深遠(yuǎn)海域海上風(fēng)電技術(shù)是行業(yè)發(fā)展的新形勢，是我國風(fēng)電趕超國際前沿的契機(jī)，是未來海上風(fēng)電發(fā)展的一片藍(lán)海，上一篇文章中介紹了深遠(yuǎn)海風(fēng)力發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀、深遠(yuǎn)海與近海風(fēng)電裝備的區(qū)別，這一篇文章將從深遠(yuǎn)海風(fēng)力發(fā)電技術(shù)難題及施工難題兩個(gè)維度進(jìn)行分析，為我國深遠(yuǎn)海風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供指導(dǎo)價(jià)值。
技術(shù)難題
1、大容量風(fēng)機(jī)技術(shù)
風(fēng)電機(jī)組是海上風(fēng)電的核心，深遠(yuǎn)海域海上風(fēng)電場所采用的風(fēng)電機(jī)組一般考慮符合大容量、高可靠性等性能要求，同時(shí)需能夠滿足國產(chǎn)化自主可控要求。
目前我國已形成4至5兆瓦海上風(fēng)機(jī)批量制造能力，6兆瓦級風(fēng)機(jī)研制能力基本普及，7兆瓦及以上風(fēng)機(jī)產(chǎn)品研制和發(fā)布數(shù)量增多；首批7兆瓦風(fēng)機(jī)在福建沿海投入商業(yè)運(yùn)行，首臺8兆瓦風(fēng)機(jī)下線，10兆瓦大容量風(fēng)機(jī)正在研發(fā)；葉輪直徑最大達(dá)到180米等級。歐洲市場目前7至8兆瓦等級風(fēng)機(jī)逐步投入規(guī)?；虡I(yè)運(yùn)行；三菱維斯塔斯10兆瓦風(fēng)機(jī)正式推向市場；通用電氣12兆瓦風(fēng)機(jī)預(yù)計(jì)今年安裝樣機(jī)，葉輪直徑達(dá)到220米等級。
我國大型化海上風(fēng)機(jī)的研發(fā)和批量制造能力與國際先進(jìn)水平還存在差距，設(shè)備長期運(yùn)行可靠性還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。同時(shí)大型風(fēng)機(jī)從產(chǎn)品研發(fā)、樣機(jī)示范到批量制造需要一個(gè)迭代完善的過程，歐洲的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)同樣值得借鑒。發(fā)展海上風(fēng)電應(yīng)借鑒大水電設(shè)備發(fā)展模式，通過前期開展國外4～5MW級大容量先進(jìn)海上機(jī)組樣機(jī)示范項(xiàng)目，掌握并提升大容量機(jī)組控制一體化、荷載優(yōu)化、整體耦合、基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)安全等關(guān)鍵技術(shù)和制造水平；同時(shí)扶持并參與8～10MW級海上風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)引進(jìn)、消化吸收、開發(fā)與示范，在扶持國內(nèi)風(fēng)電機(jī)組制造業(yè)的同時(shí)，不斷提高風(fēng)電機(jī)組的可靠性，引領(lǐng)我國大容量海上風(fēng)電機(jī)組跨越式應(yīng)用和發(fā)展。
2、遠(yuǎn)距離輸電技術(shù)
海上風(fēng)電并網(wǎng)的典型技術(shù)路線包括常規(guī)交流送出、低頻交流送出和柔性直流送出等。
常規(guī)交流送出技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、無需電能變換、工程經(jīng)驗(yàn)豐富等特點(diǎn)，從技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)以及成本的角度來看，一般對于離岸不超過70千米、容量50萬千瓦左右的近海風(fēng)電場，交流輸電具有一定的優(yōu)勢。但在大容量遠(yuǎn)海風(fēng)電并網(wǎng)的應(yīng)用場景下，交流電纜電容效應(yīng)會大大增加無功損耗，降低電纜的有效負(fù)荷能力。若采用常規(guī)交流送出方式則需在海底電纜中途增設(shè)中端補(bǔ)償站，通過并聯(lián)電抗器補(bǔ)償，這會帶來運(yùn)維檢修困難、整體經(jīng)濟(jì)性降低等問題。
低頻交流送出技術(shù)可通過降低頻率提高交流電纜的有效傳輸功率，但該技術(shù)尚面臨大容量交流變頻器研制、電氣設(shè)備低頻匹配性設(shè)計(jì)、變壓器低頻磁飽和抑制等難題，仍處于理論研究階段。
