海上风电场

风力发电场第7章海上风电场7.1概述7.2海上风力发电成本及风险7.3海上风电场设计7.4海上风资源评估和发电量预测7.5海上风电场的建设与安装7.6海上风电场运行与维护7.1概述7.1.1简介7.1.2政策支持7.1.3海上风力发电的优缺点7.1.4海上风力发电的历史、现状及发展趋势7.1.5海上风力发电项目的开发、实施和运行7.1.1简介由于海上风资源丰富，不受土地使用的限制，且海上风电具有高风速、低风切变、低湍流、高产出等显著优点，已经逐渐成为风电发展的新领域。目前，一些欧洲国家已经成功建立了海上风电场，证实了海上风力发电的可行性。中国具有很长的海岸线，邻近海域具有非常丰富的风资源，如果能充分利用这些风能，将有助于解决我国的能源和环境问题。我国海上风力发电技术刚刚起步，需要学习借鉴欧洲的经验，开发设计适合我国海域特点的海上风电项目，对我国的风力发电技术及能源战略具有重大意义。7.1.2政策支持表7-1各国海上风电发展目标及欧洲西北部分国家的已建装机容量7.1.3海上风力发电的优缺点海上风电的主要优点有：(1)较陆上风电，海上风电具有高风速及高满发小时数的特点。(2)陆上风电的空间限制问题。(3)负荷中心距岸近。(4)陆上风电的电网侧限制。海上风电的主要缺点有：(1)技术的复杂性和成本问题。(2)天气及波浪对可及性的限制。(3)对造价高昂的专用设备及安装船的需求。(4)自然环境的限制。7.1.4海上风力发电的历史、现状及发展趋势表7-2中国海上风电场建设目标(数据来源：中国可再生能源协会，2010)7.1.5海上风力发电项目的开发、实施和运行海上风电场的开发过程可分为：可行性分析阶段、设计及建设阶段、运行及维护阶段和拆除阶段。设计与建设阶段的持续时间为4～8年，在获得相关许可证后进入设计与建设阶段。通常包括投标过程以及与风电机组供应商、海事活动承包人、电缆供应商的谈判过程。确定各供应商后，开始具体实施设计。运行与维护阶段的持续时间大约为20年。通常情况，运行期持续20～25年。7.2海上风力发电成本及风险7.2.1能源成本7.2.2驱动因素7.2.3海上风电项目存在的风险7.2.1能源成本海上风电的成本可以看做一种能源成本。能源成本是某个项目中产出每兆瓦时电能时需要的有效成本，包括以下两部分：1)资本支出=一次性建设投资成本2)运营支出=日常营运及维护支出图7-1海上风电项目现金流举例7.2.1能源成本图7-2两个海上风电场的典型资本支出分类图a)近海岸(距岸边20km)b)远海岸(距岸边100km)7.2.1能源成本7.2.2驱动因素图7-3相比陆上风电项目，海上风电项目的指示性费用明细7.2.3海上风电项目存在的风险海上风电项目有许多风险，主要原因是：海上风电项目技术和组织的复杂性比陆上传统风电场高；海上条件，即风和海浪的不断影响，使得风电机组的设计、建设或任何操作都受到极大的技术挑战；海上风力发电还是相对新兴的行业，仍处于经验积累的阶段，对于一些挑战和困难尚未有成熟有效的解决方案。7.3海上风电场设计7.3.1海上风电场选址7.3.2海上风电场的布局设计7.3.1海上风电场选址表7-3典型海上风电场制约因素7.3.1海上风电场选址表7-3典型海上风电场制约因素7.3.2海上风电场的布局设计图7-4海上风电场布局图a［来源：荷兰爱科菲斯公司(ECOFYS)］7.3.2海上风电场的布局设计图7-5海上风电场布局图b［来源：荷兰爱科菲斯公司(ECOFYS)］7.3.2海上风电场的布局设计图7-6海上风电场布局图c［来源：荷兰爱科菲斯公司(ECOFYS)］7.3.2海上风电场的布局设计图7-7海上风电场布局图d［来源：荷兰爱科菲斯公司(ECOFYS)］7.4海上风资源评估和发电量预测7.4.1风资源评估7.4.2海上风电发电量预测7.4.3不确定性分析7.4.4中国海上风电建设应考虑的因素7.4.1风资源评估风的流动特性对风能产业非常重要。