋異步、永磁直驅(qū)和永磁半直驅(qū)三種。三種風(fēng)電機(jī)組技術(shù)特點(diǎn)各有千秋，且都由行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)頭企業(yè)生產(chǎn)制造。選擇合適的風(fēng)機(jī)廠商及產(chǎn)品型號(hào)，獲得質(zhì)量可靠的風(fēng)機(jī)、合理的采購(gòu)價(jià)格和優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，并保證產(chǎn)品交貨時(shí)間，廠商提供風(fēng)機(jī)全生命周期解決方案，能夠降低風(fēng)機(jī)全生命周期維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)效益最優(yōu)化。1.5

施工安裝大型風(fēng)電機(jī)組為增加受風(fēng)面積，葉輪直徑加大，輪轂中心越來越高，機(jī)組重量變大，筒體及基礎(chǔ)重量也都增大。國(guó)內(nèi)已發(fā)布的某15MW風(fēng)機(jī)的輪轂中心達(dá)155m以上，葉輪直徑超過260m，葉片長(zhǎng)度超過125m，風(fēng)機(jī)部件最大吊裝重量達(dá)800t。機(jī)組大型化、場(chǎng)址深水化使得海上風(fēng)電施工安裝對(duì)于安裝平臺(tái)、起重船及打樁錘等裝備的性能要求越來越高。海上作業(yè)環(huán)境惡劣，安裝窗口期短，大型船機(jī)設(shè)備資源少，費(fèi)用高。風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式、重量、尺寸等決定了安裝設(shè)備的能力及服務(wù)價(jià)格，并影響風(fēng)場(chǎng)的整體開發(fā)效益。風(fēng)機(jī)選型前應(yīng)充分調(diào)研風(fēng)機(jī)安裝市場(chǎng)及施工承包商，確保后期施工時(shí)能選到合適的安裝服務(wù)商并租賃到適合的施工船舶及裝備，保障項(xiàng)目進(jìn)度及海上安裝順利實(shí)施。1.6

經(jīng)濟(jì)效益海上風(fēng)電機(jī)組及塔筒費(fèi)用約占整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)投資的45%，因此風(fēng)機(jī)價(jià)格是風(fēng)機(jī)選型時(shí)必須考慮的重要因素。從發(fā)電效益方面考慮，對(duì)于中低風(fēng)速海域，可選擇低風(fēng)速機(jī)組，增加機(jī)組單位千瓦掃風(fēng)面積，提升機(jī)組滿發(fā)小時(shí)數(shù)，提高風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量，降低單位度電投資；對(duì)于高風(fēng)速海域，一般通過增加單機(jī)容量，減少風(fēng)電場(chǎng)機(jī)位點(diǎn)數(shù)，均攤風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)設(shè)備費(fèi)用，降低風(fēng)電場(chǎng)靜態(tài)投資。風(fēng)機(jī)布置、風(fēng)機(jī)價(jià)格、維修保養(yǎng)、發(fā)電效率等都影響著風(fēng)場(chǎng)投資及效益，應(yīng)綜合考慮選擇合適的風(fēng)機(jī)廠商及機(jī)組型號(hào)，優(yōu)化總體布置及海纜路由方案，減少風(fēng)機(jī)尾流影響，提升發(fā)電效益，提高施工安裝效率，降低項(xiàng)目總投資，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)效益最大化。2

海上風(fēng)電機(jī)組選型方案2.1

工程概況項(xiàng)目風(fēng)場(chǎng)位于海南省儋州市西北海域，場(chǎng)址中心離岸距離40km。風(fēng)電場(chǎng)東西寬4.2km，南北長(zhǎng)23.1～24.0km，規(guī)劃面積98.60km2，水深30.0～46.0m，總裝機(jī)容量600MW。風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔125m高度處，年平均風(fēng)速為7.64m/s，年平均風(fēng)功率密度為493.3W/m2，50年一遇最大風(fēng)速為48.7m/s。3.0～25.0m/s風(fēng)速段有效風(fēng)速利用小時(shí)數(shù)為7909h，占全年的90.3%。風(fēng)能主要集中在8.0～16.0m/s風(fēng)速段，占比74.65%。根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)能資源測(cè)量與評(píng)估技術(shù)規(guī)范》（NB/T31147—2018）風(fēng)功率密度等級(jí)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，本風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)功率等級(jí)為3級(jí)，風(fēng)能資源較好，具備較高的開發(fā)價(jià)值。2.2

