海上风电项目风机选型分析

2024-06-02马洪飞

中国设备工程 2024年10期

马洪飞

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 550081）

技术进步的过程中，我国的风电事业高速发展，为国家能源事业做出了卓越贡献。与陆上风电项目不同，海上风电项目的特殊环境决定了在风机选型时需关注更多因素。风电事业发展的今天，市场上的风机型号越发多样，每种型号的风机都有其性能、功能特点。有关人员在选型时，需按照海上风电项目建设要求，开展一系列分析及对比。未来的工作中，相关人员需继续研究海上风电项目的风机选型，以丰富理论基础和实践经验，为项目建设提供理论与实践指导。

1 海上风电机组选型的主要影响因素

1.1 风资源禀赋

风资源禀赋是影响风机选型的一大方面。风资源禀赋下包含很多细分因素，如平均风速、风切变指数、空气密度、有效风能密度、风速持续时间等。按照风机选型经验，风电场容量系数为评估风机与风电场是否匹配的标准，风电场容量系数越大，风机与风电场越匹配。在风机选型过程中，有关人员必须掌握这些关系，据此选出符合要求的风机。

风能为低密度能源，海上风电项目中为选出性能优越的风机，相关人员在前期必须掌握海上风电项目所在地的风资源信息，以此为基准开展适应性分析，为项目配备高性能风机。此项工作中，各项指标应尽可能与风资源特点相匹配，提高风能利用率。我国海上资源禀赋存在显著的南北差异，风机选型时，有关人员需考虑区域差异，完成选型工作。另外，考虑到风机选型受风资源禀赋影响，选型工作开始前，应安排专人实地调研，这些人员需要与当地气象局等积极沟通，整合气象资料、环境数据等，开展风资源评估，结合评估结果计算风电场的风资源禀赋特性参数，将此作为风机选型的重要参考。

1.2 风机性能

风电项目的风机选型为一大关键任务。为选出符合项目要求的风机，相关人员需关注风机性能。市场上的每一风机都有其性能特点，如选择的风机性能不达标，后续投入使用后海上风电系统的运行效率低下、机组故障率较高。叶轮与功率是需要关注的重点性能指标。大叶轮风机的叶片长，扫风面积大，能获取更多的风能资源。同时，风场容量固定的情况下，如风电机组的功率较高，能减少机位数，降低机械采购、安装成本。风机运行具有以下特点：气动效率高的叶片能降低损耗，保障风机的发电效率；高度集成的驱动链系统能形成全新的传力路径，在提高传动效率的同时减少维护保养工作，体现风机的经济性运行特征；成熟的变桨和偏航系统，可自动采集风机运行数据，精准、灵活调整发电机转速、转矩与桨矩角，使风机的叶尖速比、额定功率等符合要求，保持最佳的运行状态；大范围的风切和切出速度下，风机能高效率利用风能资源。

1.3 技术水平

一些风机中采用了先进技术，具有比其他风机更优越的性能。因此，海上风电项目的风机选型中，有关人员也需要关注风机的技术水平。先进技术支持下风机能盐雾、雷暴、积冰、暴风雪等恶劣条件，即使风电场建设区域受热带气旋影响，风机也能免受台风影响。海上风电场需面临复杂和多变的海洋环境，风机材料应具有耐高温、耐腐蚀、耐冲击特点；风机运行过程中，需承受复杂的工作荷载、环境荷载，所选择风机的结构强度应有一定余量；风机运行时间长，其系统应具有自动控制、智能监测功能。

1.4 风机厂商

风机为专业化设备，一般由专业厂家来生产。厂商的生产能力、信誉、生产技术、产品价格、供货周期等也是风机选型中需关注的因素。如海上风电项目所选择的风机制造商无法及时供货，为避免延误工期，必须与其他风机供货商寻求合作，确保厂商能按时、按量供货。风机运行期间因磨损或者操作等出现故障，如无法及时采购到相应型号的配件，或者服务商反应缓慢、维修人员技术水平较低，将影响海上风电机组的正常运行，甚至会产生额外的经济损失。因此，风机选型时有关人员需全面了解市场上的风机厂家，掌握这些厂家的生产水平、信誉、供货能力等，与实力强、信誉佳的风机厂商建立合作关系，使厂商能根据海上风电项目中的风机配置需求，生产出高性能、高质量的风机。

2 海上风电机组选型方案

2.1 工程概况

广西壮族自治区钦州市某海上风电场，项目中心与岸边相距约90km。风电场东西宽约27km、南北长约14km，规划总面积为200km2，场址海域平均水深约33m，总装机容量为1200MW。在前期的现场调研中，相关人员整合了各种资料，发现风电场160m 轮毂高度年平均风速、年平均风功率密度分别为7.55m/s、520W/m2，风电场160m 高度标准空气密度下50 年一遇最大风速为34.88m/s，小于37.5m/s。经一系列分析，本项目所在地的风功率等级为3 级，就海上风电场而言，本项目属于低风速海上风电场，资源条件一般，为保证投资收益，选择优质高效的风电机组尤为重要。

