中国海上风电技术的挑战与应对策略分析

钟宏宇，齐 全，高 阳，李鹏儒，姚 晔

（1.通化市供电公司，吉林 通化 134000；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；3.沈阳工程学院电力学院，辽宁 沈阳 110136）

经验交流

中国海上风电技术的挑战与应对策略分析

钟宏宇1，齐 全2，高 阳3，李鹏儒3，姚 晔1

（1.通化市供电公司，吉林 通化 134000；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；3.沈阳工程学院电力学院，辽宁 沈阳 110136）

近年来，海上风电的开发和利用越来越受全球重视。文中介绍了欧洲国家海上风电技术的发展现状，并绘制了综合对照表，简要叙述了日本、韩国和美国的海上风电发展动态，着重叙述了我国的海上风电发展现状，提出了我国海上风电技术需要面对的一些挑战，据此提出了几点应对策略，可供我国海上风电企业参考。

海上风电；装机容量；近海；潮间带；运输吊装

随着风机技术的进步，海上风电场风机机型的大型化已成为发展趋势。与大陆上风电不同，海上风电场经常会面临浮水、台风、盐雾等恶劣自然条件的影响，这给电网的合理调度造成了很大困难。

近几年来，海上风电风靡全球，海上取之不尽、用之不竭的风能倍受全世界各国的关注，海上风电成为全球电力行业的焦点。原因如下：一是海上风电的风资源丰富、风能传播稳定、不占用土地面积、不消耗水资源、发电利用小时数高、最重要的是对生态环境影响很小；二是相比大陆风电而言，海上风能具有连续性，尤其是近海风电场的出力效率更高，且靠近传统电力负荷中心，便于电网消纳，省去了长距离输电耗能的问题［1－10］。我国的海上风电技术还处于不成熟阶段，给海上施工和相应安装技术带来了巨大挑战，这些挑战成为我国海上风电的重要研究课题。

1 国内外海上风电技术的发展现状

1.1 国外发展现状

目前，欧洲的海上风电技术正处于初期发展阶段，在成本调配和技术创新方面还有很大的发展空间，越来越多的50 m以上的深海设计正在研发中。欧洲的海上风电装机主要分布在英国、丹麦、比利时、德国4个国家，4个国家的海上风电发展现状见表1。

在亚洲国家当中，除中国以外，韩国、日本的海上风电发展步伐最为迅猛。韩国的海上风电项目主要来自现代重工和三星重工，2014年初，现代重工以单机容量为5.5 MW海上风机在济州岛已开始施工，同时，三星重工也以总装机84 MW容量在济州岛开始建设风电场，单机容量为7 MW。韩国计划在2016年装机总容量为900 MW的海上风电，到2019年装机容量达1.5 GW；日本的海上风电起步先于韩国，其单机容量为4 MW的漂浮式海上风电机组已经成熟，到目前为止，日本的海上风电机组总容量已达49.6 MW。

表1 英国、丹麦、比利时、德国的海上风电发展综合对照表

表2 Cape Wind项目block island项目海上风电信息对比表

在美洲国家当中，美国海上风电发展最为盛行。近2年，关于美国海上风电的新能源报道不断涌现。据美国能源部下属的国家可再生能源实验室估计，美国的海上风能潜力巨大，仅美国浅海海域的风能发电量就可达到90 GW。相当于美国当前陆上风力发电量的3倍，所以，海上风能项目的获批被认为是为美国的可再生能源开辟了新领域［13］。目前，美国最大的海上风电项目有二：一是Cape Wind项目，二是block island项目，2个项目的信息对比如表2所示。

美国还有几个风电项目，像风能中心海上风电场（Wind Energy Center）、缅因州“海风”试点项目（Hywind Maine Pilot Project）、水之风海上风电场（Aqua Ventus）和大西洋城风电场（Atlantic City Wind Farm）尚还处于融资阶段，有待于开发。

1.2 国内发展现状

国内目前真正意义上的海上风电场主要是东海大桥100 MW海上风电场和江苏沿海区域的海上试验风机。我国海上风电主要集中在东部沿海地区，其先天性的优越条件和地理优势成为我国海上风电事业得以发展的一项潮流。我国东部沿海区域交通便利、经济基础与上层建筑接轨融洽，均有发展为国际化电力都市的潜能，但火电、水电缺乏，而海上风电资源丰富，建设条件好、工业基础雄厚，已展现出海上风电发展独特的优点。

我国东部沿海地区冬、春季受北方冷空气影响，夏、秋季受热带气旋影响，海上风能资源较为丰富。江苏沿海地区是建设海上风电的典型代表，其地处北纬31°～35°，东经116°～122°，隶属于温带和亚热带湿润气候区，风向有明显季节性更替规律，夏季盛行东南风，冬季盛行东北风，风能资源较为丰富。而且江苏沿海地区的台风活动相对不频繁，破坏性概率较小，更适合大规模的海上风电场建设。