風(fēng)電機(jī)組選型流程風(fēng)機(jī)選型前首先應(yīng)確定風(fēng)機(jī)的安全等級(jí)。根據(jù)該風(fēng)場(chǎng)50年一遇最大風(fēng)速及國(guó)際電工協(xié)會(huì)IEC61400-1（2019）要求，應(yīng)選擇適合IECⅠ類加強(qiáng)型及以上安全等級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。結(jié)合風(fēng)資源稟賦進(jìn)行風(fēng)機(jī)適應(yīng)性分析，確定市場(chǎng)主流機(jī)型及風(fēng)機(jī)容量范圍，然后按照不同機(jī)型方案進(jìn)行風(fēng)機(jī)機(jī)位及海纜路由布置。海上風(fēng)電機(jī)組布置應(yīng)考慮風(fēng)電場(chǎng)整體發(fā)電量、尾流、涉海面積、海底地形條件、地質(zhì)條件等影響，經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定方案。最后綜合風(fēng)電機(jī)組的選型因素及經(jīng)濟(jì)性確定推薦機(jī)組型號(hào)。風(fēng)電機(jī)組選型流程如圖1所示。進(jìn)行風(fēng)機(jī)布置時(shí)應(yīng)充分考慮節(jié)約用海的原則，結(jié)合場(chǎng)區(qū)內(nèi)風(fēng)資源分布特點(diǎn)，合理選擇風(fēng)電機(jī)組布置方式與間距，盡量減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)組間尾流影響，縮短風(fēng)電機(jī)組之間的海纜長(zhǎng)度，以降低配套工程投資和場(chǎng)內(nèi)輸電損失。2.3

風(fēng)電機(jī)組選型方案根據(jù)風(fēng)資源分析，測(cè)風(fēng)塔高度主風(fēng)向和風(fēng)能均主要集中在NNE～ESE扇區(qū)。風(fēng)場(chǎng)風(fēng)向和風(fēng)能分布相對(duì)集中，風(fēng)機(jī)布置時(shí)應(yīng)考慮主導(dǎo)風(fēng)能方向風(fēng)機(jī)與其他風(fēng)機(jī)保持足夠的距離。平均風(fēng)速相對(duì)較低，機(jī)組需要選擇對(duì)低風(fēng)速利用效率高的機(jī)型來提高項(xiàng)目整體發(fā)電量。結(jié)合風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家的供貨能力，考慮機(jī)組技術(shù)先進(jìn)性、成熟性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性等因素，本項(xiàng)目海上風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量宜選擇在8000～12000kW。雙饋發(fā)電機(jī)組具有體積小、重量輕、成本低、調(diào)速范圍較寬、有功和無功功率可獨(dú)立調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛，但是齒輪箱存在磨損、斷齒、漏油等風(fēng)險(xiǎn)，傳動(dòng)效率相對(duì)較低，可靠性一般，維護(hù)工作量大。直驅(qū)型永磁機(jī)組功率大、效率高、可靠性強(qiáng)、維護(hù)少、低電壓穿越能力好，但發(fā)電機(jī)體積較大、重量大，造價(jià)較高。半直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組兼顧雙饋和直驅(qū)機(jī)組的特點(diǎn)。海上風(fēng)機(jī)運(yùn)輸及安裝船舶施工能力強(qiáng)，風(fēng)機(jī)吊裝與運(yùn)輸相對(duì)于陸上容易一些；海上風(fēng)電維護(hù)難度大、成本高。對(duì)于大兆瓦風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)機(jī)廠商主要選擇了直驅(qū)和半直驅(qū)技術(shù)路線，且兩種機(jī)型都能滿足本風(fēng)電場(chǎng)作業(yè)要求。根據(jù)機(jī)組適應(yīng)性分析結(jié)果，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)技術(shù)成熟的商業(yè)化風(fēng)電機(jī)組技術(shù)規(guī)格、單機(jī)容量范圍及風(fēng)能資源稟賦、湍流強(qiáng)度、氣候特點(diǎn)等因素，本項(xiàng)目擬定了A～E共5個(gè)機(jī)型方案，如表1所示。鑒于風(fēng)場(chǎng)每年都會(huì)遭受臺(tái)風(fēng)侵襲，風(fēng)機(jī)安全等級(jí)選擇了更高的IECS級(jí)?，F(xiàn)階段考慮了空氣密度、湍流、葉片污染、風(fēng)機(jī)利用率、功率曲線保證率、氣候停機(jī)、廠用電和線損等折減修正，各機(jī)型均采用標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的動(dòng)態(tài)功率曲線，綜合折減按80%選取。機(jī)型B和機(jī)型E為中低風(fēng)速機(jī)型，具有葉輪直徑大、掃風(fēng)面積大、額定功率風(fēng)速低等特點(diǎn)，因此等效滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)高。本項(xiàng)目尚未進(jìn)行風(fēng)機(jī)采購(gòu)，投資數(shù)額不便于公布，表1按照單位千瓦靜態(tài)投資及單位度電投資的高低進(jìn)行了排序。單位千瓦靜態(tài)投資比較結(jié)果為方案D＜方案C＜方案E＜方案A＜方案B；等效滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)比較結(jié)果為方案B＞方案E＞方案A＞方案D＞方案C；最終單位度電投資比較結(jié)果為方案B＜方案D＜方案E＜方案A＜方案C。綜合考慮各方面因素，機(jī)型B為推薦方案。在機(jī)組采購(gòu)時(shí)，還應(yīng)根據(jù)最終報(bào)價(jià)及機(jī)組特性選擇合適的供貨廠商及機(jī)組型號(hào)。3

結(jié)語在當(dāng)前海上風(fēng)電平價(jià)的背景下，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)不斷以提高發(fā)電效率、降低建設(shè)和運(yùn)維成本為核心進(jìn)行多維度技術(shù)創(chuàng)新。對(duì)于中低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)，大葉輪在較低