海上风电机组选型方案研究

引言

为应对全球气候变化,推动可持续发展,全球各主要国家和地区制定了相应的"碳中和"目标和具体实施方案。我国宣布力争2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和。在全球碳中和的时代大背景下,全球能源结构将深度调整,以化石能源为主的传统能源结构已无法满足环境友好发展的要求,太阳能、风能、水能、核能、生物质能等清洁能源成为各国重点发展的新宠儿。海上风能具有资源丰富、年利用小时数高,不占用土地,能够成片区大面积规模开发,距离负荷中心近、利于就地消纳等优点,因此开发海上风电已成为我国大力发展可再生能源的战略需要。

2021年全球海上风电新增装机21.1Gw,中国海上风电新增装机17Gw,占比约80%。截至2021年,中国海上风电已经达到全球海上风电装机总容量的47%。中石油作为能源企业,积极响应国家减碳目标,明确了绿色转型"三步走"战略,力争2035年新能源新业务产能与油、气三分天下,2050年左右实现近零排放,新能源新业务产能达到半壁江山,并已开始谋划海上风电产业布局。

当双碳目标遭遇海上风电平价上网时,降本增效将是海上风电健康可持续发展的必由之路。随着电机技术及海工技术的进步,海上风电向超大风场规模、单机功率大型化的方向快速发展,风能利用效率大幅度提升。海上风机大型化不仅能够摊薄风机制造、建设安装以及后期维护成本,而且采用了更加先进的设备,发电效率也有所提高。

2021年抢装潮期间,我国海上风机由主流的6Mw机型升级到10Mw机型。虽然大型风机是降低成本的有效途径,但风机选型受到风资源禀赋、风能利用效率、风机技术成熟度、安全可靠性、后期维护保养及安装船舶资源等多方面制约,需要综合平衡各方面因素,确定风机机组选型方案。

1海上风电机组选型的主要影响因素

1.1风资源禀赋

风资源禀赋涉及平均风速、风切变指数、空气密度、有效风能密度、风速频率分布、风速持续时间、湍流强度、风能玫瑰等风资源数据。

一般将风电场容量系数作为判断风机与风电场匹配性的标准,风电场容量系数越大,风机与风电场的匹配性越好,即以风机在一段时间内平均输出功率与额定输出功率之比作为判断准则。

风能属于低密度能源,风机选型应在已知风资源数据的条件下进行适应性分析,选择合适的风电机组。各指标应尽量适合当地风资源特点,达到对风能的最大利用效率。我国海上资源禀赋,南北差异大,需要针对不同区域,因地制宜,选择最佳机组选型方案。风电机组选型前应进行风资源评估,根据评估数据计算该区域内的风资源禀赋特性参数,将其作为风机选型的输入数据。

1.2风机的先进性

大功率、大叶轮是未来大型风力发电机组的主流发展方向。大叶轮的叶片更长,具有更大的扫风面积,可获得更多的风能。大功率风电机组可在风场容量不变的情况下减少机位数,降低风机设备采购及安装成本。气动效率高的叶片可以降低损耗,提高发电效率:

高度集成的驱动链系统可优化传力路径,具有更好的传动效率,可以减少维护保养,提升发电收益:成熟可靠的变奖及偏航系统,可通过控制发电机转速、转矩及奖矩角,使风机运行在最佳叶尖速比状态和额定功率状态,保证风机安全可靠运行:较大范围的风切入及切出速度,可提高风能的利用效率:先进控制技术可降低载荷,提升发电量,降低度电成本:一体化的风机设计可缩短海上安装工期,降低施工成本。

先进的风电机组具备冗余设计,安全性高、可靠性好,发电机容量覆盖范围广,风能利用率高,运行维护成本低等特点。风机选型时可从风机的叶片气动效率、防雷系统、发电机系统、传动系统、制动系统、偏航系统、控制系统、液压系统、冗余设计、安全保护等方面评判其是否具有先进性,这些因素也是风电平价并网的核心竞争力。