2.2 风电机组选型流程

此项目中为选出高性能风机，相关人员需率先确定风机的安全等级。参考此项目所在地50 年一遇最大风速及国际标准，同时由于本风电场位于广西北部湾海域，时有台风过境，根据台风影响专题研究成果，应选择IEC Ⅰ类加强型以及以上安全等级的抗台风风力发电机组。有关人员在本项目现场开展了风资源禀赋研究，并同步完成了风机适应性分析，依据这些研究及分析结果，能确定市场主流机型、风机容量范围，此后，以不同机型方案来确定风机机位，并布置海缆路由。海上风电场不同于陆地风电场，其环境复杂，为选出合理的风机，相关人员需进一步综合风电场发电量、尾流、涉海面积、海底地形条件、地质条件等因素，组织经济性、技术性对比与评估，选择最优选型方案。

在布置风机时，应从技术可行性、经济合理性角度确定风机位置、相邻风机的间距，以减小尾流对风机运行的干扰，控制风机之间的海缆长度，以减少电能消耗，降低施工成本。

2.3 风电机组选型方案

结合本项目现场的风资源情况，测风塔高度主风向、风能主要集中在NNE 扇区。风场风向、风能资源集中，此情况下，为遵循相应规范布置风机，需将风机布置在主导风向分布区间的中间位置，但需控制不同风机之间的距离。因为此项目属于低风速海上风电场，风能资源条件一般，为提高发电量，应配备高效率风机。上述规划工作后，考虑到风机厂家的供货能力，机组先进性、经济性等因素，最终本项目的单机容量为8500 ～14000kW。

双馈发电机组的体积小、质量轻、成本低、可调速区间大，很多海上风电项目中均采用的是这一风电机组。即使如此，双馈发电机组在运行使用过程中也存在问题，如齿轮箱易出现磨损、断齿、漏油等问题，且传动效率偏低，可靠性不足，维护难度大且工作量大。直驱型永磁机组的功率大、效率高、可靠性好、维护工作量小、低电压穿透能力好，但此类风机也存在体积庞大、重量大、造价高等缺点。半直驱风电机组融合了双馈与直驱机组的优势。海上风电场的运输及安装条件也是影响风机选型的重要因素。相对而言，海上风机运输、安装船舶的施工能力较强，风机吊装与运输的便捷性较高，但海上风机的维护困难，成本较高。针对大兆瓦风电机组，可优先采用直驱、半直驱类型风机，这两种风机均符合本项目现场条件。

结合本海上风电项目，主要选择了直驱/半直驱型发电机，相关参数如表1 所示。

表1 风机机组参数

2.4 风机选型注意事项

2.4.1 建立专业化工作团队

海上风电项目的风机选型是一项专业性工作，参与此项工作中的人员必须储备大量的专业知识，且具有丰富的工作经验，能在选型时收集大量的资料，并展开一系列计算与分析。因此，项目负责人应将风机选型交由专业人员来负责，从项目团队中调取不同专业的人才，由这些人才组建临时性工作团队，并对这些人才开展岗前培训，引导他们掌握风机选型的大量知识，使后续该团队在工作时发挥每个成员的专业优势。另外，该工作团队在选型时也需要积极与其他工作团队、部门沟通，分享各自在风机选型方面的建议，从相互交流中调整选型方案。

2.4.2 建立完善的工作制度

风机选型时，需多个部门、岗位人员参与到其中，为保障工作效果，企业需针对海上风电项目的风机选型要求，结合行业规范制定完善的工作制度，在此制度中应包含风机选型工作流程、部门间与岗位间的沟通与协调方式、责任划分等。正式开始项目选型时，有关部门需在企业内分岗位、分专业组织培训活动，向每个人员传授风机选型的更多知识，使他们了解选型规范。当然，制度体系中也应该包含责任机制，清晰划分各部门、岗位人员在风机选型方面的责任，各部门、岗位人员在实际的工作中应切实履行其职责。一旦风机选型过程中出现问题，相关部门应立即定责、追责，追究人员责任，给予一定的惩罚。

2.4.3 应用先进技术

当前，我国进入了信息时代，风机选型方面也需要积极利用信息技术，由计算机系统完成自动选型。传统的风机选型工作大部分需要人工完成，人工工作量大，不仅需整合已有的信息，还需要筛选数据、完成计算，极易出现计算错误等情况，影响选型工作。通过建立计算机系统，相关人员直接将已有信息录入系统，可直接由系统自动对比，得到最优的选型结果。