某电厂对附近风电场的影响初步研究分析

刘登峰

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710065）

关健词：风电；影响；障碍物；发电量

1 工程概述

某电厂规划装机容量4×1000MW，分两期建设，一期工程建设2×1000MW超超临界、间接空冷、纯凝式发电机组。推荐的柳沟厂址位于甘肃省酒泉市瓜州县城东北约50km的戈壁滩上，场址西侧2km处为中国龙源电力集团公司300MW风电场和酒泉千万千瓦级风电基地首批开发项目中的北大桥第二、第三风电场（各装机200MW）。某电厂及附近风电场由南向北依次布置有升压站、主厂房和煤场，占地面积55hm2。其中厂房、冷却塔和烟囱分别高50m、160m和240m，而且厂房和冷却塔建筑物体积较大。该区域主风向为东风，可能对西侧风电场造成一定影响。为此，就某电厂对附近风电场的影响专题进行了初步研究分析，如图1所示。

图1 某电厂及附近风电场平面布置图

2 区域气象及风资源

酒泉地区南部为祁连山脉，北部为北山山系，中部为平坦的戈壁荒滩，形成两山夹一谷的地形，成为东西风的通道，风能资源十分丰富。

2.1 瓜州气象站

瓜州县气象站位于瓜州县城北门外，东经95°46′， 北纬40°32′， 海拔高程1171m。 瓜州气象站于1951年1月设立，属国家基本气象站。

瓜州县属大陆性中温带干旱性气候，根据瓜州气象站1971-2000年30年气象资料统计，年平均气温8.8℃，年平均气压884.2HPa，年平均水汽压5.3HPa，年平均降水量53.6mm，沙尘暴日数6.9d，雷暴日数6.6d。瓜州气象站气象要素统计见表1。

瓜州气象站风向玫瑰图如图2所示。从图2可看出，瓜州气象站风向以东风为主。

图2 瓜州气象站风向玫瑰图

表1 瓜州气象站气象要素统计表（1971～2000年）

2.2 风电场测风资料

2.2.1 测风塔情况

为开发该区域风能资源，该风电场场址附近先后设立了3座测风塔。各测风塔基本情况见表2，各测风塔地理位置图如图1所示。

表2 各测风塔基本情况表

2.2.2 测风数据检验与处理

为了有效评估本风电场风能资源，本次对原始测风数据进行了验证，对其完整性和合理性进行了判断，检验出不合理的数据和缺测的数据。

按照GB/T18710-2002《风电场风能资源评价办法》，采用北京木联能软件公司编制的《风电场测风数据验证和评估软件》2.0版本对各测风塔的实测数据分别进行完整性检验、范围检验、相关性检验和风速变化趋势检验。

检验后列出所有不合理的数据和缺测数据及对应的时间，对不合理数据再次进行判断，挑出符合实际情况的有效数据，回归原始数据组。各测风塔数据检验结果统计见表3。

表3 各测风塔测风数据检验统计表

2.2.3 测风数据插补延长

4738#与1304#测风塔直线距离59.1km，其间地势开阔，地形平坦。对4738#与1304#测风塔同期70m高风速分别进行相关性分析。4738#与1304#测风塔70m高风速总体相关系数0.818，主风向相关系数大于0.810；1304#与4738#测风塔70m风速相关分析图如图2所示，相关方程及相关系数见表4。

本次采用1304#测风塔70m测风数据相关插补4738#测风塔缺测数据，得到4738#测风塔2007-06-12～2008-06-13一整年的测风数据。相关插补后4738#测风塔不同高度月平均统计见表5。

表4 1304#与4738#测风塔70m高度同期风速相关性分析

表5 4738#测风塔插补延长后不同高度月平均风速统计表 单位：m/s

2.2.4 测风数据订正

为得到一套反映该风电场长期平均水平的风速代表性数据，需借鉴瓜州县气象站长期测风资料对4738#测风塔(2007.06.13～2008.06.13)段测风数据进行订正。

瓜州气象站1991年以后年平均风速基本稳定，1991.07～2008.06平均风速为2.30m/s。而与现场4738#测风塔测风时段（2007.07～2008.06）瓜州县气象站平均风速为2.29m/s，与1991.07～2008.06（18年）平均风速持平。说明4738#测风塔测风时段（2007.07～2008.06）对长系列平均风速具有代表性，故本次不对4738#测风塔测风时段 （2007.07～2008.06）实测数据进行订正。

