馮宇

【摘 要】本文通過調(diào)研相關(guān)設(shè)計、施工以及設(shè)備制造企業(yè)，從風(fēng)資源評估以及風(fēng)電機組選型與布置、地質(zhì)勘測、風(fēng)機基礎(chǔ)選型與設(shè)計以及施工組織設(shè)計等各個專業(yè)層面，梳理了目前國內(nèi)海上風(fēng)電項目在勘測設(shè)計階段存在的部分問題，并針對問題提出了優(yōu)化思路。

【關(guān)鍵詞】海上風(fēng)電;優(yōu)化設(shè)計;風(fēng)資源評估;地質(zhì)勘測

中圖分類號： TM714.3;TM614 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）16-0028-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.012

Analysis on the Existing Problems and Optimization Ideas of Offshore Wind Power Survey and Design

FENG Yu

（Three Gorges Group Shanghai Survey and Design Research Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200434，China）

【Abstract】In this paper，through the investigation of related design，construction and equipment manufacturing enterprises，from the wind resources evaluation，wind turbine selection and layout，geological survey，fan foundation selection and design，construction organization design and other professional levels，This paper combs some problems existing in the survey and design stage of domestic offshore wind power projects，and puts forward some optimization ideas for the problems.

【Key words】Offshore wind power;Optimization design;Wind resource assessment;Geological survey

0 引言

海上風(fēng)電是在陸上風(fēng)電成熟后發(fā)展起來的，具有不占用土地資源、風(fēng)能資源穩(wěn)定、靠近負(fù)荷中心等優(yōu)勢，已成為全球主要涉海國家新能源發(fā)展的重要領(lǐng)域。自上世紀(jì)90年代丹麥、荷蘭等國家率先建成試驗樣機以來，經(jīng)過近30年的持續(xù)推進，特別是近10年的快速發(fā)展，全球海上風(fēng)電的裝機規(guī)模及產(chǎn)業(yè)升級均實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，我國作為海上風(fēng)電新興市場也已經(jīng)進入發(fā)展的快車道，商業(yè)化、規(guī)?；_發(fā)海上風(fēng)電的序幕已全面拉開。

目前海上風(fēng)電還存在建設(shè)成本高、周期長、風(fēng)險大的問題，近期國家能源主管部門出臺的一系列建設(shè)及價格新政也為未來海上風(fēng)電的開發(fā)建設(shè)及成本控制提出了更高的要求。設(shè)計作為整個工程的前期環(huán)節(jié)，對于海上風(fēng)電成本控制起著至關(guān)重要的作用，本文將從海上風(fēng)電勘測設(shè)計的幾個主要環(huán)節(jié)，對海上風(fēng)電場勘測設(shè)計中存在的問題進行梳理并提出優(yōu)化思路。

1 風(fēng)資源評估以及風(fēng)電機組選型與布置

1.1 重視前期測風(fēng)工作，為風(fēng)機選型與布置以及發(fā)電量估算提供可靠依據(jù)

海上測風(fēng)工作是摸清待開發(fā)風(fēng)電場風(fēng)資源特征和規(guī)律的重要手段，是風(fēng)電機組選型與布置以及發(fā)電量估算的重要依據(jù)。和陸上測風(fēng)相比，海上測風(fēng)工作具有施工復(fù)雜程度高、技術(shù)難度大、建設(shè)周期長、投資成本大等特點，因此部分項目由于工期和成本制約，在沒有進行海上測風(fēng)或測風(fēng)數(shù)據(jù)不完整的情況下開展了可行性研究甚至工程建設(shè)，造成風(fēng)電機組選型和布置不夠合理，進而影響了整個風(fēng)場的風(fēng)資源利用效率和發(fā)電量水平。同時，在目前海上風(fēng)電競價上網(wǎng)的大背景下，可靠完整的測風(fēng)數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確估算發(fā)電量、提出合理報價的先決條件，直接影響著整個項目的最終收益率水平。

建議加強對海上風(fēng)電測風(fēng)工作的重視，同時研究推廣使用漂浮式激光雷達(dá)測風(fēng)裝置等新技術(shù)提高測風(fēng)數(shù)據(jù)的及時性，減少測風(fēng)塔建設(shè)對項目總體進度的影響;海上風(fēng)電項目必須在測風(fēng)數(shù)據(jù)滿一年的情況下開展施工圖設(shè)計工作，保證風(fēng)機布置的科學(xué)合理。

1.2 優(yōu)化風(fēng)機選型，推進大容量機組應(yīng)用

風(fēng)電機組大容量化是目前降低海上風(fēng)電機組投資成本的重要手段之一。對于總?cè)萘恳欢ǖ娘L(fēng)電場，大單機容量機組臺數(shù)少，繼而在吊裝費用、基礎(chǔ)費用、集電海纜費用、海域使用費以及工期上能夠帶來一定程度的節(jié)約。然而這并不意味著機組容量越大則經(jīng)濟效益越好。在特定風(fēng)速條件下，海上風(fēng)電場具有一個最佳功率等級。當(dāng)風(fēng)電機組功率等級低于該等級時，風(fēng)電場內(nèi)部收益率與風(fēng)電機組功率等級呈現(xiàn)正相關(guān)的趨勢;而當(dāng)風(fēng)電機組功率超過該功率等級后，風(fēng)電場內(nèi)部收益率與風(fēng)電機組功率等級呈現(xiàn)逆相關(guān)的趨勢。

