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海上风电勘测设计存在的问题及优化思路浅析

2019-07-23冯宇

科技视界 2019年16期
关键词:试桩勘测选型

冯宇

【摘 要】本文通过调研相关设计、施工以及设备制造企业,从风资源评估以及风电机组选型与布置、地质勘测、风机基础选型与设计以及施工组织设计等各个专业层面,梳理了目前国内海上风电项目在勘测设计阶段存在的部分问题,并针对问题提出了优化思路。

【关键词】海上风电;优化设计;风资源评估;地质勘测

中图分类号: TM714.3;TM614 文献标识码: A 文章编号: 2095-2457(2019)16-0028-002

DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.012

Analysis on the Existing Problems and Optimization Ideas of Offshore Wind Power Survey and Design

FENG Yu

(Three Gorges Group Shanghai Survey and Design Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200434,China)

【Abstract】In this paper,through the investigation of related design,construction and equipment manufacturing enterprises,from the wind resources evaluation,wind turbine selection and layout,geological survey,fan foundation selection and design,construction organization design and other professional levels,This paper combs some problems existing in the survey and design stage of domestic offshore wind power projects,and puts forward some optimization ideas for the problems.

【Key words】Offshore wind power;Optimization design;Wind resource assessment;Geological survey

0 引言

海上风电是在陆上风电成熟后发展起来的,具有不占用土地资源、风能资源稳定、靠近负荷中心等优势,已成为全球主要涉海国家新能源发展的重要领域。自上世纪90年代丹麦、荷兰等国家率先建成试验样机以来,经过近30年的持续推进,特别是近10年的快速发展,全球海上风电的装机规模及产业升级均实现了跨越式发展,我国作为海上风电新兴市场也已经进入发展的快车道,商业化、规模化开发海上风电的序幕已全面拉开。

目前海上风电还存在建设成本高、周期长、风险大的问题,近期国家能源主管部门出台的一系列建设及价格新政也为未来海上风电的开发建设及成本控制提出了更高的要求。设计作为整个工程的前期环节,对于海上风电成本控制起着至关重要的作用,本文将从海上风电勘测设计的几个主要环节,对海上风电场勘测设计中存在的问题进行梳理并提出优化思路。

1 风资源评估以及风电机组选型与布置

1.1 重视前期测风工作,为风机選型与布置以及发电量估算提供可靠依据

海上测风工作是摸清待开发风电场风资源特征和规律的重要手段,是风电机组选型与布置以及发电量估算的重要依据。和陆上测风相比,海上测风工作具有施工复杂程度高、技术难度大、建设周期长、投资成本大等特点,因此部分项目由于工期和成本制约,在没有进行海上测风或测风数据不完整的情况下开展了可行性研究甚至工程建设,造成风电机组选型和布置不够合理,进而影响了整个风场的风资源利用效率和发电量水平。同时,在目前海上风电竞价上网的大背景下,可靠完整的测风数据是准确估算发电量、提出合理报价的先决条件,直接影响着整个项目的最终收益率水平。

建议加强对海上风电测风工作的重视,同时研究推广使用漂浮式激光雷达测风装置等新技术提高测风数据的及时性,减少测风塔建设对项目总体进度的影响;海上风电项目必须在测风数据满一年的情况下开展施工图设计工作,保证风机布置的科学合理。

1.2 优化风机选型,推进大容量机组应用

风电机组大容量化是目前降低海上风电机组投资成本的重要手段之一。对于总容量一定的风电场,大单机容量机组台数少,继而在吊装费用、基础费用、集电海缆费用、海域使用费以及工期上能够带来一定程度的节约。然而这并不意味着机组容量越大则经济效益越好。在特定风速条件下,海上风电场具有一个最佳功率等级。当风电机组功率等级低于该等级时,风电场内部收益率与风电机组功率等级呈现正相关的趋势;而当风电机组功率超过该功率等级后,风电场内部收益率与风电机组功率等级呈现逆相关的趋势。

初步研究结果表明,在7-8m/s风区的最佳功率等级在6MW左右,而在9-10m/s风区的最佳功率等级在8MW左右,因此建议在上海、浙江等III类风资源区域,推广6MW级风电机组应用;在福建、广东等I-II类风资源区域,探索推进8MW以上风电机组应用。

1.3 优化修正方法,准确估算风电场上网电量

风电场估算年上网电量是在理论发电量的基础上,考虑风机利用率、气候影响、空气密度、功率曲线、风机尾流、风机叶片腐蚀污染、控制和湍流强度、风电场内能量损耗等因素的影响,对其进行修正,估算出风电场年上网电量。

通过比较多个已完成可研的海上风电项目,在修正系数的选择上存在着不小的差异。对于尾流折减系数,取值的误差主要来自尾流模型的选取以及模型参数的取值。除尾流损失外的修正系数取值目前尚缺乏科学系统的方法,因此部分因素的修正系数取值具有较大的随机性。

由于修正系数直接影响着最终发电量的估算,因此优化修正系数选取方法,缩小取值范围,对开发商在未来海上风电资源竞争性配置中报出准确、合理的上网电价具有重要意义。建议通过分析实际项目数据,利用科学的统计学方法优化修正系数取值,力求实现修正系数的科学、准确。

