电力设计企业海上风电业务探索与实践调研

鲁 斌，邹 辉，彭益成，吕联亚

(1. 上海电力设计院有限公司，上海 200025；2. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

0 引言

海上风电是可开发容量大、距离用电负荷中心近、可融合产业多、清洁环保的绿色能源，是非水清洁可再生能源接续开发的主战场，是我国实现2030年碳达峰和2060年碳中和的重要支撑，是电力行业强化科技创新、发展海洋经济的重点领域，将在后续能源体系中占有重要地位。

1 海上风电发展历程、现状和趋势

我国海上风电相对欧洲起步较晚，但发展速度较快。2010年以前，我国海上风电尚属起步阶段，对海上风电的政策要求涵盖在可再生能源、新能源和风电相关政策之中，未有专门针对海上风电的政策。“十二五”时期，国家陆续出台了多部海上风电的专项政策，推动我国海上风电发展步入快车道。

“十三五”以来，我国海上风电并网规模持续增长。经过十余年的努力，我国已成为全球最重要的海上风电市场之一。2019年，我国新增装机容量239.5万kW，位居世界第一。截至2020年底，累计并网装机容量约900万kW，位居全球第三。

根据国家“十四五”能源规划，预计“十四五”期间可保持平均每年600万kW的增长规模，2025年我国海上风电年新增装机将达到1 200万kW，行业年均复合增速达到44%，三年累计增长200%，成为发展最快的新能源细分赛道；2025年底预计我国海上风电累计吊装容量达到4 800万kW，海上风电市场空间较为可观。

2 海上风电业务发展分析

2.1 政策导向

2014年国家发改委《关于海上风电上网电价政策的通知》规定，我国海上风电采用标杆上网电价机制。2018年《国家能源局关于2018年度风电建设管理有关要求的通知》提出，未确定投资主体的海上风电项目应全部通过竞争方式配置和确定上网电价，从2019年起，各省(自治区、直辖市)新增核准的海上风电项目应全部通过竞争方式配置和确定上网电价。2019年国家能源局发布《风电项目竞争配置指导方案(2019年版)》，进一步明确了海上风电项目竞争性配置的参考评分标准。2019年《国家发展改革委关于完善风电上网电价政策的通知》将海上风电项目电价由标杆上网电价调整为指导价，作为企业申报上网电价的上限，为风电项目竞争性配置开展提供依据，这也标志着我国海上风电标杆上网电价成为历史。2020年1月，财政部、国家发展改革委、国家能源局发布《关于促进非水可再生能源发电健康发展的若干意见》，进一步明确了新增海上风电上网电价,并指出新增海上风电项目不再纳入中央财政补贴范围。在省级补贴缺位的情况下，2021年补贴政策到期后，我国将有40 GW的海上风电储备项目受到影响，项目开发进度可能严重滞后，也给我国海上风电产业的发展带来了不确定性。

我国海上风电起步较晚，但凭借政策支持和产业链的不断完善，近年来发展迅速并蕴藏着巨大的潜力。为了保持产业的发展势头，继续为能源转型做出更大贡献，海上风电产业需要稳定持续的政策方案，这也是产业规划和机制创新需要在“十四五”或更长远的时期内努力的方向，具体可从产业市场化、技术进步、地方政策等方面考虑：健全海上风电市场化发展的政策机制；努力提高海上风电技术水平；鼓励出台地方扶持政策。

2.2 风机发展趋势

风机机组正向着容量大型化、控制系统智能化发展。

2020年，全球海上风电机组平均单机规模为6.5 MW；预计2025年海上风电机组平均单机规模将达到10～12 MW。目前，国外实际装机单机最大规模为12 MW，尚未实际装机单机最大规模为14 MW；国内实际装机单机最大规模为10 MW，尚未实际装机单机最大规模为11 MW。

