海上風電場5MW 風機建設分析

　　摘要：莆田平海灣50MW 海上風電場是國內第一個建成并投運的大容量風機海上風電場。本文結合近幾年來莆田平海灣海域海上風電場的建設情況，從風機基礎型式、風機吊裝調試和后續風機運維工作的開展了分析總平海灣海上風電場與與陸上風電、江蘇海上風電等在建設中的同之處，為后續海上風電場的建設提供借鑒。
　　
　　關鍵詞：5MW 海上風電機組；分體式吊裝；高樁承臺；海上運維
　　
　　1 概況
　　
　　海上風力發電最近幾年是國家鼓勵的方向，從上海東海大橋海上風電一期、二期項目、江蘇響水和臨港海上風電項目開始，各地的海上風電正在如火如荼的建設中。莆田平海灣50MW 海上風電場是福建省第一個獲得核準的海上風電場項目，也是國內第一個大容量5MW 風機海上風電機組商業化運行的風電場。作為同一時期的海上風電項目，上海東海大橋項目與江蘇響水等項目與莆田平海灣海上風電項目，雖同為海上風力發電，卻有著截然不同的自然條件和技術水平。不同的地質情況和風機選型結果導致海上風電機組的設計，無論是從風機基礎、機組設計、安裝方式等來說差異巨大，無法完全復制使用。
　　
　　2 風機基礎型式
　　
　?。?）氣象條件。風資源是風電場選址的首要考慮因素，平均風速、主導風向、風功率等風能評估參數在一定程度反映當地風能資源的參數。目前已建成的陸上風電風速平均在5 ～ 8m/s，上海、江蘇海上的平均風速在8m/s 左右，而莆田平海灣海域的平均風速可達10m/s 以上，可利用可達3500 小時。因此為更好的利用風資源，莆田平海灣海上風電場的風機可以往更大型化發展，但另一方面也意味著在施工過程中存在的更大困難。根據近3 年的施工情況，福建省沿海地區施工窗口僅有3 ～ 4 個月的時間，一般為3 ～ 6 月間；從7 月份開始，臺風、季風的影響較為明顯，1 個月有效施工時間僅為數天，陸上風電則不存在受此類困難影響。
　　
　?。?）機位地質情況。上海和江蘇多為淤泥沉積形成，因此風機基礎地質松散，利用單樁型式可以打到60 ～ 70m 以提供足夠穩定的承載力。而福建沿海地帶則多為風化巖，樁打到四五十米深就能夠提供足夠的承載力；另外福建沿海存在“孤石”問題，給基礎施工造成諸多不利因素。
　　
　?。?）基礎設計。陸上風電場基礎型式從結構型式上主要分為重力擴展式、梁板式、高臺柱式、樁—承臺式、沉筒式、復合式六種型式，型式較為簡單，施工工藝成熟。根據海上風機基礎的特殊性，海上風電場風機基礎多采用重力固定式、支柱固定式及浮置式基礎，目前國內掌握海上風機基礎施工的單位并不多，多為中交系統內部單位。同為海上風電，上海東海大橋風機基礎為八樁高承臺，江蘇響水風機基礎多為單樁型式，而莆田平海灣海上風電基礎采用多樁高承臺，基礎型式的變化主要由根據項目勘察階段的地質鉆探結果決定。
　　
　　3 風機投運
　　
　?。?）風機生產。風機選型結果關系著風電場后續運維成本，風機越可靠運維成本越低。另外，從風機中標到首批風機到貨一般需要12 個月左右的時間，廠商的生產能力和供貨周期在開發海上風電場需要著重考慮。目前國內海上風電機組可選的廠商數量較少，特別是5MW 及以上有批量生產經驗的風電機組生產廠商更是稀少。國外風機廠商在國內銷售的也僅有兩三家，遠遠無法滿足國內日益發展的海上風電事業需要。
　　
　?。?）吊裝方案。東海大橋地處長江出?？?，水流流速較快；莆田平海灣海域處于臺灣海峽，水流較緩，但存在涌浪等現象；這些對風機吊裝方案的選擇會造成影響。東海大橋項目采用整體式吊裝，吊裝效率較高，但操作難度和施工環境要求較高，適合海面較為平穩的吊裝環境；平海灣海域涌浪大，可施工窗口短，無法滿足整體式吊裝的環境要求，故采用分體式吊裝方案。 　?。?） 風機吊裝。平海灣一期項目采用湘電XE128-5MW 型風機，風電機組分為基礎環、塔筒、機艙、發電機、輪轂和葉片六個部分，其中基礎環在風機基礎施工過程中已預埋。平海灣項目風機分體式吊裝要求塔筒、機艙和發電機吊裝在8m/s 的風況下才允許吊裝，輪轂和葉片在7m/s 的風況下才允許拼裝、吊裝，根據現場安裝時間統計一臺風機完成吊裝需要4 ～ 5 個工作日（圖1）。 　?。?）風機調試。風電機組調試一般分為靜態調試和動態調試，靜態測試主要為風機監控系統與升壓變電站、風電機組及各部件子系統的信號測試；動態測試包含安全鏈和功能性測試，調試需要時間一般為7 到8 個有效工作日時間。
　　
　　4 風機運維
　　
　?。?）防腐問題。海上腐蝕是海上工程重點考慮的一個問題，從風機基礎鋼管樁、混凝土承臺、風電機組設備都要求按照海工重防腐標準進行處理。鋼管樁外部可涂海工涂料并加裝陰極保護進行防腐；混凝土承臺必須用具有一定防腐能力的混凝土；風電機組設備在設計階段要用高于普通陸上風電的防腐標準，充分考慮海上的潮濕環境進行設計。
　　
　?。?） 運維方案。批量的5MW 風機投入運行，在國內尚屬首例，目前已并網，風機發電情況良好，基本能達到100% 利用率， 但風機在各種工況條件下的發電情況還有待后續觀察研究?？紤]到未來風電機組運維方案，主要問題集中在風機定期維護和防臺措施。風機定期維護是在風機操作停機的情況下對風機各部件進行檢查、維護、保養，目的是為了使設備保持最佳狀態，延長風機的使用壽命。風機定期維護的難點在于運維船只，國內目前專業的風機運維船不到10 艘，遠遠達不到國內海上風電運維的需求。莆田平海灣海域地處臺灣海峽地區，每年夏秋季節臺風多發，因臺風期間風速湍流強度高，雨量大，同時風電場所處海域潮差大，風機易受到大潮沖擊，防臺防汛、防大潮工作尤為重要。就今年1 號“尼伯特”臺風及第14 號“莫蘭蒂”臺風從福建登陸，風場均受到不同程度影響，在臺風尚未登陸前就已啟動暴風停機模式。
　　
　　5 結語
　　
　　海上風電與陸上風電相比，易受海浪、霧氣、臺風等影響，單位千瓦造價高、施工難度大、維護較困難，但風機占地面積小，風輪直徑大，可以有效利用風能發電，項目收益率高，快速收回投資。對于海上風電來說，風電機組的可靠性至關重要，可靠的風機可以大大減少運維成本。目前國際已有8MW 的海上風電機組投入運行，但國內上最大容量海上風電機組為6MW，發展速度相對緩慢。另外，風電機組的維護策略也是有一定影響，國外風機廠商最近幾年一直在實施保養替代定期檢修的策略，使國外的風機維護工作量相比國內少非常多，故障率也低，這點對國內有一定的借鑒意義。