海上风电场5MW 风机建设分析

　　摘要：莆田平海湾50MW 海上风电场是国内第一个建成并投运的大容量风机海上风电场。本文结合近几年来莆田平海湾海域海上风电场的建设情况，从风机基础型式、风机吊装调试和后续风机运维工作的开展了分析总平海湾海上风电场与与陆上风电、江苏海上风电等在建设中的同之处，为后续海上风电场的建设提供借鉴。
　　
　　关键词：5MW 海上风电机组；分体式吊装；高桩承台；海上运维
　　
　　1 概况
　　
　　海上风力发电最近几年是国家鼓励的方向，从上海东海大桥海上风电一期、二期项目、江苏响水和临港海上风电项目开始，各地的海上风电正在如火如荼的建设中。莆田平海湾50MW 海上风电场是福建省第一个获得核准的海上风电场项目，也是国内第一个大容量5MW 风机海上风电机组商业化运行的风电场。作为同一时期的海上风电项目，上海东海大桥项目与江苏响水等项目与莆田平海湾海上风电项目，虽同为海上风力发电，却有着截然不同的自然条件和技术水平。不同的地质情况和风机选型结果导致海上风电机组的设计，无论是从风机基础、机组设计、安装方式等来说差异巨大，无法完全复制使用。
　　
　　2 风机基础型式
　　
　　（1）气象条件。风资源是风电场选址的首要考虑因素，平均风速、主导风向、风功率等风能评估参数在一定程度反映当地风能资源的参数。目前已建成的陆上风电风速平均在5 ～ 8m/s，上海、江苏海上的平均风速在8m/s 左右，而莆田平海湾海域的平均风速可达10m/s 以上，可利用可达3500 小时。因此为更好的利用风资源，莆田平海湾海上风电场的风机可以往更大型化发展，但另一方面也意味着在施工过程中存在的更大困难。根据近3 年的施工情况，福建省沿海地区施工窗口仅有3 ～ 4 个月的时间，一般为3 ～ 6 月间；从7 月份开始，台风、季风的影响较为明显，1 个月有效施工时间仅为数天，陆上风电则不存在受此类困难影响。
　　
　　（2）机位地质情况。上海和江苏多为淤泥沉积形成，因此风机基础地质松散，利用单桩型式可以打到60 ～ 70m 以提供足够稳定的承载力。而福建沿海地带则多为风化岩，桩打到四五十米深就能够提供足够的承载力；另外福建沿海存在“孤石”问题，给基础施工造成诸多不利因素。
　　
　　（3）基础设计。陆上风电场基础型式从结构型式上主要分为重力扩展式、梁板式、高台柱式、桩—承台式、沉筒式、复合式六种型式，型式较为简单，施工工艺成熟。根据海上风机基础的特殊性，海上风电场风机基础多采用重力固定式、支柱固定式及浮置式基础，目前国内掌握海上风机基础施工的单位并不多，多为中交系统内部单位。同为海上风电，上海东海大桥风机基础为八桩高承台，江苏响水风机基础多为单桩型式，而莆田平海湾海上风电基础采用多桩高承台，基础型式的变化主要由根据项目勘察阶段的地质钻探结果决定。
　　
　　3 风机投运
　　
　　（1）风机生产。风机选型结果关系着风电场后续运维成本，风机越可靠运维成本越低。另外，从风机中标到首批风机到货一般需要12 个月左右的时间，厂商的生产能力和供货周期在开发海上风电场需要着重考虑。目前国内海上风电机组可选的厂商数量较少，特别是5MW 及以上有批量生产经验的风电机组生产厂商更是稀少。国外风机厂商在国内销售的也仅有两三家，远远无法满足国内日益发展的海上风电事业需要。
　　
　　（2）吊装方案。东海大桥地处长江出海口，水流流速较快；莆田平海湾海域处于台湾海峡，水流较缓，但存在涌浪等现象；这些对风机吊装方案的选择会造成影响。东海大桥项目采用整体式吊装，吊装效率较高，但操作难度和施工环境要求较高，适合海面较为平稳的吊装环境；平海湾海域涌浪大，可施工窗口短，无法满足整体式吊装的环境要求，故采用分体式吊装方案。 　　（3） 风机吊装。平海湾一期项目采用湘电XE128-5MW 型风机，风电机组分为基础环、塔筒、机舱、发电机、轮毂和叶片六个部分，其中基础环在风机基础施工过程中已预埋。平海湾项目风机分体式吊装要求塔筒、机舱和发电机吊装在8m/s 的风况下才允许吊装，轮毂和叶片在7m/s 的风况下才允许拼装、吊装，根据现场安装时间统计一台风机完成吊装需要4 ～ 5 个工作日（图1）。 　　（4）风机调试。风电机组调试一般分为静态调试和动态调试，静态测试主要为风机监控系统与升压变电站、风电机组及各部件子系统的信号测试；动态测试包含安全链和功能性测试，调试需要时间一般为7 到8 个有效工作日时间。
　　
　　4 风机运维
　　
　　（1）防腐问题。海上腐蚀是海上工程重点考虑的一个问题，从风机基础钢管桩、混凝土承台、风电机组设备都要求按照海工重防腐标准进行处理。钢管桩外部可涂海工涂料并加装阴极保护进行防腐；混凝土承台必须用具有一定防腐能力的混凝土；风电机组设备在设计阶段要用高于普通陆上风电的防腐标准，充分考虑海上的潮湿环境进行设计。
　　
　　（2） 运维方案。批量的5MW 风机投入运行，在国内尚属首例，目前已并网，风机发电情况良好，基本能达到100% 利用率， 但风机在各种工况条件下的发电情况还有待后续观察研究。考虑到未来风电机组运维方案，主要问题集中在风机定期维护和防台措施。风机定期维护是在风机操作停机的情况下对风机各部件进行检查、维护、保养，目的是为了使设备保持最佳状态，延长风机的使用寿命。风机定期维护的难点在于运维船只，国内目前专业的风机运维船不到10 艘，远远达不到国内海上风电运维的需求。莆田平海湾海域地处台湾海峡地区，每年夏秋季节台风多发，因台风期间风速湍流强度高，雨量大，同时风电场所处海域潮差大，风机易受到大潮冲击，防台防汛、防大潮工作尤为重要。就今年1 号“尼伯特”台风及第14 号“莫兰蒂”台风从福建登陆，风场均受到不同程度影响，在台风尚未登陆前就已启动暴风停机模式。
　　
　　5 结语
　　
　　海上风电与陆上风电相比，易受海浪、雾气、台风等影响，单位千瓦造价高、施工难度大、维护较困难，但风机占地面积小，风轮直径大，可以有效利用风能发电，项目收益率高，快速收回投资。对于海上风电来说，风电机组的可靠性至关重要，可靠的风机可以大大减少运维成本。目前国际已有8MW 的海上风电机组投入运行，但国内上最大容量海上风电机组为6MW，发展速度相对缓慢。另外，风电机组的维护策略也是有一定影响，国外风机厂商最近几年一直在实施保养替代定期检修的策略，使国外的风机维护工作量相比国内少非常多，故障率也低，这点对国内有一定的借鉴意义。