机组设备控制是保证风力发电机组高效运行的前提。目前风力发电机组设备安装地点经常面临一些比较恶劣的环境，且风力变化具有较大的不确定性。在这种环境中，风力发电机组设备往往需要远程监控，需要风力发电机组设备具有可靠、稳定的自控系统。在5G、互联网、数字化、信息化为代表的智能化技术发展背景下，我国风力发电行业发展逐渐向智能化控制方向转变。利用智能化控制管理，提高风力发电的运维质量和控制精度，提升风力发电运行的自动化水平。同时，统筹管理发电资源和电网负荷，实现风力发电与其他发电技术的优势互补，全面提升风力发电的技术水平。

2.3 勘察设计技术

2.3.1 关键核心技术发展现状

1)大直径单桩基础设计理论和方法

华东院首次提出海上风机大直径无过渡段单桩基础结构成套解决方案，拥有大直径单桩方面的技术发明与设计系列专利，如图1所示。首次研发了无过渡段大直径单桩基础，攻克了沉桩垂直度、法兰顶高程控制及法兰施工打桩过程保护等重大核心技术，解决了国外设置过渡段的大直径单桩基础施工效率低、灌浆段耐久性差等难题，工程应用达1 000多台，目前国内应用最大单桩直径将近9 m、重量超过1 000 t。

图1 大直径单桩基础设计

2)复杂地质条件下的不同基础型式及设计方法

针对我国广东、福建、山东等部分区域海上风电场软土、岩质地基并存交错，软土覆盖层浅无法满足桩基承载力情况，首次研发了针对不同细分地质条件下I、II、III型大直径嵌岩单桩基础及辅助施工方法，如图2所示，实现了大直径单桩基础在基岩埋深较浅海域的应用，为世界首创。

图2 复杂地质条件下的基础形式及设计方法

3)海上风电勘察物探及海洋地质分析技术

海上风电勘察物探的技术趋势为常规船舶勘探向自升式勘探平台发展。目前国内已经有适用于15 m级水深、35 m级水深和55 m级水深的系列自升式勘探平台，为集智能海上钻探、精准原位测试和高级土工试验于一体的高效、节能、安全的海洋综合勘探平台。具有全球适用于全水深作业的综合勘探船和一系列先进的水文气象观测、海洋测量和海洋物探设备。

通过对近海工程勘察技术进行了全面系统的技术攻关和工程应用研究，形成了系统、高效、科学的成套海洋工程勘察技术，包括基于孔压静力触探的土体参数取值新技术、海洋工程桩土-界面参数综合评价体系、大范围海洋土剪切波速模型构建技术、基于综合方法的砂土液化判别方法、海底障碍物和地质结构综合识别技术、精细化海底三维测深技术等多项先进的海洋工程勘察技术。

2.3.2 前沿技术发展趋势展望

1)深远海勘探技术

普遍采用自升式勘探平台、具DP功能的综合勘察船进行勘察作业，可有效降低浪、潮、涌的影响，用于实施海上勘探或原位测试作业；采用海洋钻机进行取样，原状土样取样质量高。海洋静力触探试验装备及数据解译成熟，海上风电场勘探方案以静力触探测试为主，辅以少量高精度取土钻孔。搭载测深、侧扫、浅地层探测等多种海洋调查设备的ROV以及AUV技术应用于风电场勘察。

2)深远海漂浮式风机基础设计

漂浮式风机是一种多子系统的高端联合工程装备，且服役期间一直遭受着复杂的多源荷载。针对这一问题，拟对漂浮式风机进行全系统耦合动力特性的多层次计算方法研究，分析漂浮式风机子系统间耦合动力特性，剖析、分离、表征、量化动力响应中的各子系统耦合项，揭示漂浮式风机各子系统在联合协同工作中的动力响应耦合机理，开展气弹—固弹—水弹的全耦合系统动力学研究，时域分析复杂环境条件下的漂浮式结构的水动力性能和时域运动响应。