2.3 风电场风能资源

2.3.1 平均风速及风功率密度

4738#测风塔不同高度月平均风速统计见表6，61.5m、65m高度风速由70m高度风速数据推算（切变指数取0.11），风向直接采用70m高度风向，见表6。

表6 北大桥4738#测风塔年月平均风速、风功率密度统计表 风速：m/s；风功率密度：W/m2

4738#测风塔61.5m高度年平均风速为7.08m/s，年有效风速（3.0m/s～20.0m/s）时数为7625h，平均风能密度为412W/m2。

2.3.2 风频曲线及威布尔参数

风频曲线采用威布尔分布，概率分布函数用下式表示：

式中：V为风速；A、K为威布尔参数。

用WASP9.0程序进行威布尔曲线拟合计算，得到4738#测风塔61.5m年平均风速为7.16m/s，平均风功率密度为421W/m2，威布尔参数A=8.1，k=1.83；65m年平均风速为7.21m/s，平均风功率密度为428W/m2，威布尔参数A=8.1，k=1.84。70m年平均风速为7.27m/s，平均风功率密度为439W/m2，威布尔参数A=8.2，k=1.84。4738#测风塔61.5m高度平均风速威布尔分布图如图3所示。由图3可以看出，4738#-1304#测风塔61.5m高度风速分布基本符合威布尔分布。

图3 4738#测风塔61.5m高度平均风速威布尔分布图

2.3.3 风速、风向特性

1)风向。4738#测风塔61.5m高度全年各扇区风向和风能分布统计见表7。

从表7中可以看出，4738#测风塔61.5m高度主风向和主风能方向一致，以东（E）风的风向和风能频率最高，风向频率占全年的18.98%，风能频率占全年的34.42%。

2)风速分布。4738#测风塔从风速分布看，风速主要集中在3.0～11.0m/s，占全年的70.36%,风能只占全年的38.41%；12.0～20.0m/s风速段占全年的16.44%，但风能占全年的60.45%；而大于21.0m/s的风速约占全年的0.08%，风能占全年的1.04%。4738#测风塔61.5m高度风速、风能频率分布统计见表8。

表7 4738#测风塔61.5m高度全年各扇区风向和风能分布统计

表8 4738#测风塔61.5m高度风速、风能频率分布表

3）风速的年内变化。通常情况下，本地区年内2～5月风速较大，7月～10月风速较小。也就是说，夏秋季风小，冬春季风大。

4）风速的日变化。44738#测风塔就总体情况看，一般晚上8、9点钟风速逐渐加大，至凌晨2、3点钟风速最大，早晨风速逐渐减小，至中午12点钟左右风速最小。

2.4 风能资源综合评价

从以上分析可知，该风电场以东（E）风的风向和风能频率最高，盛行风向稳定。风速春季大，夏季小。61.5m高度风速频率主要集中在3.0～11.0m/s,3.0m/s以下和21.0m/s以上的无效风速和破坏性风速少,年内变化小，全年均可发电。用WASP9.0软件推算到预装风电机组轮毂高度61.5m年平均风速为7.16～7.56m/s，平均风功率密度为421～497W/m2。

由瓜州气象站近30年资料推算61.5m、65m和70m高度50年一遇极大风速分别为50.7m/s、51.0m/s和51.4m/s,小于52.5m/s。15m/s风速段湍流强度介于为0.05～0.07,小于0.1，湍流强度较小。