1.3风机的安全、可靠性

风电机组应能在风场风速、盐雾、雷暴、积冰、暴风雪等自然气候条件下安全运行:对于有热带气旋影响的场址区域,风电机组应具备抗台风性能。海上风电机组所处海洋环境恶劣,设备材料需具有耐高温、耐腐蚀、耐冲击等特征,以保证使用寿命。风机在运行过程中会承受复杂多变的工作荷载和环境荷载,为确保风机运行时有足够的承载能力,风机结构强度应有一定的安全余量。风力发电机组全天候处于工作状态下,需满足长期自动控制、运行及监测要求,因此,风电机组质量、控制系统、安全保护系统及监测系统应安全可靠,并具有一定的冗余度,保障风机的长期安全稳定运行。

作为主要产能设备,海上风电机组的维修率直接影响到风场的经济效益。如果风机可靠性差,运行过程故障率高,维修停机时间长,将造成风机实际发电小时数减少,年发电量降低。

评价风机运行可靠性,可以采用式(1)风机的风能利用率作为判别依据。

1.4风机厂商

风机厂商的信誉、业绩、产品价格、供货周期、质量保证、售后服务等都是风机采购与选型的重要影响因素。风机制造商供货能力不能满足项目进度要求时,将拖后整个项目建设进度,影响发电并网时间。风机发生故障后,配件采购困难、服务商反应速度慢、维修人员技术水平不高,都可能造成额外损失及费用,降低风场发电效率。风机厂商的生产制造场地、供货地址等则会影响风机安装效率及施工费用。

按照发电机的结构和工作原理,风电机组可分为双馈异步、永磁直驱和永磁半直驱三种。三种风电机组技术特点各有千秋,且都由行业内的领头企业生产制造。选择合适的风机厂商及产品型号,获得质量可靠的风机、合理的采购价格和优质的服务,并保证产品交货时间,厂商提供风机全生命周期解决方案,能够降低风机全生命周期维护成本,实现风场效益最优化。

1.5施工安装

大型风电机组为增加受风面积,叶轮直径加大,轮毂中心越来越高,机组重量变大,筒体及基础重量也都增大。

国内已发布的某l5Mw风机的轮毂中心达l55m以上,叶轮直径超过260m,叶片长度超过l25m,风机部件最大吊装重量达800t。机组大型化、场址深水化使得海上风电施工安装对于安装平台、起重船及打桩锤等装备的性能要求越来越高。

海上作业环境恶劣,安装窗口期短,大型船机设备资源少,费用高。风机的结构型式、重量、尺寸等决定了安装设备的能力及服务价格,并影响风场的整体开发效益。

风机选型前应充分调研风机安装市场及施工承包商,确保后期施工时能选到合适的安装服务商并租赁到适合的施工船舶及装备,保障项目进度及海上安装顺利实施。

1.6经济效益

海上风电机组及塔筒费用约占整个风电场投资的45%,因此风机价格是风机选型时必须考虑的重要因素。从发电效益方面考虑,对于中低风速海域,可选择低风速机组,增加机组单位千瓦扫风面积,提升机组满发小时数,提高风电场发电量,降低单位度电投资:对于高风速海域,一般通过增加单机容量,减少风电场机位点数,均摊风电场建设设备费用,降低风电场静态投资。

风机布置、风机价格、维修保养、发电效率等都影响着风场投资及效益,应综合考虑选择合适的风机厂商及机组型号,优化总体布置及海缆路由方案,减少风机尾流影响,提升发电效益,提高施工安装效率,降低项目总投资,以实现风场效益最大化。

2海上风电机组选型方案

2.1工程概况

项目风场位于海南省儋州市西北海域,场址中心离岸距离40km。风电场东西宽4.2km,南北长23.1~24.0km,规划面积98.60km2,水深30.0~46.0m,总装机容量600Mw。风电场测风塔125m高度处,年平均风速为7.64m/s,年平均风功率密度为493.3w/m2,50年一遇最大风速为48.7m/s。3.0~25.0m/s风速段有效风速利用小时数为7909h,占全年的90.3%。风能主要集中在8.0~16.0m/s风速段,占比74.65%。