3)远海风电场柔性直流输电技术

随着我国海上风电远海化、大型化发展，传统的交流送出因为海缆输送容量制约、无功补偿及过电压问题突出而难以胜任，按照欧洲海上风电发展经验，当风电场离岸距离超过70 km时，柔性直流送出的优势逐渐显现出来。对于远海海上风电项目，柔性直流输电技术则成为必须的配套技术。

2.4 施工技术

2.4.1 风机基础施工

2020年至今，新增招标的风电机组中单机容量为6 MW以上的大容量机组比例不断增大，与之配套的风机基础也越来越大，目前国内最大单桩直径已达近9 m，长度已达110 m，重量近1 800 t，对施工船舶和施工技术的要求也越来越高。

目前国内典型的单桩海上施工船组模式，全回转起重船+运输船+辅助工艺架，如图3所示。起重船进行单桩沉桩施工，起重能力需达到2 000 t以上，船组桩锤选用2 500 kJ液压锤及以上沉桩能力设备。打桩流程为：船舶驻位—抬吊—立桩—单桩入定位稳桩平台船—单桩自重入土—压锤稳桩—液压沉桩—内平台安装—100%UT无损检测等步骤。

图3 全回转起重船+运输船+辅助工艺架施工工法

2.4.2 海上升压站安装施工

海上升压站一般在陆上大型钢结构加工厂进行加工制作，电气设施也全部在陆上基地安装。上部组块加工制作完成后，通过专业运输车完成码头装船，再通过大型驳船出运。起重船吊装即采用起重量、吊高满足要求的大型起重船，现场起吊，安装在已做好的基础上，这种安装方式由于大型起重船对水深要求较高，适合水深较深的海域。

此外还可采用浮托法安装施工。浮托法安装是采用合适的运输船舶，并且在基础中间预留运输船进出的空间，运输船将海上升压站上部结构运至基础下部，利用落潮和船舱压水，将海上升压站上部结构安装在基础上，运输船继续下沉，使运输船与海上升压站上部结构分离，之后运输船从上部结构底下驶出，完成上部结构安装。

2.4.3 海缆敷设施工

海缆敷设施工对施工船舶依赖度较高，海缆敷设船的技术发展趋势为大型化、载重量大、可施工水深范围大，国内最大的海缆敷设船为载重量10 000 t级，载缆量为8 000 t，可以候潮坐滩施工。海底电缆铺设主要采用铺缆船，铺缆船一边开沟一边把海缆放入沟内，通过锚缆的缩放移动船体位置。对于靠近风机基础的电缆铺设，需要潜水员配合小型船只铺缆。电缆穿堤采用非开挖方式从大堤下部穿过，接至陆上集控中心内。

2.5 运维技术

欧洲海上风电场运维主要由专业化运维公司或开发商组建专业化运维队伍来实施，运维船一般采用专业海上风电运维船，运维船具有高速、高稳定性特点，由于欧洲海上风电场开发较早，积累有较多海上风电运维经验。国内目前大多风电场刚刚完成或正在建设，设备尚未出质保期，运维工作尚未提上议事日程，运维经验积累相对较少。

基于海上风电场的运维“离岸远、窗口期短、成本高、风险大”的特点，海上风电运维业务后续会以大数据、AI、VR、智能机器人等技术综合运用为手段，向信息化、数字化、智能化赋能海上风电项目全生命周期管理的技术方向发展。海上风电场海洋气象系统、通航安全系统、海缆监测系统等可以做到数据采集和监视控制，在单个领域内已经有了长足的进步。伴随着海上风电往深远海、规模化集中化、平价上网的发展趋势，数字化会更重视业务价值、准确性、协同性、资源共享，做到真正的数字赋能，解放人力、降本增效。