初步研究結(jié)果表明，在7-8m/s風(fēng)區(qū)的最佳功率等級在6MW左右，而在9-10m/s風(fēng)區(qū)的最佳功率等級在8MW左右，因此建議在上海、浙江等III類風(fēng)資源區(qū)域，推廣6MW級風(fēng)電機組應(yīng)用;在福建、廣東等I-II類風(fēng)資源區(qū)域，探索推進8MW以上風(fēng)電機組應(yīng)用。

1.3 優(yōu)化修正方法，準(zhǔn)確估算風(fēng)電場上網(wǎng)電量

風(fēng)電場估算年上網(wǎng)電量是在理論發(fā)電量的基礎(chǔ)上，考慮風(fēng)機利用率、氣候影響、空氣密度、功率曲線、風(fēng)機尾流、風(fēng)機葉片腐蝕污染、控制和湍流強度、風(fēng)電場內(nèi)能量損耗等因素的影響，對其進行修正，估算出風(fēng)電場年上網(wǎng)電量。

通過比較多個已完成可研的海上風(fēng)電項目，在修正系數(shù)的選擇上存在著不小的差異。對于尾流折減系數(shù)，取值的誤差主要來自尾流模型的選取以及模型參數(shù)的取值。除尾流損失外的修正系數(shù)取值目前尚缺乏科學(xué)系統(tǒng)的方法，因此部分因素的修正系數(shù)取值具有較大的隨機性。

由于修正系數(shù)直接影響著最終發(fā)電量的估算，因此優(yōu)化修正系數(shù)選取方法，縮小取值范圍，對開發(fā)商在未來海上風(fēng)電資源競爭性配置中報出準(zhǔn)確、合理的上網(wǎng)電價具有重要意義。建議通過分析實際項目數(shù)據(jù)，利用科學(xué)的統(tǒng)計學(xué)方法優(yōu)化修正系數(shù)取值，力求實現(xiàn)修正系數(shù)的科學(xué)、準(zhǔn)確。

2 地質(zhì)勘測

2.1 加強地質(zhì)勘測質(zhì)量控制，確保數(shù)據(jù)的可靠性

由于設(shè)備和成本制約，目前海上風(fēng)電的勘測工作大都由設(shè)計院外包給專業(yè)的勘測團隊承擔(dān)。由于勘測團隊的水平參差不齊且缺乏有效監(jiān)督，部分施工單位反映部分地勘資料可能存在不準(zhǔn)確甚至做假的情況，對設(shè)計和施工都會產(chǎn)生不利影響。

建議加強地質(zhì)勘測質(zhì)量控制，對地勘的各個環(huán)節(jié)實行有效監(jiān)督，推行勘測設(shè)計監(jiān)理制度，對地勘結(jié)果的準(zhǔn)確性進行后評估，作為后續(xù)項目選擇地勘團隊的依據(jù)。

2.2 探討試樁工程的必要性，減小試樁工程對項目工期的影響

試樁工程是通過原位試驗的方法驗證項目所在區(qū)域土層的力學(xué)參數(shù)，以達(dá)到修正計算模型、優(yōu)化設(shè)計的目的。試樁工程作為地質(zhì)勘測的補充，對于摸清陌生海域的地質(zhì)特點具有一定的意義。然而在實際工程中，試樁工程需要占用大量的施工窗口期，對項目工期會產(chǎn)生較大的影響。同時，由于目前基于實驗和經(jīng)驗公式的土層力學(xué)參數(shù)估算方法已經(jīng)趨于成熟，而且已在多年的港口、橋梁工程實踐中被充分檢驗，因此隨著海上風(fēng)電工程經(jīng)驗的日趨豐富，簡化甚至省略試樁工程，應(yīng)是可以預(yù)見的趨勢。

建議根據(jù)項目具體情況，探討試樁工程的必要性，對于地質(zhì)條件較好或項目經(jīng)驗較多的地區(qū)，考慮省略試樁工程以節(jié)約成本并加快施工建設(shè)進度。

3 風(fēng)機基礎(chǔ)選型與設(shè)計

3.1 加強設(shè)計階段對施工因素的考慮

風(fēng)機基礎(chǔ)的投資約占全項目投資的20%～25%，并且與項目建設(shè)進度有很大的相關(guān)性。和陸上風(fēng)電不同，海上風(fēng)電基礎(chǔ)的選型與設(shè)計很大程度上受船機能力等施工因素的制約。目前部分設(shè)計單位由于缺乏實際施工經(jīng)驗，在基礎(chǔ)選型時往往只關(guān)注某種基礎(chǔ)型式的技術(shù)特點和造價成本，對施工組織難度的考慮不足。

