陆上风电场技术降本方案研究

2020-03-16杨靖文张双益

能源与环境 2020年1期

杨靖文张双益

（1北京瑞科同创能源科技有限公司北京 100079 2北控清洁能源集团有限公司北京 100102 3中国科学院大气物理研究所国际气候与环境科学中心北京 100029）

近年来我国可再生能源开发利用取得明显成效，水电、风电、光伏等能源种类的装机在能源结构中占比不断攀升。截止2018年年底，我国风电累计装机容量达到1.84亿万kW，占全部总装机容量的9.7%，连续9年位居全球第1［1］。

长久以来国家主要通过补贴来达到新能源与煤电的平衡，以促进新能源的快速发展［2］。近年来随着风电技术进步，发电成本也逐渐向煤电成本靠近。2018年全国陆上风电项目的平均单位kW造价约为7100元，部分地区单位kW造价已低于 6000 元［3］。目前东北、内蒙、新疆等风资源优良［4］、年利用小时数达到3000h以上的地区已初步具备了风电平价上网的可行性。但是全国大部分地区在目前条件下实现平价上网还一定的难度［5］。2019年以来国家发展改革委、国家能源局接连发布了《关于积极推进风电、光伏发电无补贴平价上网有关工作的通知》、《关于2019年风电、光伏发电项目建设有关事项的通知》等，大力推动风电竞争性配置和补贴退坡政策，加快了风电平价上网的步伐。政策规定从2021年起新核准的陆上风电项目将全面实现平价上网。风电等清洁能源与火电等传统能源在同一个平合上竞争既是大势所趋［6］，也是风电由替代能源走向主力能源的必由之路。为降低风力发电成本、提高经济效益，促进风电平价上网，本文以河南某风电场为例，对典型陆上风电项目的工程造价构成情况进行了分析，对多种技术降本方案进行了总结，并初步评估了应用效果，为我国陆上风电场的开发建设工作提供参考建议。

1 典型风电项目的工程造价构成

我国中东南部地区（山东、江苏、安徽、河南、湖北等）低风速高切变风电场［7］是我国目前陆上风电开发建设的重点区域。2018年中东南部地区的风电新增装机容量在全国占比为56.8%［8］。河南某风电场项目总装机容量100MW，拟安装15台轮毂高度100m的2.5MW风电机组，25台轮毂高度140m的2.5MW风电机组。项目以110kV电压等级接入电网，送出线路按自建考虑。项目的工程造价构成如表1所示。风电场的静态总投资为7.46亿元，单位kW静态投资为7460元，分别给出了设备购置、建筑工程、安装工程、其他费用（建设用地费、建设管理费、生产准备费、勘察设计费等）和送出工程（场内35kV集电线路全部计入安装工程，场外110kV送出工程单独计列）所占比例。从表1可见，设备购置的费用占比最大，其次为建筑工程，再次为安装工程，而其他费用和送出工程的占比较少。

表1 典型风电项目的工程造价构成

2 工程造价的技术降本可行性分析

风电项目的工程造价中其他费用主要包括建设用地费、建设管理费、生产准备费、勘察设计费等，以上受风电技术影响较少，因而不在技术降本研究范围内。送出工程的造价主要取决于线路的长度，且一般应当按照电网公司“统一设计，统一设备，统一造价”标准执行，不宜改变成熟的技术规范和要求，也不做为技术降本的主要研究方向。本文主要从设备购置、建筑工程和安装工程等方面入手分析技术降本的可行性：

（1）设备购置。升压站电气设备、风电机组箱变、安防等设备的费用占比小，且均是较成熟的设备，市场上可选厂商较多，采购价格一般较为平稳。风电机组、塔架、锚栓的费用占比较大，其中机组、塔架因新技术的应用，最具降本的可行性。

（2）建筑工程。箱变基础和风电机组接地、水源等辅助工程、水环保恢复施工费等的占比较小，且从技术改进上难以取得明显的降本。风机基础占比最大，道路和平台占比次之，再次为升压站建筑，以上均为技术降本的主要研究方向。

（3）安装工程。升压站设备安装的占比较小，且从技术上进行降本的空间不大。其余风机特种运输和安装则主要取决于风电机组和塔架设备选型。集电线路占比最大，可通过集电线路精细化设计，合理设计线路降低造价。

以下针对技术降本的主要方案包括风电机组、塔架、基础、集电线路等方面进行探讨。

3 技术降本方案

3.1 风电机组定制化设计

风电机组是风电场的核心设备，在工程造价的单项中占比最高。风电机组主要利用叶轮旋转吸收风能转化为电能，风场的风况特性是影响风电机组结构完整性的主要外部条件。《风力发电机组设计要求》［9］（GB/T 18451.1-2012）按照风速和湍流参数对风电机组的等级进行了划分，如表2所示。风电机组应设计成能安全承受由其等级定义的风况（ⅠA～ⅢC），风电机组的制造商应在设计文件中明确给出风电机组的等级。

