引言

為應(yīng)對全球氣候變化,推動可持續(xù)發(fā)展,全球各主要國家和地區(qū)制定了相應(yīng)的"碳中和"目標(biāo)和具體實施方案。我國宣布力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰,2060年前實現(xiàn)碳中和。在全球碳中和的時代大背景下,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,太陽能、風(fēng)能、水能、核能、生物質(zhì)能等清潔能源成為各國重點發(fā)展的新寵兒。海上風(fēng)能具有資源豐富、年利用小時數(shù)高,不占用土地,能夠成片區(qū)大面積規(guī)模開發(fā),距離負荷中心近、利于就地消納等優(yōu)點,因此開發(fā)海上風(fēng)電已成為我國大力發(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21.1Gw,中國海上風(fēng)電新增裝機17Gw,占比約80%。截至2021年,中國海上風(fēng)電已經(jīng)達到全球海上風(fēng)電裝機總?cè)萘康?7%。中石油作為能源企業(yè),積極響應(yīng)國家減碳目標(biāo),明確了綠色轉(zhuǎn)型"三步走"戰(zhàn)略,力爭2035年新能源新業(yè)務(wù)產(chǎn)能與油、氣三分天下,2050年左右實現(xiàn)近零排放,新能源新業(yè)務(wù)產(chǎn)能達到半壁江山,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)電平價上網(wǎng)時,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。隨著電機技術(shù)及海工技術(shù)的進步,海上風(fēng)電向超大風(fēng)場規(guī)模、單機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)機大型化不僅能夠攤薄風(fēng)機制造、建設(shè)安裝以及后期維護成本,而且采用了更加先進的設(shè)備,發(fā)電效率也有所提高。

2021年搶裝潮期間,我國海上風(fēng)機由主流的6Mw機型升級到10Mw機型。雖然大型風(fēng)機是降低成本的有效途徑,但風(fēng)機選型受到風(fēng)資源稟賦、風(fēng)能利用效率、風(fēng)機技術(shù)成熟度、安全可靠性、后期維護保養(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)機機組選型方案。

1海上風(fēng)電機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)時間、湍流強度、風(fēng)能玫瑰等風(fēng)資源數(shù)據(jù)。

一般將風(fēng)電場容量系數(shù)作為判斷風(fēng)機與風(fēng)電場匹配性的標(biāo)準(zhǔn),風(fēng)電場容量系數(shù)越大,風(fēng)機與風(fēng)電場的匹配性越好,即以風(fēng)機在一段時間內(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)機選型應(yīng)在已知風(fēng)資源數(shù)據(jù)的條件下進行適應(yīng)性分析,選擇合適的風(fēng)電機組。各指標(biāo)應(yīng)盡量適合當(dāng)?shù)仫L(fēng)資源特點,達到對風(fēng)能的最大利用效率。我國海上資源稟賦,南北差異大,需要針對不同區(qū)域,因地制宜,選擇最佳機組選型方案。風(fēng)電機組選型前應(yīng)進行風(fēng)資源評估,根據(jù)評估數(shù)據(jù)計算該區(qū)域內(nèi)的風(fēng)資源稟賦特性參數(shù),將其作為風(fēng)機選型的輸入數(shù)據(jù)。

1.2風(fēng)機的先進性

大功率、大葉輪是未來大型風(fēng)力發(fā)電機組的主流發(fā)展方向。大葉輪的葉片更長,具有更大的掃風(fēng)面積,可獲得更多的風(fēng)能。大功率風(fēng)電機組可在風(fēng)場容量不變的情況下減少機位數(shù),降低風(fēng)機設(shè)備采購及安裝成本。氣動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)動鏈系統(tǒng)可優(yōu)化傳力路徑,具有更好的傳動效率,可以減少維護保養(yǎng),提升發(fā)電收益:成熟可靠的變獎及偏航系統(tǒng),可通過控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及獎矩角,使風(fēng)機運行在最佳葉尖速比狀態(tài)和額定功率狀態(tài),保證風(fēng)機安全可靠運行: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)機設(shè)計可縮短海上安裝工期,降低施工成本。

先進的風(fēng)電機組具備冗余設(shè)計,安全性高、可靠性好,發(fā)電機容量覆蓋范圍廣,風(fēng)能利用率高,運行維護成本低等特點。風(fēng)機選型時可從風(fēng)機的葉片氣動效率、防雷系統(tǒng)、發(fā)電機系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冗余設(shè)計、安全保護等方面評判其是否具有先進性,這些因素也是風(fēng)電平價并網(wǎng)的核心競爭力。

1.3風(fēng)機的安全、可靠性

風(fēng)電機組應(yīng)能在風(fēng)場風(fēng)速、鹽霧、雷暴、積冰、暴風(fēng)雪等自然氣候條件下安全運行:對于有熱帶氣旋影響的場址區(qū)域,風(fēng)電機組應(yīng)具備抗臺風(fēng)性能。海上風(fēng)電機組所處海洋環(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)機在運行過程中會承受復(fù)雜多變的工作荷載和環(huán)境荷載,為確保風(fēng)機運行時有足夠的承載能力,風(fēng)機結(jié)構(gòu)強度應(yīng)有一定的安全余量。風(fēng)力發(fā)電機組全天候處于工作狀態(tài)下,需滿足長期自動控制、運行及監(jiān)測要求,因此,風(fēng)電機組質(zhì)量、控制系統(tǒng)、安全保護系統(tǒng)及監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)安全可靠,并具有一定的冗余度,保障風(fēng)機的長期安全穩(wěn)定運行。