截至2014年初，获得国家或省能源主管部门同意推进的项目分布省市及装机容量如图1所示，项目总容量为4 100 MW，各省市的装机容量比例如图2所示。目前，全国还有正处于调研阶段的海上风电项目可达11 000 MW，其中近海项目10 510 MW，潮间带项目950 MW，超过7 000 MW的海上风电项目预可研报告编制完成，见图3，项目规模比例见图4。

图1 2014年各省份海上风电项目装机容量柱状图

图2 2014年各省份海上风电项目装机比例

图3 2014年各省份海上风电项目规模柱状图

图4 2014年各省份海上风电项目规模比例

2 我国海上风电技术的挑战

我国海上风电技术挑战的分类框图如图5所示，对此分类框图做详细分析如下。

2.1 施工挑战分析

海上风电技术经常要面对的是气象、水文情况，吊装作业的施工挑战［11－13］。

2.1.1 气象、水文

从气象、水文的角度讲，海流、潮汐、潮流、海浪、海水温度、台风、海雾均是影响海上风电的客观因素，其中台风和潮汐是海上风电技术最具代表性的挑战因素，海雾是海上风电技术最常见的挑战因素。

图5 我国海上风电技术挑战的分类框图

a.根据气象资料统计，台风一般在我国东南部沿海一带登陆，我国东南部沿海每年均会出现多次台风，海上风况复杂，风机机组及整体支撑结构均需要考虑台风的影响，大大增加了海上风电场的建设难度和成本。

b.潮汐挑战主要体现在风暴潮、强涌浪和大潮差上。特别是我国东南沿海一带属于潮位高、潮差大的大潮区，平均潮差5 m以上。与陆上风机不同的是，沿海地区的滩涂以及浅水海床等环境，海上运维作业受到潮汐影响最为明显。在江淮沿海一带，还会受到极端天气和恶劣天气的影响，例如风暴、团雾、暴雨天气，导致其海上维护作业的周期减短，产生很大的安全隐患。风暴潮受到大气剧烈的扰动，如强风、气压骤变导致海平面不正常的升降差，同时和天文潮叠加恰好形成强烈的低气压风暴涌浪导致的高涌浪，再与天文高潮叠加便会对风电作业造成更大的破坏力，这会给海上施工作业带来硬性的麻烦。强涌浪和大潮差主要是给桩基、吊装作业带来巨大安全隐患，容易使桩基倾斜、船桩摩擦、使起重船摇晃不定，让吊装作业无法通过暂停来规避。

c.海雾是出现在海上、沿岸、岛屿附近的雾总称。海雾的水平能见度低至1 km以下，海雾对于海上航行、海上作业、海洋开发均有重要影响，是海上重要的灾害性天气现象。对海上风电场建设来说，海雾既影响海上施工安全，又影响到整个风电场的建设工期。

2.1.2 吊装技术

目前，世界上海上风机的安装方法按安装过程主要有2类，即海上整体吊装方法和海上分体吊装方法。由于分体吊装的各设备单件质量比整体要小得多，重心比整体吊装要低，且稳定、安全，控制难度比整体吊装小，所以目前最流行的海上风电安装方式还是分体安装。要进行海上分体吊装作业，必须具备2个条件：安装船舶抗风浪能力要好；使用的吊装设备能尽可能减少海上配套船机设备的使用。但是由于我国东南近海表层淤泥质地基可能导致平台桩腿入泥深度达10 m以上，造成桩腿深陷泥土中而无法拔出的现象发生，因此目前国内现有海上起吊船机设备无法满足海上风电场风机分体吊装要求。

2.2 技术挑战分析

海上风电技术经常要面对的是机组设备技术、风机桩基础技术的挑战。

2.2.1 机组设备技术

从机组设备技术角度来看，我国海上风电机组不可避免地要面对气象环境、场地及施工、技术的先进性及可靠性、发电量、设备厂家的技术力量和服务水平、经济性和其他因素条件的约束。目前可供选择的风机主要有金风公司的GW90／2500kW、GW100／2500kW、GW90／3000kW，上海电气的SEC87－2.0MW和SEC93－2.0MW，华锐公司的SL90－3.0MW、SL100－3.0MW和SL110－3.0MW机型等。但国内的海上风电机组设备现阶段正处于少量生产、样机研制和试验阶段，还没有经过长时间的实际运行的经验，机组成熟性及可靠性还需要进一步验证。