根据《风电场工程风能资源测量与评估技术规范》(NB/T31147一2018)风功率密度等级评判标准,本风电场风功率等级为3级,风能资源较好,具备较高的开发价值。

2.2风电机组选型流程

风机选型前首先应确定风机的安全等级。根据该风场50年一遇最大风速及国际电工协会IEC61400-1(2019)要求,应选择适合IEC1类加强型及以上安全等级的风力发电机组。结合风资源禀赋进行风机适应性分析,确定市场主流机型及风机容量范围,然后按照不同机型方案进行风机机位及海缆路由布置。海上风电机组布置应考虑风电场整体发电量、尾流、涉海面积、海底地形条件、地质条件等影响,经综合技术经济比较后确定方案。最后综合风电机组的选型因素及经济性确定推荐机组型号。

风电机组选型流程如图1所示。

进行风机布置时应充分考虑节约用海的原则,结合场区内风资源分布特点,合理选择风电机组布置方式与间距,尽量减少风力发电机组间尾流影响,缩短风电机组之间的海缆长度,以降低配套工程投资和场内输电损失。

2.3风电机组选型方案

根据风资源分析,测风塔高度主风向和风能均主要集中在NNE~ESE扇区。风场风向和风能分布相对集中,风机布置时应考虑主导风能方向风机与其他风机保持足够的距离。平均风速相对较低,机组需要选择对低风速利用效率高的机型来提高项目整体发电量。结合风机生产厂家的供货能力,考虑机组技术先进性、成熟性、经济性和可靠性等因素,本项目海上风电机组单机容量宜选择在8000~12000kw。

双馈发电机组具有体积小、重量轻、成本低、调速范围较宽、有功和无功功率可独立调节等优点,应用最为广泛,但是齿轮箱存在磨损、断齿、漏油等风险,传动效率相对较低,可靠性一般,维护工作量大。直驱型永磁机组功率大、效率高、可靠性强、维护少、低电压穿越能力好,但发电机体积较大、重量大,造价较高。半直驱风电机组兼顾双馈和直驱机组的特点。海上风机运输及安装船舶施工能力强,风机吊装与运输相对于陆上容易一些:海上风电维护难度大、成本高。对于大兆瓦风电机组,风机厂商主要选择了直驱和半直驱技术路线,且两种机型都能满足本风电场作业要求。

根据机组适应性分析结果,结合目前国内技术成熟的商业化风电机组技术规格、单机容量范围及风能资源禀赋、湍流强度、气候特点等因素,本项目拟定了A~E共5个机型方案,如表1所示。鉴于风场每年都会遭受台风侵袭,风机安全等级选择了更高的IECS级。

现阶段考虑了空气密度、湍流、叶片污染、风机利用率、功率曲线保证率、气候停机、厂用电和线损等折减修正,各机型均采用标准空气密度下的动态功率曲线,综合折减按80%选取。机型B和机型E为中低风速机型,具有叶轮直径大、扫风面积大、额定功率风速低等特点,因此等效满负荷小时数高。本项目尚未进行风机采购,投资数额不便于公布,表1按照单位千瓦静态投资及单位度电投资的高低进行了排序。单位千瓦静态投资比较结果为方案D<方案C<方案E<方案A<方案B:等效满负荷小时数比较结果为方案B>方案E>方案A>方案D>方案C:最终单位度电投资比较结果为方案B<方案D<方案E<方案A<方案C。综合考虑各方面因素,机型B为推荐方案。在机组采购时,还应根据最终报价及机组特性选择合适的供货厂商及机组型号。

3结语

在当前海上风电平价的背景下,风电产业不断以提高发电效率、降低建设和运维成本为核心进行多维度技术创新。对于中低风速风电场,大叶轮在较低的风速下就能达到额定功率,可直接提高风机的发电量和利用小时数,但需要通过新材料、新结构来有效控制叶片的重量,单机价格相对较高。需要平衡单位千瓦静态投资及有效满负荷小时数之间的关系,换算成单位度电投资来进行效益分析。

风机选型应结合风电市场现状选择合适容量的机型进行对比分析。对比应考虑机组先进性、可靠性、安全性,安装便利性,运输距离短,供货保证率及运行维护等多方面因素。根据不同的机型开展总体布置,综合计算风电场的整体投资。结合发电效率计算单位度电投资,选择机型成熟度高、运行业绩好、综合成本低的机型。