楊太華，任浩翰

（1.上海電力學(xué)院，上海 200090；2.上海綠色環(huán)保能源有限公司，上海 200090）

1 引言

風(fēng)電是一種清潔可再生的能源，受到各國(guó)政府高度重視。上海東海大橋100MW海上風(fēng)電示范項(xiàng)目是經(jīng)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)核準(zhǔn)，由上海市政府規(guī)劃和建設(shè)的我國(guó)第一個(gè)大型海上風(fēng)電項(xiàng)目，也是亞洲第一個(gè)大型海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目。該項(xiàng)目位于上海東海大橋東側(cè)1～4km，浦東新區(qū)海岸線以南8～13km的上海市海域。風(fēng)電場(chǎng)平均水深10m，風(fēng)機(jī)高度設(shè)計(jì)為90m，年平均風(fēng)速8.4m／s。該風(fēng)電場(chǎng)由34臺(tái)單機(jī)容量為3MW的風(fēng)電機(jī)組組成，總裝機(jī)容量102MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量利用小時(shí)數(shù)2 624h，年上網(wǎng)電量2.67億kW·h，項(xiàng)目總投資23.65億元。該項(xiàng)目2006年6月國(guó)家發(fā)改委同意立項(xiàng)，2010年6月全部34臺(tái)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電。2010年10月被聯(lián)合國(guó)開發(fā)計(jì)劃署、聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署授予“聯(lián)合國(guó)環(huán)境友好型城市示范項(xiàng)目”證書。該項(xiàng)目的建成為我國(guó)海上風(fēng)能開發(fā)提供了很好的借鑒。

2 海上風(fēng)電場(chǎng)的組成

海上風(fēng)電場(chǎng)是一種由數(shù)十臺(tái)或數(shù)百臺(tái)大中型風(fēng)電機(jī)組在海面上排成陣列組成發(fā)電機(jī)群與電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，向用戶提供強(qiáng)大電力的發(fā)電系統(tǒng)，主要包括分布在場(chǎng)內(nèi)的各個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、陸上中央監(jiān)控室及場(chǎng)區(qū)的建筑物、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變電單元、場(chǎng)區(qū)集電線路、升壓變電站、中央監(jiān)控通信系統(tǒng)，以及其他防護(hù)功能設(shè)施。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿暮诵牟糠?，由葉片、輪轂、主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、調(diào)速器和限速裝置、對(duì)風(fēng)裝置、塔架及其附屬部件構(gòu)成。陸上中央控制室及建筑物是對(duì)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和管理的辦公室和設(shè)備系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變單元是由單個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與箱式變壓器組成。場(chǎng)區(qū)集電線路是將單個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變單元分組連接的線路，一般采用敷設(shè)海底復(fù)合電力電纜連接。升壓變電站是將場(chǎng)區(qū)集電線路輸出的電壓升壓到110kV或220kV的風(fēng)電場(chǎng)配套變電站。中央監(jiān)控通訊系統(tǒng)是對(duì)風(fēng)電場(chǎng)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)與連接電網(wǎng)進(jìn)行控制和管理的聯(lián)絡(luò)、監(jiān)控及通訊設(shè)施。

3 國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)能開發(fā)現(xiàn)狀

目前，海上風(fēng)能的開發(fā)項(xiàng)目主要集中在歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家。其中大型海上風(fēng)電場(chǎng)主要分布在丹麥、瑞典、英國(guó)、荷蘭等國(guó)。世界上第一個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)于1991年在丹麥建成。直到2009年，全世界共有12個(gè)國(guó)家建立了海上風(fēng)電場(chǎng)，其中10個(gè)位于歐美，中國(guó)和日本有小規(guī)模的安裝。世界海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)2 110MW，較2008年增長(zhǎng)48.5%，占到全球風(fēng)電總裝機(jī)容量的1.2%。2009年世界海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量達(dá)689MW，其中，最大的近海風(fēng)電場(chǎng)是Nysted海域建成的裝機(jī)容量達(dá)到165MW的海上風(fēng)電場(chǎng)。隨著海上風(fēng)電技術(shù)的不斷完善，海上風(fēng)電場(chǎng)開始進(jìn)入規(guī)模化發(fā)展階段。