不同时间尺度下风的变化对风电场的影响不同，必须要考虑的尺度变化有：几秒钟内(涡流为主)，几分钟内，日/月/季节/年(自然变化)和几十年至几百年(极端情况)。7.4.2海上风电发电量预测风电场风资源评估方案拟定后，即可计算拟定风电场的产值。在优化过程中，风力发电场的特性(风电机组的数量、类型、轮毂高度和位置)均可能发生改变，对预期收益(或者称为年发电量(AnnualEnergyProduction，AEP))会有较大的影响。本节介绍优化计算的一般方法，该方法同样适用于与海上风电场不同的陆上风电场。确定风气候参数后，年发电量通过以下三步计算得到：(1)理想发电量。(2)总发电量。(3)净发电量。7.4.2海上风电发电量预测图7-8某风电场年发电量计算流程图(1)理想发电量。理想发电量指的是仅考虑风电机组Pv曲线的发电量。其结果是理论值，不考虑尾流损失等其他损失。因而此结果即是将一个风电场假设为一台风力发电机组。(2)总发电量。总发电量包括尾流损失，考虑到了风电场不同风电机组的具体机位、风气候特性(风玫瑰图)和风电机组的技术参数(Ct曲线)等参数。海上风电场的尾流损失往往很大(一般为10%～20%)，是造成海上风电场发电量不确定性的主要因素之一，目前国内外已有大量关于如何改善尾流模型的研究。(3)净发电量。净发电量指考虑所有损失因素的计算和估计值。因为有些因素不适用于所有情况，所以必须检查每个具体场址各种可能的影响内容。具体包括：不可利用率的损失、电力损失、叶片污染和退化、强制关机、高风速滞后现象、功率曲线修正和损失缩减等。7.4.3不确定性分析不确定性来源于风电场运行数据和建模步骤的偏差。风电场运行数据总存在误差，模型是实际的简化，存在局限性。所以对于海上风电项目，有关项目选址和测量持续时间、测量仪器位置的选取均是考查重点。首先，计算具有不确定性的长期平均风速，单位为m/s。其次得出这种不确定性对输出功率的影响(以MW·h/年表示)。然后将从风速到输出功率的所有不确定值累加得到总的不确定度。与陆上风电项目类似，海上风电场的结果通常表示为50%～90%置信度下的某个可信区间。7.4.4中国海上风电建设应考虑的因素中国的海上风电场建设应考虑中国海岸线及海上风气候的具体特点。评价海上风气候有以下几个重要的方面：影响风电机组设计的极端和湍流条件，决定项目经济可行性的长期平均风速，对风力发电的经济价值和运行维护策略。这些气候信息来自现场安装的标准气象测风塔及其他辅助设备。7.5海上风电场的建设与安装7.5.1规划7.5.2天气影响7.5.3海上风电场机组及相应设备的安装7.5.1规划项目规划贯穿了海上风电项目的整个周期，包括开发、招投标、工程详细设计、制造、项目执行等阶段。在所有规划内容中，优先考虑关键的活动。现以单桩为例，海上风电场的基础安装过程如下：准备港口来接收基础、基础送达港口、将一定数量的基础输送到自升式海上安装船、自升式海上安装船驶向风电场场址、自升式海上安装船就位、安装单桩基础、安装过渡段、调整过渡段至垂直以及过渡段灌浆。7.5.2天气影响如果海上风电场的安装准备工作不充分，并且选择了错误的季节开工，将会导致海上作业的耗时翻倍。如果遇到天气状况恶劣的年份，工作时长甚至还会显著增加。以典型的欧洲北海风电场的安装为例。该风电场有大约45台机组，机组的安装使用统一的自升式平台。如果从四月份开始安装基础，所有的安装程序大约需要170天。但是，如果从九月份开始安装基础的话，相同的程序需要210天，比四月份的情况多消耗了25%的时间。7.5.3海上风电场机组及相应设备的安装图7-9大型浮式安装船运送桩7.5.3海上风电场机组及相应设备的安装图7-10小型自升式海上安装船，适合过渡段和机组的安装7.5.3海上风电场机组及相应设备的安装图7-11灌浆过程7.6海上风电场运行与维护1.海上天气的影响2.运行与维护步骤的规划3.维护方法4.运行维护的要求与建设阶段的联系5.物流设置6.运行维护性能建模7.防腐蚀8.