戴璐 張文平
2020年年初,《關(guān)于促進非水可再生能源發(fā)電健康發(fā)展的若干意見》的發(fā)布,讓海上風(fēng)電“國補”取消的傳聞最終變?yōu)楝F(xiàn)實?!皣a”取消、“省補”未知,中國海上風(fēng)電很可能會從高電價一步邁入平價上網(wǎng),其與陸上風(fēng)電一樣,將面臨降本的巨大壓力。為保證風(fēng)電健康穩(wěn)定發(fā)展,行業(yè)需要積極探尋降本增效的有效途徑。
事實上,除了政策環(huán)境的驅(qū)動,風(fēng)電行業(yè)要提升競爭力,推動可再生能源完成由替代能源向主力能源的轉(zhuǎn)變,降本更是其內(nèi)在的必然要求。目前,除了通過技術(shù)手段實現(xiàn)降本增效的傳統(tǒng)方案,延長風(fēng)電場的運營年限也被認為可以為業(yè)主帶來可觀收益預(yù)期、提高項目收益水平,其可細分為作用于新增風(fēng)電場的增壽方案及作用于已投運風(fēng)電場的延壽方案兩類。隨著越來越多的陸上風(fēng)電場臨近運營終點,低效問題已經(jīng)突顯,許多標準和規(guī)范陸續(xù)出臺;而對于暫未直面大批量機組退役危機的海上風(fēng)電場而言,受自然環(huán)境條件、施工復(fù)雜程度等多種因素影響,增壽和延壽的經(jīng)濟性尚未得到系統(tǒng)評估。為給海上風(fēng)電項目延長運營年限的可行性提供依據(jù),本文選取兩種典型場景,對海上風(fēng)電場增壽和延壽的經(jīng)濟性進行評估。
延長海上風(fēng)電場運營年限場景
一座完整的海上風(fēng)電場一般由一定數(shù)量的風(fēng)電機組和輸電系統(tǒng)構(gòu)成。簡單來說,當(dāng)前典型的海上風(fēng)電場主要由6個部分構(gòu)成:風(fēng)電機組、機組支撐結(jié)構(gòu)(含塔架和基礎(chǔ))、集電海纜、海上升壓站、送出海纜、陸上集控中心。
根據(jù)現(xiàn)行的《海上風(fēng)力發(fā)電場設(shè)計標準》(GB/T 51308―2019)、《海上風(fēng)電場工程風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(NB/T 10105―2018)、《海上風(fēng)力發(fā)電機組防腐規(guī)范》(GB/T 33630―2017)等標準及機組說明書中的規(guī)定,海上風(fēng)電機組設(shè)計壽命不應(yīng)少于25年;風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計使用年限應(yīng)與風(fēng)電機組設(shè)計使用壽命相匹配,如無特殊規(guī)定,不應(yīng)少于25年(極端環(huán)境載荷應(yīng)采用50年設(shè)計基準期);海上升壓站鋼結(jié)構(gòu)平臺設(shè)計使用年限應(yīng)為50年(極端環(huán)境載荷應(yīng)采用100年設(shè)計基準期);防腐設(shè)計年限應(yīng)不少于25年;海底電纜的設(shè)計年限通常在30年左右。
一、海上風(fēng)電場增壽
海上風(fēng)電場增壽,即在設(shè)計初期增加海上風(fēng)電場的設(shè)計壽命??紤]到增壽海上風(fēng)電場的評估和開發(fā)流程與傳統(tǒng)風(fēng)電場相同,只是在設(shè)備選型時,所選取風(fēng)電機組和輸電系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計年限需確保至少超過增壽后海上風(fēng)電場的運營年限。根據(jù)以上提到的海上風(fēng)電場主要構(gòu)成及現(xiàn)有設(shè)計年限評估,海上風(fēng)電機組及其支撐結(jié)構(gòu)、海上升壓站基礎(chǔ)的設(shè)計及防腐壽命等部分需要在設(shè)計初期加強或后續(xù)加固,故初始投資會存在一定上浮,但幅度可控。