我國(guó)擁有綿長(zhǎng)的海岸線，海上風(fēng)能資源豐富。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)風(fēng)能資源儲(chǔ)量居世界首位，可開發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量約10億kW，其中陸上風(fēng)能儲(chǔ)量約2.53億kW（按陸上離地10m高度資料計(jì)算），海上可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲(chǔ)量約7.5億kW。主要分布在山東、廣東、遼寧、江蘇和東南沿海地區(qū)及其附屬島嶼，年平均風(fēng)速達(dá)到6～9m／s，風(fēng)能是陸上的3倍。2010年6月我國(guó)海上風(fēng)電示范項(xiàng)目及上海市重大工程項(xiàng)目——東海大橋100MW海上風(fēng)電場(chǎng)建成投入運(yùn)營(yíng)，這標(biāo)志著中國(guó)海上風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)穩(wěn)穩(wěn)走出了第一步，大型海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)技術(shù)已達(dá)到世界先進(jìn)水平。

4 海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)技術(shù)的創(chuàng)新

海上風(fēng)電場(chǎng)與陸上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)相比在資源、氣候、地質(zhì)環(huán)境等條件方面具有很大的不同，因此，風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)、投資成本也不一樣，其中，在風(fēng)電場(chǎng)的選址、升壓變電站建設(shè)、支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工、海上風(fēng)機(jī)安裝技術(shù)，以及并網(wǎng)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)方面具有創(chuàng)新。

4.1 海上風(fēng)電場(chǎng)選址

從國(guó)際上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)看，海上風(fēng)電場(chǎng)選址需要考慮的主要因素有：①通過專業(yè)化、科學(xué)化的前期調(diào)研，得到較精確的初步成本預(yù)算；②具有豐富的風(fēng)能資源，接入電網(wǎng)系統(tǒng)比較方便；③符合當(dāng)?shù)貐^(qū)域發(fā)展規(guī)劃的要求，風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)與城市規(guī)劃、海事、海洋、軍事、航運(yùn)、漁業(yè)及環(huán)境生態(tài)保護(hù)相協(xié)調(diào)；④具備較好的海面水域、水深和海底地質(zhì)條件；⑤具備較先進(jìn)的安裝設(shè)備和并網(wǎng)技術(shù)、好的交通運(yùn)輸和施工安裝場(chǎng)地等條件。

上海市位于我國(guó)東部沿海，屬東亞季風(fēng)氣候盛行地區(qū)。風(fēng)能資源評(píng)價(jià)表明，上海市近海海域擁有豐富風(fēng)能資源，具備建設(shè)海上風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能資源條件。上海電網(wǎng)是我國(guó)大型的城市受端電網(wǎng)，離大型風(fēng)電場(chǎng)較近。在東海大橋周邊范圍建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)符合上海市海洋功能規(guī)劃、岸線規(guī)劃及有關(guān)海洋自然環(huán)境保護(hù)規(guī)定；東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)選址在東海大橋的東側(cè)，離大橋最近約1km，以東側(cè)、北測(cè)的海底光纜和管線為控制邊界，南側(cè)與浙江海域相鄰，中間設(shè)立可通行1 000t級(jí)船舶的航道，所選區(qū)域均避開了航道、港區(qū)、海底管（纜）線、錨地、軍用區(qū)域，以及建（構(gòu)）筑物；不影響防汛、航空安全；具備大型海上運(yùn)輸船舶相關(guān)的安裝設(shè)備，有利于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工和風(fēng)機(jī)吊裝；前期調(diào)研和成本核算表明，該選址技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理，建設(shè)方案可行。

4.2 升壓變電站

在風(fēng)電場(chǎng)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電量需要輸送到區(qū)域電網(wǎng)中去，才能得到有效利用。為了減少線損，應(yīng)逐級(jí)升壓送出。目前國(guó)際市場(chǎng)上的風(fēng)電機(jī)組出口電壓大部分是0.69kV或0.4kV，因此，要對(duì)風(fēng)電機(jī)組配備升壓變壓器，通過場(chǎng)區(qū)集電線路，將電壓升到10kV或35kV，再通過電力電纜輸送到與風(fēng)電場(chǎng)配套的海上升壓變電站或陸上升壓變電站，將輸入的電壓升高到110kV或220kV，再經(jīng)高壓線路輸送到區(qū)域電網(wǎng)。升壓變電站的建設(shè)，國(guó)際上有兩種方案：一種建設(shè)海上變電站，另一種是建設(shè)陸上變電站。