2.2.2 沉桩技术

从风机桩基础技术的角度来看，我国海上风机传至塔筒的荷载和弯矩通常较大，无论是采用单桩、多桩，均对桩长和桩重提出更大的技术挑战。桩基规格对照表如表3所示。

表3 单桩、多桩规格对照表

我国海上风机的桩基沉桩方法主要有液压锤击沉桩、液压振动联动沉桩和钻孔灌注沉桩［14］。我国的海上沉桩技术经常要面对护筒变形、塌孔、钢筋笼偏位、断桩的技术挑战。

在海上钻孔桩施工过程中，护筒变形是最常见、影响最大的事故。海上风机基础钻孔灌注桩施工时，钢护筒将穿越较深的淤泥质土层，护筒沉放时，环向应力较大，可达38～96 MPa，其与按薄壁圆管非弹性屈曲环向临界应力计算得到的护筒屈曲临界应力相当，护筒壁太薄时可能会导致护筒变形。

塌孔一般主要是因为孔内泥浆低于孔外水位或泥浆密度小，或者在细砂、粉砂层中钻进时泥浆密度小，进尺快。

造成钢筋笼偏位主要原因如下：钢筋笼被泥浆埋没，不易直接测量定位；施工技术人员经验不足，造成偏位；定位筋易挤入土质孔壁，达不到实际应用效果；钢筋笼在焊接时，焊肉使得上下错位，不同轴，导致钢筋笼入孔时不垂直，造成偏位。

断桩主要是由于混凝土供应中断、导管密封圈失效和导管被大块物体堵塞所致。

3 我国海上风电发展的应对策略

3.1 制定海上运行维护策略

海上风电场运行维护策略可以以风电场规模、人员配置、风机可靠性、机组故障分类及其严重性、气象条件、海况、故障维修及例行检查所需时间、自有海上维护交通工具性能特征和租赁专业海上交通工具的性能特征为基础依据，建立运行维护成本模型，以实现海上风电场最大经济效益为目标，制定运行维护策略并进行优化，最终确定例行维护周期、备品备件储量、故障及时维修程度。根据海上风电机组本省的故障特性，结合海上风电场的气象、水文规律，以及运维船舶费用和人力成本，计算分析海上风电场可利用率以及年发电量，得到最优的运行维护方案以实现海上风电场的经济效益最大化。

3.2 建立海上风电发展激励政策

a.制定合理的海上风电购电协议。

b.减免税收。

c.整合现有风机制造业，提高生产能力，为海上风电发展服务。

d.实行“产学研”联合技术攻关。

e.给予土地和海域使用权的支持。

f.加快人才引进和培育。

3.3 分体安装起重船中型化改装

借鉴国外海上风电大国的实施经验，专业风机安装船或由集装箱改造而成或专门制造，可以选择在船的左右两侧装备液压自升支腿系统。运输到达安装地点时，先抛锚，再通过液压系统放下支腿至海床面，依靠液压支腿承受整个船身和所载设备的荷载，这样海上的风浪就不会造成船体左右晃动，可以保证分体安装过程的稳定性。从功能上考虑，把中型起重船舶加上桩腿后改成专门的风机安装船是可行的，再配合船舶锚泊系统进行作业，可以满足风机的安装要求。

4 结束语

经过多年来海上风电的发展，国外尤其是欧美地区的海上风电技术逐渐成熟，已经进入大规模研发阶段。虽然我国缺乏海上风电建设经验，海上风电技术并不成熟，给海上风电带来了各种施工和技术上的挑战，但我国的海上风能资源测量与评估技术已经起步，相信不久就会取得突破性的进展。目前我国缺乏海上风电建设激励政策和技术改进创新策略，并且有关技术规范体系亟待解决。

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Challenges and Strategies Analysis of Offshore Wind Power Technology in China

ZHONG Hong⁃yu1，QI Quan2，GAO Yang3，LI Peng⁃ru3，YAO Ye1
（1.Power Supply compang of Tonghua，Tonghua，JiLin 134000，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；3.School of Electrical Engineering of Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Liaoning 110136，China；）

In recent years，development and utilization of offshore wind power is favored by more and more scholars all over the world，many countries have embarked on a journey of offshore wind power technology.This paper introduces the development status of Europe⁃an offshore wind power technology and make a comprehensive comparison table.A brief description of the dynamic development of off⁃shore wind power in Japan，South Korea and America is introduced，this paper focuses on the present development situation of offshore wind power of China.According to the domestic present situation，China＇s offshore wind power technology faced some challenges and strategies are presented which has an important reference for the development of offshore wind power enterprises in China.

Offshore wind power；Installed capacity；Coastal；Intertidal zone；Transportation hoisting

TM614

A

1004－7913（2016）01－0039－05

钟宏宇（1987— ），男，硕士，主要研究方向为新能源发电技术。

2015－11－11）