二、海上風(fēng)電場延壽
海上風(fēng)電場延壽,即評估達標后,允許部分或全部機組在超過設(shè)計壽命后繼續(xù)運營有效年份。隨著風(fēng)電場運營時間的推移,盡管風(fēng)電機組在長期載荷作用下會存在疲勞損傷的問題,但一般情況下,項目實際運行時的空氣密度、湍流強度等與標準設(shè)計工況有所不同,早年的風(fēng)電場設(shè)計往往偏保守,因此,預(yù)計目前這些設(shè)計壽命為25年的風(fēng)電機組在經(jīng)過25年的運營周期后,仍會存留可觀的壽命和價值,存在延壽的可能性。海上風(fēng)電場延壽可以被進一步區(qū)分為兩類場景:(1)風(fēng)電場相關(guān)設(shè)施設(shè)備在設(shè)計時較為保守,安全余量較多,經(jīng)過重新檢測評估后可以繼續(xù)服役指定年限;(2)風(fēng)電場主要設(shè)施設(shè)備經(jīng)評估無安全隱患且具備服役能力,只需對部分部件進行更換或技改,即可通過延壽評估,繼續(xù)服役指定年限。本文主要討論第一種場景。
海上風(fēng)電場延壽評估,除需要滿足國家對延壽的規(guī)范要求外,還應(yīng)滿足現(xiàn)行的相關(guān)標準規(guī)范。具體步驟是通過對風(fēng)電機組及其支撐結(jié)構(gòu)(含塔架和基礎(chǔ))、海上升壓站結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)、海底電纜、陸上集控中心結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)以及相關(guān)電氣設(shè)備等海上風(fēng)電場主要構(gòu)成進行延壽檢查,并對結(jié)果進行分析,評估其是否具備繼續(xù)服役的能力。設(shè)備設(shè)施的壽命是多變量耦合的結(jié)果,如對其進行評估,需要依據(jù)最新的標準規(guī)范,對整機各大小部件進行延壽檢查,結(jié)合項目所在地的外部條件、機組原始設(shè)計資料、運行階段測量數(shù)據(jù),通過建模仿真和有限元分析、等級分析等,確定當(dāng)前風(fēng)電機組的健康狀況,評估機組的損耗壽命和剩余壽命,為延壽提供數(shù)據(jù)支撐。若可直接延壽,則結(jié)合項目工況,計算其剩余使用壽命,并進一步制定延壽期間的檢修維護項及其方法和間隔;若不可直接延壽,則判斷是否可以通過更換和技改實現(xiàn)延壽,如更換陽極塊、加強結(jié)構(gòu)等。
除了需對設(shè)備設(shè)施本身的性能進行系統(tǒng)性評估外,還要評估延壽成本以及延壽后可為業(yè)主帶來的效益。盡管評估非常復(fù)雜和困難,但對于施工難度大、周期長、成本高的海上風(fēng)電項目來說,還是具有非常重大的意義。
海上風(fēng)電場增壽和延壽經(jīng)濟評價