涂层9.阴极保护系统10.防腐蚀材料的使用11.腐蚀防护面临的挑战1.海上天气的影响海洋是一个高风险的环境，人员暴露在严酷的气候条件下，不具备陆上具有的正常医疗和安全措施。在这种环境下安全有效的工作需要周密的规划、相关人员接受专门训练和严格遵守良好的设计规程。海上的天气状况和特殊的海浪波动性使坐船前往风电场的工作人员感到非常不舒适且容易疲劳。由于晕船，许多人员并不适合从事这份工作。此外，很多时候由于波浪、风和潮流条件的限制，难以进行人员的安全转移。气候的季节性变化十分重要。在英国，秋冬季海洋的风浪很大，这个时候的可及性就非常小。所以任何维修计划都应该安排在气候较平和的春夏季节。2.运行与维护步骤的规划在项目的早期阶段需要准备一套详尽的海上风电场运行与维护计划，内容包括：项目开发目标和战略运作阶段、海上状况介绍和安全保障、海上风电场项目的检查和维护活动、运行维护组织(员工信息、服务提供商信息)、可及性要求(船只、码头和起重机)、备品备件及工具配置和物流配置情况(船舶和仓库)。在制订计划之后提出具体的要求，它是业主组织运行与维护的基础和服务合同的条件，内容包括：健康、安全和环境体系；设计和建造要求；服务合同要求；风电机组性能保证；激励性服务合同；天气风险、船只技术规格和报告。3.维护方法1)根据预定的安排表进行定期检查；2)基于先前对部件状态或危险程度的检查结果，预估状态及风险程度；3)根据预定安排表进行定期的预防性维护；4)修复性维修。4.运行维护的要求与建设阶段的联系1)确保合同中有关供应、安装和维护的技术参数正确；2)确保设计的合理性，比如材料选择、可靠性、可检验性和可维护性；3)保证制造和安装工作中的质量，以确保海上风电场按照要求建造；5.物流设置海上风电场可及性的困难引发了一系列运行维护的物流概念。大多数时候物流设置取决于快速转移的船只，它能将人员和装有零部件与材料的包装运输到风电机组。船只抵达码头，将挡板抵住，人员登上机组，就完成了整个运输过程。海浪的条件给这个方法带来了极大的制约。有些海上风电场已经使用直升机来克服海况带来的约束。但是这种方法价格十分昂贵，而且对装载人员的数量和运载的重量都有限制。6.运行维护性能建模鉴于海上风电场运行可靠性对项目可行性的重要程度，需要进行大量的建模工作，包括：海上风电场的预期故障率和可利用率；检查和维护工作需要的物流运行；海上风电场性能在技术及合同上的测试。7.防腐蚀在项目的预期寿命内，腐蚀是一个影响海上风电场可靠运行的主要因素。这得到了具有数十年相关经验的海运业和海上石油天然气行业的普遍认同。含有盐分的海水、湿润的空气和海洋的温度都会对全钢结构和零部件构成威胁。因此，需要大量的防腐蚀措施来保证这些结构的耐久性。通常情况下，防腐蚀措施采用以下三种方法相结合：加大钢厚度，使用涂层系统和阴极保护系统。8.涂层传统的涂层系统由一个多层系统构成，市场上的系统品牌众多。除了选择一套高质量的涂层系统，还要确保涂层的使用符合制造商的说明规范，比如温度、湿度、表面处理、固化时间和使用技术。实际中涂层的问题与使用不当有关。9.阴极保护系统(1)牺牲阳极的阴极保护系统：由海水中的一块小金属(通常为含有铟催化剂的铝锌合金)为钢结构提供电动势。(2)施加外电流的阴极保护系统:通过直流电源对钢结构施加合适的电动势，其产生的电流可以在一定程度上为受腐蚀钢构件提供保护。(1)牺牲阳极的阴极保护系统图7-12安装于基础顶端的牺牲阳极的阴极保护系统(2)施加外电流的阴极保护系统通过直流电源对钢结构施加合适的电动势，其产生的电流可以在一定程度上为受腐蚀钢构件提供保护。由于施加在钢构件两端的电动势大小可以调节，这种方法应用很灵活。但若电压过大，则氢原子的结构和钢构件的表面涂层有可能受到破坏。两种阴极保护系统的主要设计参数包括：防止腐蚀所需的最小电动势；保证钢结构所有部件都受到防护的电动势空间范围；保护系统的寿命(特别是牺牲阳极的阴极保护系统)；安装方法，保证阴极保护系统在安装