表2 风电机组的等级［9］

上述国标是经由IEC标准［10］转换而来的，是基于欧洲当地的风况特性来定义风电机组的等级。由于欧洲地区多为高风速风场，其风况特性与我国情况具有一定的差异性。目前我国中东南部地区低风速风场，大部分地区的年平均风速在6m/s以下，50年一遇的最大10min平均风速Vref在30m/s以下，湍流强度Iref在0.10以下。与表2中的最低等级ⅢC（Vref=37.5m/s，Iref=0.12）仍有一个等级的差距。因此若盲目按照目前现行的标准［9，10］进行风电机组的设计，则对于我国低风速风场的风况具有较高的冗余性。建议风电机组制造商可根据我国低风速风场的风况特性，开展机组的定制化设计。一方面可以合理去除现行标准中不必要的冗余，另一方面也可有效降低风电机组的成本，以达到技术降本的目的。

3.2 塔架和基础定制化设计

塔架和基础在风电场工程造价中占20%以上。塔架的主要功能是支撑位于空中的风力发电系统，是风电机组的主要受力部件之一。在塔架设计中应保证具有足够的强度和刚度，以承受风力发电系统运行引起的各种载荷。对于非地震区和沿海地带，风载荷为风电机组和塔架结构设计的主要控制载荷［11］，如图1所示。而基础支撑着风力发电系统和塔架，是平衡风电机组在运行中所产生的各种载荷的重要工具。基础设计是风电场设计的重要部分，必须考虑塔架的尺寸、标高、载荷、气象和工程地质等因素，利用成熟的设计软件进行计算。

风电机组配套的塔架和基础设计，主要取决于风电机组的荷载。风电机组制造商设计时主要执行国标和IEC系列标准，风电机组的荷载包络线按照规定的10min平均参考风速，根据不同设计状态、风况模型、机组本身和电网其他情况等计算得出。由上文所述，由于IEC等级风况对于我国低风速风场的风况具有较高的冗余性，因而计算出的载荷数值也较为保守，存在一定的优化空间。

建议定制设计风电机组配套的塔架和风机基础。对于具体风电场项目，可根据风资源评估的结果，在保证整体安全性的条件下，利用成熟的荷载设计软件开展机组载荷优化。然后根据荷载数据进行塔架设计，主要起到减小塔架壁厚和重量的作用。基础设计还涉及到工程地址等情况，则较为复杂一些，在机组荷载减小的情况下，主要起到减少基础材料用量的作用。通过塔架基础定制化设计，起到技术降本的作用。

3.3 集电线路精细化设计

集电线路是风电场的重要组成部分，在工程造价中占有一定的比例。集电线路的精细化设计主要体现在：路径规划设计、导地线选型和杆塔选型等方面。

（1）路径规划设计。集电线路的单基铁塔体积小、路径变化灵活，具备精细化设计和技术降本的空间。建议合理应用航拍等科技手段，测绘地形图尽量准确，合理优化集电线路路径，尽量减少耐张塔的数量，尽量减少高跨段、大跨越段。

（2）导地线选型。受风速大小变化的影响，风电场出力存在较大的波动性，且全场同时满发的机会非常少，因而导线不能充分利用。按照现有标准采用经济电流密度来选取导线截面［12］则会带来较大的冗余，建议按照导线载流量选取导线截面，地线截面则需要跟导线配合，从而降低导地线成本。同时由于导线截面的减小，杆塔规格也可以降低。

（3）杆塔选型。目前经常简单地采用定型杆塔的成果，建议在路径确定、杆塔排布确定后，对杆塔进行校核计算，确定杆件内力。这种方法可以保证铁塔的受力合理，塔型选取合理，但计算过程相对繁复，而且杆塔排布发生变化，前、中、后3个耐张段均需要重新计算，耗时可能较长。再次说明了合理的路径非常重要，可以减少改动。

4 技术降本方案的应用

4.1 风电机组定制化设计方案应用

表3给出了某风电机组制造厂商设计的2.0MW系列风电机组的等级。可以看到108/2.0MW型机组常规设计机组（ⅢB等级），而115/2.0MW型和121/2.0MW型机组根据我国中东南部低风速风场的风况开展了定制化设计（S等级），年平均风速从 7.5m/s分别降低到 6.5m/s和 6.0m/s，50年一遇的最大10min平均风速也有所降低。

表3 2.0MW系列风电机组的等级

通过定制化设计，使得叶片加长、载荷增大的情况下，整机和各零部件的材料和用量并无明显增加，仍然可以在低风速风场安全稳定运行寿命期20年。使用定制化机组在增大叶轮扫风面积，增加发电量，提升经济效益的同时，机组成本得以有效的控制基本不变。以采用定制化设计的121/2.0MW型机组相比108/2.0MW型机组的发电量提升了20%，在成本造价保持不变的情况下，项目kWh电成本降低了20%。

4.2 塔架基础定制化设计方案应用

（1）塔架减重。单台塔架重量321t，总重量12840t。根据风资源状况进行定制化设计后，单台塔架减重20t，整个风电场减重达到800t。按照塔架单价为0.95万元/t计算，节省760万元。塔架造价占比从15.89%降低到14.90%；

（2）基础混凝土材料用量。风电机组基础混凝土总用量28241m3。进行定制化设计后，90m轮毂高度风机配套扩展基础混凝土用量为720m3，140m轮毂高度风机配套桩基础混凝土用量为500m3，总量为 23300m3，总减少用量 4941m3。可节省741万元。基础造价占比从6.98%降低到6.02%。