2.6 海上风电+融合发展技术

2.6.1 海洋牧场

“海上风电+海洋牧场”是通过海上风电基础的“鱼礁化”，将鱼类养殖网箱、贝藻类养殖筏架固定在风力发电机的基础上，实现海上风电和海洋牧场的融合，改善海洋生态环境，修复海上风电建设对海洋生态的破坏，海上风电和水下牧场共用海洋工况，提高海洋空间利用效率，开创“水下产出绿色产品，水上产出清洁能源”的新局面。

2.6.2 海上风电的分布式运用

远海(深海)长期作业，能源持续供给是重要课题，传统能源供给主要依靠供应船来运输石化燃料，利用柴油机组发电。以海上石油钻井平台为例，其能源装置一般为6台5 000 kW左右的柴油机组，其中3台为冗余设计，正常作业时2到3台主机工作即可满足作业要求。漂浮式风机可以做到10 MW到15 MW水平，该功率完全可以满足远海(深海)石油、可燃冰开采作业对能源的需求。从成本角度来讲，采用漂浮式风机供能减少了供应船的租赁费用，减少了石化燃料消耗成本，优化了石油钻井平台的自身重量与使用空间，此外，降低了对环境的污染。

2.6.3 海上风电制氢

风电制氢，就是将风力发出的电直接通过水电解制氢设备将电能转化为氢气，通过电解水产生的氢气便于长期存储。具体的过程为：风力发电—电解水—制氢制氧—氢气能源—应用到多种行业，比如运输业、工业热加工处理、化工行业等。

近几年以来，海上风电制氢是行业内的热门话题。国际能源署与中国石油经济技术研究院联合发布的《氢的未来——抓住今天的机遇》报告中指出，随着可再生能源成本的下降以及制氢规模的扩大，到2030年，从可再生能源中制氢成本或将下降30%，燃料电池、燃料补给设备和电解槽都将从大规模制氢中受益。

3 结论

海上风电建设对于优化能源结构、保护环境，减少温室气体排放、节约能源具有重要意义。为积极承接国家能源清洁低碳转型战略，抢抓海上风电大规模开发机遇，推动科技创新和培育战略性新兴产业，本文对海上风电业务采用问卷调研、文献调研、线上视频交流研讨等型式进行了调研，得到如下结论：

1)我国海上风电起步较晚，但发展较快。2025年底预计我国海上风电累计吊装容量达到4 800万kW，海上风电市场较为可观。

2)自2018年起，海上风电项目开发基本以标杆上网电价调整为指导价的竞争性配置为主。2021年补贴政策到期后，新增海上风电项目不再纳入中央财政补贴范围，给我国海上风电产业的发展带来了不确定性。

3)海上风电机组向着“大容量、轻量化、高可靠”趋势发展，单机额定容量逐步增大。大型化趋势的核心驱动力为平价上网对“降本”的需求。2020年，全球海上风电机组平均单机规模为6.5 MW；预计2025年海上风电机组平均单机规模将达到10～12 MW。

4)我国目前已掌握大直径单桩基础设计理论和方法、复杂地质条件下的不同基础型式及设计方法、海上风电勘察物探及海洋地质分析技术等核心技术。

5)海上风电场运维主要由专业化运维公司或开发商组建专业化运维队伍来实施。海上风电运维业务后续会以大数据、AI、VR、智能机器人等技术综合运用的专业化、智慧化技术方向发展。

6)海上风电创新融合发展是后续开发趋势，随着技术的成熟和规模化效应的体现，海上风电与海洋牧场、氢能、海洋能、能源岛等技术的融合发展会大规模应用，可实现对海洋资源的综合开发利用。

参与课题调研的还有：刘小龙(中国能源工程集团有限公司) ；余平(广东省电力设计研究院有限公司) ；吴刚(江苏省电力设计院有限公司)；王国进(昆明勘测设计研究院有限公司) ；马雪(西南电力设计院有限公司 )；张瑛(浙江省电力设计院有限公司)；黄明轩(广西电力设计研究院有限公司)；田伟辉(西北勘测设计研究院 )；黄建武(浙江省电力设计院有限公司)。