風(fēng)電場經(jīng)濟評價包括財務(wù)評價和國民經(jīng)濟評價,遵循“有無對比”的原則,本文的測算主要為財務(wù)評價部分。2019年,《國家發(fā)展改革委 國家能源局關(guān)于積極推進風(fēng)電、光伏發(fā)電無補貼平價上網(wǎng)有關(guān)工作的通知》和《關(guān)于深化燃煤發(fā)電上網(wǎng)電價形成機制改革的指導(dǎo)意見》先后印發(fā),分別定義了平價“不需要國家補貼執(zhí)行燃煤標桿上網(wǎng)電價”的概念和“將現(xiàn)行燃煤發(fā)電標桿上網(wǎng)電價機制改為‘基準價+上下浮動的市場化價格機制。基準價按當(dāng)?shù)噩F(xiàn)行燃煤發(fā)電標桿上網(wǎng)電價確定,浮動幅度為上浮不超過10%、下浮原則上不超過15%”。本文以我國東部沿海省份綜合平價水平作為測算依據(jù),暫不考慮燃煤標桿電價的上、下浮動情況。此外,為確??蓞⒖夹?,本文選取同類型近海風(fēng)電場作為測算案例,考慮到增壽與延壽分別代表新增投資和追加投資兩種情況,測算時分別采用當(dāng)今及早年的投資水平,即14000元/千瓦與16000元/千瓦。
一、海上風(fēng)電場增壽經(jīng)濟評價
海上風(fēng)電場增壽的經(jīng)濟評價與傳統(tǒng)風(fēng)電場的經(jīng)濟評價無異,只需要在評價時調(diào)整測算入?yún)ⅲㄈ邕\營年限、融資年限、折舊年限、攤銷年限、發(fā)電能力、工程造價、運維費用等),綜合評估增壽后的投入產(chǎn)出,并進行經(jīng)濟性的定量測算和關(guān)鍵指標(平準化度電成本、項目全部投資內(nèi)部收益率、項目自有資金內(nèi)部收益率等)分析。
(一)測算假設(shè)
以我國東部海域某300MW典型近海風(fēng)電場為例,測算假設(shè)如下:(1)上網(wǎng)電價選取東部沿海省份燃煤標桿電價中間水平0.4000元/千瓦時;(2)運營年限從25年逐年增至30年;(3)年等效利用小時數(shù)維持3300h不變;(4)考慮增壽可能會引起的初始投資增加,單位千瓦動態(tài)投資從25年的14000元/千瓦逐年以250元/千瓦等額遞增;(5)折舊年限等于運營年限;(6)還款年限(含建設(shè)期)為18年;(7)經(jīng)濟評價參數(shù)參照《風(fēng)電場項目經(jīng)濟評價規(guī)范》(NB/T 31085―2016)中海上風(fēng)電場的取值要求,并將增壽5年內(nèi)的修理費率提高至4%;(8)銀行貸款比例為70%,長期貸款利率為4.9%,分別測算增壽前和增壽后的項目經(jīng)濟性。
(二)增壽建議
上述案例的測算結(jié)果如表1所示。由表可知,海上風(fēng)電場增壽方案會直接影響項目的收益水平,但在文中假設(shè)的前提下,增壽年份與收益水平并不是正相關(guān)關(guān)系,存在拐點,即并不是增壽時間越長,收益水平就越高,這主要是因為增壽會帶來一定程度的初始投資上漲,且經(jīng)營年限拉長會等比拉長故障的浴盆曲線,導(dǎo)致后續(xù)高額運維費用持續(xù)周期較長。在本案例中,增壽至27 年的經(jīng)濟性最優(yōu),繼續(xù)增壽的收益率反呈下降趨勢。
在同等假設(shè)條件下反算單位千瓦動態(tài)投資,若希望維持與25年經(jīng)營年度時同樣的收益水平5.08%,增壽至26~30年的單位千瓦動態(tài)投資分別不得高于14307元/千瓦、14595元/千瓦、14699元/千瓦、14791元/千瓦、14891元/千瓦(圖1),若超過該值,則增壽方案不具有經(jīng)濟性??梢钥闯?,增壽年限越長,可以接受的初始投資水平越高。本案例中,在收益水平相同的情況下,30年運營期的單位千瓦動態(tài)投資限值相較于25年,可為已經(jīng)面臨重重壓力的海上風(fēng)電場工程造價爭取額外891元/千瓦的釋壓空間。
若希望全部投資財務(wù)內(nèi)部收益率達到8%的水平,且在其他假設(shè)條件不變的情況下,運營年限在25~30年的單位千瓦動態(tài)初始投資需要分別控制在11297元/千瓦、11443元/千瓦、11573元/千瓦、11635元/千瓦、11693元/千瓦、11751元/千瓦(圖2)。相較于25年,增壽至30年可以爭取額外454元/千瓦的釋壓空間。同樣可以看出,當(dāng)前水平與收益預(yù)期水平下的單位千瓦動態(tài)投資仍存在約3000元的差距,降本任務(wù)道阻且長。