作為主要產(chǎn)能設(shè)備,海上風(fēng)電機組的維修率直接影響到風(fēng)場的經(jīng)濟效益。如果風(fēng)機可靠性差,運行過程故障率高,維修停機時間長,將造成風(fēng)機實際發(fā)電小時數(shù)減少,年發(fā)電量降低。

評價風(fēng)機運行可靠性,可以采用式(1)風(fēng)機的風(fēng)能利用率作為判別依據(jù)。

1.4風(fēng)機廠商

風(fēng)機廠商的信譽、業(yè)績、產(chǎn)品價格、供貨周期、質(zhì)量保證、售后服務(wù)等都是風(fēng)機采購與選型的重要影響因素。風(fēng)機制造商供貨能力不能滿足項目進度要求時,將拖后整個項目建設(shè)進度,影響發(fā)電并網(wǎng)時間。風(fēng)機發(fā)生故障后,配件采購困難、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用,降低風(fēng)場發(fā)電效率。風(fēng)機廠商的生產(chǎn)制造場地、供貨地址等則會影響風(fēng)機安裝效率及施工費用。

按照發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和工作原理,風(fēng)電機組可分為雙饋異步、永磁直驅(qū)和永磁半直驅(qū)三種。三種風(fēng)電機組技術(shù)特點各有千秋,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)機廠商及產(chǎn)品型號,獲得質(zhì)量可靠的風(fēng)機、合理的采購價格和優(yōu)質(zhì)的服務(wù),并保證產(chǎn)品交貨時間,廠商提供風(fēng)機全生命周期解決方案,能夠降低風(fēng)機全生命周期維護成本,實現(xiàn)風(fēng)場效益最優(yōu)化。

1.5施工安裝

大型風(fēng)電機組為增加受風(fēng)面積,葉輪直徑加大,輪轂中心越來越高,機組重量變大,筒體及基礎(chǔ)重量也都增大。

國內(nèi)已發(fā)布的某l5Mw風(fēng)機的輪轂中心達l55m以上,葉輪直徑超過260m,葉片長度超過l25m,風(fēng)機部件最大吊裝重量達800t。機組大型化、場址深水化使得海上風(fēng)電施工安裝對于安裝平臺、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,大型船機設(shè)備資源少,費用高。風(fēng)機的結(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)價格,并影響風(fēng)場的整體開發(fā)效益。

風(fēng)機選型前應(yīng)充分調(diào)研風(fēng)機安裝市場及施工承包商,確保后期施工時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,保障項目進度及海上安裝順利實施。

1.6經(jīng)濟效益

海上風(fēng)電機組及塔筒費用約占整個風(fēng)電場投資的45%,因此風(fēng)機價格是風(fēng)機選型時必須考慮的重要因素。從發(fā)電效益方面考慮,對于中低風(fēng)速海域,可選擇低風(fēng)速機組,增加機組單位千瓦掃風(fēng)面積,提升機組滿發(fā)小時數(shù),提高風(fēng)電場發(fā)電量,降低單位度電投資:對于高風(fēng)速海域,一般通過增加單機容量,減少風(fēng)電場機位點數(shù),均攤風(fēng)電場建設(shè)設(shè)備費用,降低風(fēng)電場靜態(tài)投資。

風(fēng)機布置、風(fēng)機價格、維修保養(yǎng)、發(fā)電效率等都影響著風(fēng)場投資及效益,應(yīng)綜合考慮選擇合適的風(fēng)機廠商及機組型號,優(yōu)化總體布置及海纜路由方案,減少風(fēng)機尾流影響,提升發(fā)電效益,提高施工安裝效率,降低項目總投資,以實現(xiàn)風(fēng)場效益最大化。

2海上風(fēng)電機組選型方案

2.1工程概況

項目風(fēng)場位于海南省儋州市西北海域,場址中心離岸距離40km。風(fēng)電場東西寬4.2km,南北長23.1~24.0km,規(guī)劃面積98.60km2,水深30.0~46.0m,總裝機容量600Mw。風(fēng)電場測風(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)電場工程風(fēng)能資源測量與評估技術(shù)規(guī)范》(NB/T31147一2018)風(fēng)功率密度等級評判標(biāo)準(zhǔn),本風(fēng)電場風(fēng)功率等級為3級,風(fēng)能資源較好,具備較高的開發(fā)價值。