2 地质勘测

2.1 加强地质勘测质量控制,确保数据的可靠性

由于设备和成本制约,目前海上风电的勘测工作大都由设计院外包给专业的勘测团队承担。由于勘测团队的水平参差不齐且缺乏有效监督,部分施工单位反映部分地勘资料可能存在不准确甚至做假的情况,对设计和施工都会产生不利影响。

建议加强地质勘测质量控制,对地勘的各个环节实行有效监督,推行勘测设计监理制度,对地勘结果的准确性进行后评估,作为后续项目选择地勘团队的依据。

2.2 探讨试桩工程的必要性,减小试桩工程对项目工期的影响

试桩工程是通过原位试验的方法验证项目所在区域土层的力学参数,以达到修正计算模型、优化设计的目的。试桩工程作为地质勘测的补充,对于摸清陌生海域的地质特点具有一定的意义。然而在实际工程中,试桩工程需要占用大量的施工窗口期,对项目工期会产生较大的影响。同时,由于目前基于实验和经验公式的土层力学参数估算方法已经趋于成熟,而且已在多年的港口、桥梁工程实践中被充分检验,因此随着海上风电工程经验的日趋丰富,简化甚至省略试桩工程,应是可以预见的趋势。

建议根据项目具体情况,探讨试桩工程的必要性,对于地质条件较好或项目经验较多的地区,考虑省略试桩工程以节约成本并加快施工建设进度。

3 风机基础选型与设计

3.1 加强设计阶段对施工因素的考虑

风机基础的投资约占全项目投资的20%~25%,并且与项目建设进度有很大的相关性。和陆上风电不同,海上风电基础的选型与设计很大程度上受船机能力等施工因素的制约。目前部分设计单位由于缺乏实际施工经验,在基础选型时往往只关注某种基础型式的技术特点和造价成本,对施工组织难度的考虑不足。

建议在符合国家相关政策法规的前提下,通过技术咨询、方案评审等方式引入可靠的施工合作单位提前介入设计阶段,在前期把控设计方案的施工难度,降低后期因设计方案难以施工导致的工期延误和成本上升。

3.2 探索切实可行的一体化设计方案

在大多数结构工程中,一个构筑物的上部结构和基础的设计工作是由同一家设计单位承担的,这样有利于整体考虑结构各部分刚度分布,准确模拟结构动态响应,从整体上实现优化设计。目前国内的海上风电基础工程,由于知识产权和资质的制约,风机的基础和上部塔筒分别由设计院和风机厂家设计,这不仅不利于结构整体响应的模拟,造成技术上的缺陷,同时由于设计院和风机厂家往往倾向于基于自身考虑而过度设计,造成人为的成本增加。

建议通过加强业主、设计院和风机厂商沟通,共同探索适合国情的、符合各方利益的、切实可行的一体化设计组织方案,可以组织可靠的合作风机厂商提前介入设计,共同完成整体载荷计算,减少设计过程中由于沟通不畅造成的技术和非技术成本。

4 施工组织设计

4.1 优化施工组织方案,提高施工窗口期功效

海上风电工程施工受海洋环境影响大,施工窗口期非常有限,随着未来海上风电开发走向深远海,施工环境将更加恶劣,窗口期势必进一步压缩。海上施工主要受船机设备和作业人员对自然条件适应能力两方面共同限制。单纯提高设备生存能力,并不能解决作业人员生理机能限制因素。

因而,应着重研究提高有效窗口期内的施工效率,建议从以下几个方面入手:一是充分收集不同海域自然条件资料,根据统计和实测资料,分析影响施工的自然条件因素,包括制约船机设备作业的因素和制约施工人员作业的因素;二是根据目前国内海上风电主要船机设备作业工况,分析统计各个海域影响施工作业的时间和可施工的窗口期;三是分别对各种主流基础形式和风机安装从施工交通运输、主体工程施工工艺流程入手,分析传统功效,同时结合船机设备适应性的研究,提出提升窗口期施工功效的措施。

4.2 提高陸上预制构件比例,减少海上作业

由于海上施工成本高,风险大,受风浪、海流等自然条件制约明显,因此提高陆上预制构件比例,尽量减少海上作业,是降低施工风险和成本的有效途径之一。目前国内设计单位已对此做出了积极探索,例如单桩基础整体套笼技术和高桩承台预制承台技术,都是为了减少海上施工带来的不确定性,使得项目工期安排更加灵活、可控。

建议设计方案要充分考虑海上施工成本,通过技术创新努力将更多的海上浇筑、焊接工序提前在陆上完成,减少海上施工工序和施工时间,将有限的施工窗口期更加充分地利用。

5 结语

经过多年的工程实践,目前国内海上风电勘测设计水平已经有了长足的提高,并已基本具备国内各类海洋和地质条件下海上风电场的设计能力。然而,随着国内近海浅水海上风电资源的逐步开发完毕以及行业建设管理及价格政策的不断调整,海上风电场的开发建设难度和成本控制压力也在不断提高,这就要求设计单位不断改进设计方法、创新设计思路、加强成本控制意识,从而助力海上风电降本增效,逐步摆脱补贴依赖,实现长远健康发展。

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