與常規(guī)交流送出、低頻交流送出技術(shù)相比，柔性直流送出技術(shù)采用直流電纜輸電，避免了交流電纜充電功率造成的輸送距離受限問題，同時(shí)具備有效隔離陸上交流電網(wǎng)與海上風(fēng)電場的相互影響、可為海上風(fēng)電場提供穩(wěn)定的并網(wǎng)電壓、系統(tǒng)運(yùn)行方式調(diào)控靈活等技術(shù)優(yōu)勢，是遠(yuǎn)海風(fēng)電可靠并網(wǎng)的首選技術(shù)方案，也是目前唯一具有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的大規(guī)模遠(yuǎn)海風(fēng)電并網(wǎng)方案。但是與傳統(tǒng)的陸上柔性直流輸電工程不同，遠(yuǎn)海風(fēng)電經(jīng)柔性直流送出工程海上平臺空間布局緊張、環(huán)境惡劣、運(yùn)行維護(hù)工況復(fù)雜，對柔性直流換流站輕型化、緊湊化及防污性、可靠性的要求更高。并且，深遠(yuǎn)海域風(fēng)電場離岸距離遠(yuǎn)，海上輸變電系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。海上升壓變電站是風(fēng)電場的樞紐節(jié)點(diǎn)工程，既有變電站的工程特征，又具有海上構(gòu)筑物的工程特征。深遠(yuǎn)海風(fēng)電場海上升壓站的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將與近海風(fēng)電場存在較大差異。常規(guī)海上升壓站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮載荷為自重、風(fēng)載荷、波浪作用、潮流力和地震作用等幾方面。但由于深遠(yuǎn)海風(fēng)速較大，海洋水流情況復(fù)雜，海上升壓站水平載荷遠(yuǎn)比近海時(shí)大，因此其機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮水平載荷，保障平臺安全運(yùn)行。另外，深遠(yuǎn)海風(fēng)電場海上升壓站是否安排人員常駐以節(jié)省設(shè)備維修時(shí)間、提高工作效率，需要根據(jù)投資成本、運(yùn)維費(fèi)用等因素綜合考慮，并在海上升壓站設(shè)計(jì)上體現(xiàn)。
要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)海風(fēng)電經(jīng)柔性直流送出，亟須解決風(fēng)電場的組網(wǎng)方式、風(fēng)電機(jī)組電力的直流變換與控制、直流升壓變換與海上直流升壓站的控制、岸上換流站的并網(wǎng)控制、直流風(fēng)場的故障隔離與保護(hù)等技術(shù)難關(guān)。
3、漂浮式基礎(chǔ)技術(shù)
漂浮式結(jié)構(gòu)成為在深遠(yuǎn)海域海上風(fēng)電場基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式的首選，與固定式風(fēng)力機(jī)不同，漂浮式風(fēng)力機(jī)浮式基礎(chǔ)在海洋環(huán)境載荷作用下有一定的六自由度運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)行過程中可能存在傾斜、位移等問題。風(fēng)力機(jī)位于距海面近百米的高空，漂浮式基礎(chǔ)的微幅運(yùn)動(dòng)即可造成風(fēng)力機(jī)的劇烈運(yùn)動(dòng)，不僅需要一定的加固、密封等優(yōu)化措施，對風(fēng)力機(jī)葉片、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部件的設(shè)計(jì)都提出了很高的要求，以適應(yīng)更加復(fù)雜的海上環(huán)境。
施工難題
目前，浮式風(fēng)機(jī)的平臺基礎(chǔ)制造還是以鋼質(zhì)材料為主。但近些年，已有部分設(shè)計(jì)提出以預(yù)應(yīng)力混凝土作為浮式基礎(chǔ)平臺的主材料。整個(gè)平臺的制造過程可在船廠等陸上基地進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)化的流水線作業(yè)和大規(guī)模生產(chǎn)可大幅度降低制造成本。浮式平臺基礎(chǔ)重量大多在2000t以上，混凝土材料可達(dá)10000t以上。相比于固定式風(fēng)機(jī)，浮式風(fēng)機(jī)在淺水區(qū)域并不具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，但其平臺重量對水深變化不敏感，因此在深遠(yuǎn)海域逐漸凸顯其成本優(yōu)勢。