2.2風(fēng)電機組選型流程

風(fēng)機選型前首先應(yīng)確定風(fēng)機的安全等級。根據(jù)該風(fēng)場50年一遇最大風(fēng)速及國際電工協(xié)會IEC61400-1(2019)要求,應(yīng)選擇適合IEC1類加強型及以上安全等級的風(fēng)力發(fā)電機組。結(jié)合風(fēng)資源稟賦進行風(fēng)機適應(yīng)性分析,確定市場主流機型及風(fēng)機容量范圍,然后按照不同機型方案進行風(fēng)機機位及海纜路由布置。海上風(fēng)電機組布置應(yīng)考慮風(fēng)電場整體發(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)濟比較后確定方案。最后綜合風(fēng)電機組的選型因素及經(jīng)濟性確定推薦機組型號。

風(fēng)電機組選型流程如圖1所示。

進行風(fēng)機布置時應(yīng)充分考慮節(jié)約用海的原則,結(jié)合場區(qū)內(nèi)風(fēng)資源分布特點,合理選擇風(fēng)電機組布置方式與間距,盡量減少風(fēng)力發(fā)電機組間尾流影響,縮短風(fēng)電機組之間的海纜長度,以降低配套工程投資和場內(nèi)輸電損失。

2.3風(fēng)電機組選型方案

根據(jù)風(fēng)資源分析,測風(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)場風(fēng)向和風(fēng)能分布相對集中,風(fēng)機布置時應(yīng)考慮主導(dǎo)風(fēng)能方向風(fēng)機與其他風(fēng)機保持足夠的距離。平均風(fēng)速相對較低,機組需要選擇對低風(fēng)速利用效率高的機型來提高項目整體發(fā)電量。結(jié)合風(fēng)機生產(chǎn)廠家的供貨能力,考慮機組技術(shù)先進性、成熟性、經(jīng)濟性和可靠性等因素,本項目海上風(fēng)電機組單機容量宜選擇在8000~12000kw。

雙饋發(fā)電機組具有體積小、重量輕、成本低、調(diào)速范圍較寬、有功和無功功率可獨立調(diào)節(jié)等優(yōu)點,應(yīng)用最為廣泛,但是齒輪箱存在磨損、斷齒、漏油等風(fēng)險,傳動效率相對較低,可靠性一般,維護工作量大。直驅(qū)型永磁機組功率大、效率高、可靠性強、維護少、低電壓穿越能力好,但發(fā)電機體積較大、重量大,造價較高。半直驅(qū)風(fēng)電機組兼顧雙饋和直驅(qū)機組的特點。海上風(fēng)機運輸及安裝船舶施工能力強,風(fēng)機吊裝與運輸相對于陸上容易一些:海上風(fēng)電維護難度大、成本高。對于大兆瓦風(fēng)電機組,風(fēng)機廠商主要選擇了直驅(qū)和半直驅(qū)技術(shù)路線,且兩種機型都能滿足本風(fēng)電場作業(yè)要求。

根據(jù)機組適應(yīng)性分析結(jié)果,結(jié)合目前國內(nèi)技術(shù)成熟的商業(yè)化風(fēng)電機組技術(shù)規(guī)格、單機容量范圍及風(fēng)能資源稟賦、湍流強度、氣候特點等因素,本項目擬定了A~E共5個機型方案,如表1所示。鑒于風(fēng)場每年都會遭受臺風(fēng)侵襲,風(fēng)機安全等級選擇了更高的IECS級。

現(xiàn)階段考慮了空氣密度、湍流、葉片污染、風(fēng)機利用率、功率曲線保證率、氣候停機、廠用電和線損等折減修正,各機型均采用標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的動態(tài)功率曲線,綜合折減按80%選取。機型B和機型E為中低風(fēng)速機型,具有葉輪直徑大、掃風(fēng)面積大、額定功率風(fēng)速低等特點,因此等效滿負荷小時數(shù)高。本項目尚未進行風(fēng)機采購,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:等效滿負荷小時數(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,機型B為推薦方案。在機組采購時,還應(yīng)根據(jù)最終報價及機組特性選擇合適的供貨廠商及機組型號。

3結(jié)語

在當(dāng)前海上風(fēng)電平價的背景下,風(fēng)電產(chǎn)業(yè)不斷以提高發(fā)電效率、降低建設(shè)和運維成本為核心進行多維度技術(shù)創(chuàng)新。對于中低風(fēng)速風(fēng)電場,大葉輪在較低的風(fēng)速下就能達到額定功率,可直接提高風(fēng)機的發(fā)電量和利用小時數(shù),但需要通過新材料、新結(jié)構(gòu)來有效控制葉片的重量,單機價格相對較高。需要平衡單位千瓦靜態(tài)投資及有效滿負荷小時數(shù)之間的關(guān)系,換算成單位度電投資來進行效益分析。

風(fēng)機選型應(yīng)結(jié)合風(fēng)電市場現(xiàn)狀選擇合適容量的機型進行對比分析。對比應(yīng)考慮機組先進性、可靠性、安全性,安裝便利性,運輸距離短,供貨保證率及運行維護等多方面因素。根據(jù)不同的機型開展總體布置,綜合計算風(fēng)電場的整體投資。結(jié)合發(fā)電效率計算單位度電投資,選擇機型成熟度高、運行業(yè)績好、綜合成本低的機型。