上海東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)各臺(tái)風(fēng)機(jī)升壓變壓器采用35kV高壓側(cè)電壓，通過海底電纜接入浦東臨港新城海岸上的升壓變電站后送入上海市電網(wǎng)。

4.3 海上風(fēng)機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)

海上風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)按照目前國(guó)際上的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，主要有單樁基礎(chǔ)、多樁基礎(chǔ)、重力式混凝土沉箱、吸力式基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)幾種類型。

（1）單樁基礎(chǔ)。主要安裝在海床下10～20m范圍，樁徑一般為2～4.5m，壁厚為直徑的1／100。單樁不需作海底準(zhǔn)備，制造簡(jiǎn)單，但安裝時(shí)需要專用的設(shè)備，施工費(fèi)用相對(duì)較高。

（2）群樁基礎(chǔ)。一般樁徑較小，為三角樁，通過特殊灌漿或裝模與上部結(jié)構(gòu)相連，適合于在深海域建造，缺點(diǎn)是沒有成功安裝群樁基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)。

（3）重力式混凝土沉箱。該類型基礎(chǔ)體積較大，靠重力使風(fēng)機(jī)保持垂直。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低，受海床沙礫影響不大，但體積和重量較大。

（4）吸力式基礎(chǔ)。一般分為多樁或單樁吸力式沉箱基礎(chǔ)。吸力式沉箱基礎(chǔ)適于軟粘土及砂性土；單樁吸力式沉箱基礎(chǔ)比多樁吸力式沉箱基礎(chǔ)的安裝費(fèi)用高。

（5）導(dǎo)管架基礎(chǔ)。采用小直徑鋼管打入，端部填塞或成型連接，適合較深的水域，且覆蓋層承載力高，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)打樁設(shè)備要求較低，導(dǎo)管架采用工廠加工，整體運(yùn)輸安裝；缺點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

考慮到有一條深水航道穿越東海大橋風(fēng)電場(chǎng)，因此風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)要具有抵抗船舶撞擊的能力，結(jié)合我國(guó)市政橋梁和港口碼頭建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，摒棄了采用單樁、導(dǎo)管架等基礎(chǔ)的施工方案，而是提出了高樁混凝土承臺(tái)基礎(chǔ)方案，大大減小了基樁的直徑，而且也有類似的混凝土承臺(tái)施工經(jīng)驗(yàn)。如果適當(dāng)控制承臺(tái)高程，就可以用鋼筋混凝土承臺(tái)抵抗船舶的撞擊，而無(wú)需另外設(shè)置防護(hù)樁。該方案雖然施工工序較多，但具有結(jié)構(gòu)剛度大、總造價(jià)低、施工風(fēng)險(xiǎn)可控的優(yōu)點(diǎn)。

4.4 海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)安裝技術(shù)

一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)機(jī)安裝具有分體吊裝和整體吊裝兩種施工方案。風(fēng)機(jī)整體吊裝是海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的關(guān)鍵，施工難度大，國(guó)內(nèi)還沒有先例。整體吊裝施工方案就是在陸上將葉片、機(jī)艙、輪轂、塔筒組裝成一體，裝船運(yùn)至安裝現(xiàn)場(chǎng)，在海上進(jìn)行整體吊裝。選擇該方案，需要在陸上建立拼裝場(chǎng)地和運(yùn)輸碼頭，在環(huán)境較好的陸上完成風(fēng)機(jī)拼裝，可大大縮短海上作業(yè)時(shí)間。對(duì)于分體吊裝方案而言，與陸上基本相同，技術(shù)相對(duì)成熟，但海上吊裝作業(yè)時(shí)間比較長(zhǎng)，受氣候影響較大。通過比較，東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)最終選擇了整體吊裝方案，主要是利用其他工程施工遺留下來(lái)的沈家灣預(yù)制基地，經(jīng)改造后作為風(fēng)機(jī)陸上拼裝基地。并在場(chǎng)地上布置了葉片、輪轂移動(dòng)平臺(tái)，在碼頭上安裝了起重機(jī)和風(fēng)機(jī)組裝塔筒，用改裝的半潛駁船作為風(fēng)機(jī)整體運(yùn)輸船。

4.5 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)技術(shù)