半潛型和張力腿型浮式風(fēng)機(jī)能夠在港口碼頭完成基礎(chǔ)平臺、塔筒和風(fēng)機(jī)的組裝工作，而不必像固定式風(fēng)機(jī)那樣在海上通過大型浮吊等設(shè)備進(jìn)行復(fù)雜的海上安裝作業(yè)。半潛型浮式風(fēng)機(jī)對運(yùn)輸工具要求較低，通常簡單的拖船即能將其運(yùn)輸?shù)筋A(yù)定機(jī)位點(diǎn)進(jìn)行海上錨定。運(yùn)輸?shù)倪^程常采用濕拖的方式，并且為淺吃水狀態(tài)，因此拖航過程需要預(yù)先進(jìn)行穩(wěn)性校核以防傾覆，并對拖航時(shí)的海況有窗口期要求。對于立柱型浮式風(fēng)機(jī)，由于吃水較深，拖航過程需要特別考慮航道水深。對于張力腿型浮式風(fēng)機(jī)，由于不具有自穩(wěn)性，因此多用干拖方式，對運(yùn)輸船只穩(wěn)性要求較高，海上施工安裝也較為復(fù)雜。
對于樁基，樁基應(yīng)該適應(yīng)多種條件地質(zhì)，深海平臺樁基設(shè)計(jì)方法與淺海相應(yīng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法基本相同。通常情況下，打入樁的造價(jià)會隨著水深的增加會大幅提高，這是樁基在在深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)電應(yīng)用中所存在的主要問題之一。此外，不同于深海石油平臺，海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)柔度大，自振周期長，樁基的剛度計(jì)算必須考慮循環(huán)荷載作用下剛度折減效應(yīng)。同時(shí)海上風(fēng)電機(jī)組常采用大直徑樁基，大尺寸樁基的側(cè)向剛度問題也必須考慮進(jìn)來。
技術(shù)成熟度來看，目前樁基設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，國內(nèi)外都有關(guān)于樁基設(shè)計(jì)的相應(yīng)規(guī)范，在深水油氣平臺中應(yīng)用也較廣泛。樁基作為最常見的水工基礎(chǔ)型式，在國內(nèi)擁有豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，一般以鋼管樁為主，鋼管樁的突出優(yōu)點(diǎn)是制作方便、重量輕、施工速度快、以及在循環(huán)荷載下具有較強(qiáng)的抗疲勞特性，并且對于鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕技術(shù)也已經(jīng)較為成熟。但是海上打樁施工通常需設(shè)置臨時(shí)施工平臺和打設(shè)鋼套筒，施工時(shí)間較長，施工受限因素較多。
從項(xiàng)目運(yùn)行期來看，深遠(yuǎn)海風(fēng)電項(xiàng)目離岸距離遠(yuǎn)，風(fēng)、浪、潮、涌海況更加復(fù)雜，相比近海風(fēng)電，更難以接近，使得風(fēng)電場日常維護(hù)和故障消缺難度更大，面臨更加嚴(yán)峻的運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)。
結(jié)語
從目前開發(fā)趨勢來看，未來幾年海上風(fēng)電場的離岸距離將增加到50km以上，因此現(xiàn)有的機(jī)組基礎(chǔ)型式及安裝技術(shù)勢必不能滿足新的環(huán)境要求。中國具備開發(fā)建設(shè)遠(yuǎn)海風(fēng)電的良好條件，隨著中國第一個(gè)遠(yuǎn)海風(fēng)電柔直并網(wǎng)工程建設(shè)，遠(yuǎn)海風(fēng)電產(chǎn)業(yè)勘測設(shè)計(jì)水平和施工建設(shè)能力日趨成熟，裝備能力提升顯著，遠(yuǎn)海風(fēng)電將展現(xiàn)更加良好的發(fā)展勢頭。
但必須引起重視的是，深遠(yuǎn)海域海上風(fēng)電與近海風(fēng)電相比，面臨的風(fēng)險(xiǎn)將會更大，不確定性也將更多。在深遠(yuǎn)海風(fēng)電工程前期研究中，要充分識別工程的各種風(fēng)險(xiǎn)和不確定性，通過科研攻關(guān)解決技術(shù)和工程風(fēng)險(xiǎn)，這樣才能確保后續(xù)技術(shù)研發(fā)和攻關(guān)的順利，保證后續(xù)項(xiàng)目的建設(shè)和運(yùn)營的安全性，最終推動(dòng)我國海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級。
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