二、海上風(fēng)電場延壽經(jīng)濟評價
進行海上風(fēng)電場延壽經(jīng)濟評價時,需在該風(fēng)電場已有經(jīng)濟評價的基礎(chǔ)上,增加測算入?yún)ⅲㄈ缪訅矍暗臋z查費用、延壽年內(nèi)的修理費率等),并進行經(jīng)濟性的定量測算和關(guān)鍵指標(平準化度電成本、項目全部投資內(nèi)部收益率、項目自有資金內(nèi)部收益率等)分析。
(一)測算假設(shè)
以我國東部海域某300MW典型近海風(fēng)電場為例,測算假設(shè)如下:(1)前25年的上網(wǎng)電價為0.8500元/千瓦時,延壽5年的上網(wǎng)電價選取東部沿海省份燃煤標桿電價中間水平0.4000元/千瓦時;(2)運營年限從25年逐年增至30年;(3)前25年的年等效利用小時數(shù)維持3300h不變,后5年按3000h取值;(4)初始投資選取早年近海沿岸的造價水平16000元/千瓦;(5)考慮直接延壽,但在第21~25年年均發(fā)生延壽檢查費用50元/千瓦;(6)折舊年限等于運營年限;(7)還款年限(含建設(shè)期)為18年;(8)經(jīng)濟評價參數(shù)參照《風(fēng)電場項目經(jīng)濟評價規(guī)范》(NB/T 31085―2016)中海上風(fēng)電場的取值要求,并將延壽5年內(nèi)的修理費率提高至4%;(9)銀行貸款比例為70%,長期貸款利率為4.9%,分別測算延壽前和延壽后的項目經(jīng)濟性。
(二)延壽建議
上述案例的測算結(jié)果如表2和圖3所示。由圖表可知,海上風(fēng)電場延壽方案會直接影響項目的收益水平,且在文中假設(shè)的前提下,延壽年份與收益水平為正相關(guān)關(guān)系,即在其他條件相同的前提下,風(fēng)電場的可運營年限越長,收益水平越高。這主要是由于收益水平對發(fā)電能力更為敏感,延壽所產(chǎn)生的費用足以被增發(fā)的電量收益覆蓋。
結(jié)論
經(jīng)論證可知,延長運營年限是海上風(fēng)電場增值的有效手段。但截至目前,運營年限的延長仍舊受到多重因素限制。在政策方面,雖然行業(yè)已出臺數(shù)項機組、設(shè)備的增壽和延壽規(guī)范,但尚無明確的政策支撐;在技術(shù)方面,海上升壓站結(jié)構(gòu)平臺等海上風(fēng)電場主要構(gòu)成的設(shè)計壽命遠超過海上風(fēng)電場的運營年限,從理論上來說,如果可以延長風(fēng)電場的運營年限將更有利于對原有設(shè)備設(shè)施的再利用,但在技術(shù)方面有待論證;在成本方面,不論是在設(shè)計時就參考更長的設(shè)計壽命進行設(shè)計,還是對海上風(fēng)電場原有的設(shè)施設(shè)備進行大修或更換,都需要詳細評估設(shè)備成本和施工費用,是否具有經(jīng)濟優(yōu)勢,必須經(jīng)系統(tǒng)性評估后才能得出結(jié)論。
當(dāng)前的海上風(fēng)電,僅靠技術(shù)手段進行降本增效遠不足以應(yīng)對行業(yè)所面臨的嚴峻挑戰(zhàn),需要引入更多的思路和模式才有可能盤活當(dāng)前的局面。不論是規(guī)?;拈_發(fā)、運營年限的延長、棄風(fēng)限電的規(guī)避,還是融資成本的降低、收益預(yù)期的下調(diào)等,都需要國家從政策方面給予大力的支持。
(作者單位:北京金風(fēng)科創(chuàng)風(fēng)電設(shè)備有限公司)