風(fēng)電是一種不穩(wěn)定電源，它隨風(fēng)速的改變而不斷變化。越來(lái)越多的風(fēng)電接入電網(wǎng)，會(huì)使電網(wǎng)面臨一系列的挑戰(zhàn)，其中，由此產(chǎn)生的電網(wǎng)故障將導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)的解列就是重要的挑戰(zhàn)之一。因此，風(fēng)電電源還需要得到強(qiáng)電系統(tǒng)的支撐。上海電網(wǎng)是一個(gè)大受端，屬?gòu)?qiáng)電系統(tǒng)。將風(fēng)電場(chǎng)接入上海電網(wǎng)的同時(shí)，也可以獲得電網(wǎng)較好的功率補(bǔ)償，對(duì)于保證風(fēng)電場(chǎng)的全部發(fā)電能夠安全可靠地輸送到電網(wǎng)是非常重要的。東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)設(shè)陸上控制中心和110kV升壓變電站，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)的布置，采用8～9臺(tái)風(fēng)機(jī)組合成一個(gè)聯(lián)合單元，通過四回集電線路，用35kV海底電力電纜接入，再經(jīng)過110kV電纜接入220kV變電站，從而并入上海市電網(wǎng)。

5 大規(guī)模海上風(fēng)能資源開發(fā)的借鑒作用

海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過陸上風(fēng)電場(chǎng)，通過上海東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)示范工程項(xiàng)目的實(shí)施，已經(jīng)積累了一定的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)取得重要進(jìn)展。目前，國(guó)內(nèi)沿海地區(qū)都在規(guī)劃建設(shè)大型海上風(fēng)電場(chǎng)，東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)對(duì)今后大規(guī)模開發(fā)海上風(fēng)能資源有很好的借鑒。

（1）海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)前期，要做好可行性研究工作。通過專業(yè)化和科學(xué)調(diào)研，收集較為準(zhǔn)確的地質(zhì)、氣象、海洋環(huán)境等第一手資料，并對(duì)各種建設(shè)方案進(jìn)行初步的成本預(yù)算；考察是否具備大型設(shè)備安裝所用的海上運(yùn)輸工具（如重型船舶等）；確認(rèn)海底打樁所用到的相關(guān)設(shè)備及工具的可靠性；根據(jù)不同的海水深度選擇適合的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式等。

（2）充分利用我國(guó)自主研發(fā)的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，降低風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)費(fèi)用。選擇機(jī)組連網(wǎng)電力電纜材料，確定可行的工程施工方案。對(duì)于近海風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)，必須根據(jù)離岸距離和經(jīng)濟(jì)技術(shù)的合理性，選擇將高壓升壓變電站是建在陸上還是建在海上。利用最新的風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)，確保風(fēng)電場(chǎng)電能的有效利用。風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)過程中，要做好離岸變電站的布局規(guī)劃、電力電纜填埋深度和風(fēng)機(jī)連網(wǎng)對(duì)航線的影響等安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

（3）采用岸上裝配與海上吊裝相結(jié)合的技術(shù)，可以降低海上風(fēng)機(jī)吊裝施工的安全風(fēng)險(xiǎn)和成本，即在岸上（離海上風(fēng)電場(chǎng)最近的港口）對(duì)風(fēng)機(jī)主要部件（如風(fēng)電機(jī)組等）進(jìn)行裝配和調(diào)試，然后通過船舶集中運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行整體吊裝。

（4）為了保證海上風(fēng)電場(chǎng)的正常運(yùn)行，必須做好風(fēng)電場(chǎng)的人性化設(shè)計(jì)和安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。經(jīng)驗(yàn)顯示，考慮到海上惡劣的氣候環(huán)境，風(fēng)機(jī)機(jī)組設(shè)計(jì)要做到免維護(hù)和耐腐蝕性，以及必要的人性化設(shè)計(jì)，以保證維護(hù)技術(shù)人員的人身安全。同時(shí)，還要考慮海運(yùn)航道對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響，做好安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和預(yù)防。

［1］陸忠民.上海東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.中國(guó)工程科學(xué)，2010，12（11）：19～24.

［2］吳志良，王鳳武.海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型式及計(jì)算方法［J］.水運(yùn)工程，2009，34（10）：249～258.

［3］中交三航局有限公司，上海東海大橋100MW海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)土建及金屬結(jié)構(gòu)安裝工程施工組織設(shè)計(jì)［R］.長(zhǎng)春：中交三航局有限公司，2008.

［4］趙秀華，楊靜東.風(fēng)力發(fā)電工程施工與驗(yàn)收［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.