建議在符合國家相關(guān)政策法規(guī)的前提下，通過技術(shù)咨詢、方案評審等方式引入可靠的施工合作單位提前介入設(shè)計階段，在前期把控設(shè)計方案的施工難度，降低后期因設(shè)計方案難以施工導(dǎo)致的工期延誤和成本上升。

3.2 探索切實可行的一體化設(shè)計方案

在大多數(shù)結(jié)構(gòu)工程中，一個構(gòu)筑物的上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的設(shè)計工作是由同一家設(shè)計單位承擔(dān)的，這樣有利于整體考慮結(jié)構(gòu)各部分剛度分布，準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)，從整體上實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。目前國內(nèi)的海上風(fēng)電基礎(chǔ)工程，由于知識產(chǎn)權(quán)和資質(zhì)的制約，風(fēng)機的基礎(chǔ)和上部塔筒分別由設(shè)計院和風(fēng)機廠家設(shè)計，這不僅不利于結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)的模擬，造成技術(shù)上的缺陷，同時由于設(shè)計院和風(fēng)機廠家往往傾向于基于自身考慮而過度設(shè)計，造成人為的成本增加。

建議通過加強業(yè)主、設(shè)計院和風(fēng)機廠商溝通，共同探索適合國情的、符合各方利益的、切實可行的一體化設(shè)計組織方案，可以組織可靠的合作風(fēng)機廠商提前介入設(shè)計，共同完成整體載荷計算，減少設(shè)計過程中由于溝通不暢造成的技術(shù)和非技術(shù)成本。

4 施工組織設(shè)計

4.1 優(yōu)化施工組織方案，提高施工窗口期功效

海上風(fēng)電工程施工受海洋環(huán)境影響大，施工窗口期非常有限，隨著未來海上風(fēng)電開發(fā)走向深遠(yuǎn)海，施工環(huán)境將更加惡劣，窗口期勢必進一步壓縮。海上施工主要受船機設(shè)備和作業(yè)人員對自然條件適應(yīng)能力兩方面共同限制。單純提高設(shè)備生存能力，并不能解決作業(yè)人員生理機能限制因素。

因而，應(yīng)著重研究提高有效窗口期內(nèi)的施工效率，建議從以下幾個方面入手：一是充分收集不同海域自然條件資料，根據(jù)統(tǒng)計和實測資料，分析影響施工的自然條件因素，包括制約船機設(shè)備作業(yè)的因素和制約施工人員作業(yè)的因素;二是根據(jù)目前國內(nèi)海上風(fēng)電主要船機設(shè)備作業(yè)工況，分析統(tǒng)計各個海域影響施工作業(yè)的時間和可施工的窗口期;三是分別對各種主流基礎(chǔ)形式和風(fēng)機安裝從施工交通運輸、主體工程施工工藝流程入手，分析傳統(tǒng)功效，同時結(jié)合船機設(shè)備適應(yīng)性的研究，提出提升窗口期施工功效的措施。

4.2 提高陸上預(yù)制構(gòu)件比例，減少海上作業(yè)

由于海上施工成本高，風(fēng)險大，受風(fēng)浪、海流等自然條件制約明顯，因此提高陸上預(yù)制構(gòu)件比例，盡量減少海上作業(yè)，是降低施工風(fēng)險和成本的有效途徑之一。目前國內(nèi)設(shè)計單位已對此做出了積極探索，例如單樁基礎(chǔ)整體套籠技術(shù)和高樁承臺預(yù)制承臺技術(shù)，都是為了減少海上施工帶來的不確定性，使得項目工期安排更加靈活、可控。

建議設(shè)計方案要充分考慮海上施工成本，通過技術(shù)創(chuàng)新努力將更多的海上澆筑、焊接工序提前在陸上完成，減少海上施工工序和施工時間，將有限的施工窗口期更加充分地利用。

5 結(jié)語

經(jīng)過多年的工程實踐，目前國內(nèi)海上風(fēng)電勘測設(shè)計水平已經(jīng)有了長足的提高，并已基本具備國內(nèi)各類海洋和地質(zhì)條件下海上風(fēng)電場的設(shè)計能力。然而，隨著國內(nèi)近海淺水海上風(fēng)電資源的逐步開發(fā)完畢以及行業(yè)建設(shè)管理及價格政策的不斷調(diào)整，海上風(fēng)電場的開發(fā)建設(shè)難度和成本控制壓力也在不斷提高，這就要求設(shè)計單位不斷改進設(shè)計方法、創(chuàng)新設(shè)計思路、加強成本控制意識，從而助力海上風(fēng)電降本增效，逐步擺脫補貼依賴，實現(xiàn)長遠(yuǎn)健康發(fā)展。