根据《风电场风能资源评估方法》判定该风电场风功率密度等级已超过3级，说明该风电场风能资源比较丰富,可用于并网型风力发电，具有一定的开发前景。

3 某电厂对风电场发电量影响计算

3.1 某电厂平面布置

某电厂推荐的厂区总平面布置由南向北依次布置有升压站、主厂房、煤场三列式布置格式。主厂房固定端朝西，扩建端向东，750kV出线向南。

厂区根据工艺及管理要求，厂区辅助生产和附属建筑物围绕主厂房及固定端并靠近相关设施成团布置，并采用路网隔断为若干功能小区，详述如下：油库、油泵房、泡沫迸房形成油库区；材料库形成材料区；灰库、气化风机房形成灰库区。渣仓布置在锅炉房两侧；综合检修楼形成检修区；锅炉补给水处理室、化验楼、生水箱、除盐水箱及废水池、水箱、循环水加药加氯间、高位酸碱储备间、废水澄清泥渣浓缩间等形成化水区及废水区；办公楼、值班室、食堂和浴室形成厂前区；制氢间、贮氢罐形成制氢站；以上均在固定端外布置。循环水预处理区、综合水泵房及蓄水池、净化站等各自成区并靠近间冷塔布置；污水处理站布置在厂区南侧最低点；汽机房外布置主变、厂高变、启备变形成变压器区；烟囱后形成脱硫设施区。间冷塔采用一机两塔，本期四个塔成品字型布置在主厂房西南侧，靠近主厂房布置。本期厂区占地面积55hm2，某电厂总平面布置如图4所示。

图4 某电厂总平面布置

3.2 风电场平面布置

某电厂场址西侧2km处为中国龙源电力集团公司300MW风电场和酒泉千万千瓦级风电基地首批开发项目中的北大桥第二、第三风电场（各装机200MW）。

中国龙源电力集团公司风电场计划安装214台单机容量1500kW的风力发电机，其中33台GW77/1500风力发电机(轮毂高度65m，叶片直径77m)，181台GW82/1500风力发电机(轮毂高度70m，叶片直径82m)，总装机容量321MW。风机东西之间间距770m，南北之间间距385m，成梅花型布置。

北大桥第二、第三风电场位于龙源风电场北侧，两风电场之间间距约2600m。北大桥第二风电场设计安装134台单机容量1500kW的FD77B风力发电机 (轮毂高度61.5m，叶片直径77m)，总装机容量201MW。风机东西之间间距690m，南北之间间距350m，成梅花型布置。

北大桥第三风电场设计安装134台单机容量1500kW的SL1500/82风力发电机 (轮毂高度70m，叶片直径82m)，总装机容量201MW。风机东西之间间距740m，南北之间间距360m，成梅花型布置。

3.3 某电厂对风电场发电量影响计算

3.3.1 计算软件

本次分析计算采用目前国际上应用最广的风能资源分析软件——风图谱分析及应用软件WASP(Wind Atlas Analysis and Application Programs)，WASP是由丹麦国家实验室风能应用开发部开发出来的风能资源分析处理软件。

WASP对某地区进行风能资源评估分析时，不仅可以分析山丘以及复杂场地引起的风的变化，而且可以计算由附近建筑物或障碍物所引起的风机发电量的变化。本次分析计算采用WASP11.0版本。

3.3.2 建筑物尺寸处理

地面障碍物如建筑物、防风带等对风速、风向产生的衰减影响与障碍物到测风点的距离以及障碍物和测风点的高度有密切关系，另外，还与障碍物的孔隙度有一定关系。为了便于计算，一般将障碍物近似为具有一定长度、宽度和高度的矩形物来考虑。某电厂中建筑物设置参数见表9。

表9 某电厂影响分析WASP计算中建筑物设置参数表

表10 某电厂对风电场发电量影响统计表

3.3.2 发电量影响计算

根据4738#测风塔(2007.6.13～2008.6.13)风速资料、风机布置方案及1：50000地形图，采用各风电场选用机型当地空气密度下的功率曲线和推力系数曲线，利用WASP9.0软件进行发电量计算，得到风机的理论年发电量和风机尾流干扰后的年发电量。

某电厂对风电场发电量影响统计见表10，由表可以看出，当某电厂距离风电场2km时，某电厂对该区域风电场影响总体（平均）发电量减少0.7%，其中龙源风电场影响发电量平均减少1.32%，其中单机影响发电量最大减少9.2%。

4 结论

1）由于规划等原因，目前仅对3个风场700MW风电装机影响用通过WASP11.0软件计算。理论计算结果：某电厂对该区域3个风场发电量平均影响减少0.7%，其中龙源300MW风场发电量平均影响减少1.32%，随着与电场的距离增加发电量影响减弱，单台机发电量最大影响减少9.2%。

2）目前该地区风电场上网电量计算中，叶片污染对发电量的影响仅考虑了1%（叶片污染影响也包含其它工业影响），某电厂运行中的排放物及灰场、煤场对风机的叶片可能造成一定的污染，对发电量有无影响及影响程度目前很难定量得出。