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“一体化”即将两个或两个以上的互不相同、互不协调的事项,采取适当的方式、方法或措施,将其有机地融合为一个整体,形成协同效力,以实现组织策划目标的一项措施[1]。一体化理念通过不同模块的融合,能够大大降低成本、提高效率,在经济、政治、环境、城市建设、电力等多个领域得到了广泛应用。特别是世界能源危机及因此导致的环境问题日益严峻,海上风电作为重要的解决方案之一,得到了全球范围内的大力推广,中国政府2014年6月出台海上风电上网电价政策也表明了其大力推广的决心,但由于海上风电发展涉及资源评估、基础设计、风机设计、海上作业等多个复杂模块,建设成本居高不下,严重阻碍其发展,“一体化设计”理念的引入有望大大降低海上风电建设成本,加快推动海上风电健康发展。
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欧洲是海上风电发展最快的地区,2013年欧洲海上风电新增装机容量15.67 GW,同比增长34%,累计装机容量为6.562 GW,提供欧洲0.7%的电力消费。但海上风电的成本过高阻碍了海上风电的发展,为此DNV GL集团公司提出了“Project Force”理念,即通过一体化设计降低海上风电成本,针对海上风电基础及风电机组整体设计、优化叶片、放宽概率约束、增强控制策略四个方面突破成本瓶颈,实现成本的降低,为一体化设计应用于海上风电领域提供了重要指导和参考。
2007年11月,我国第一个海上风力发电示范项目在渤海绥中SZ 3621油田建成发电,这标志着我国海上风力发电探索取得实质性突破[7]。2010年10月1日,中国第一个真正意义上的海上风电项目上海东海大桥100 MW海上风电场项目正式投入运营,但截至2014年8月,全国已投产的海上风电装机仅400多兆瓦,与国家“十二五”海上风电5 GW相差甚远,发展较预期缓慢。
针对海上风电场,一体化设计作为一个全新的理念,旨在通过对海上风电场几大板块的各个组成部分进行有机融合,协同合作,优化整体设计和方案,降低成本,实现效益最大化,推动海上风电行业健康、快速发展,不仅可以应用在风机基础与风电机组的一体化设计,还可以应用在海上风电项目前期核准的一体化应用设想、海上风电场自然条件与风机选型的一体化设计、海上风电项目施工期的一体化管理模式、海上风电场运营一体化信息平台设计等方面,达到降本增效的目的。同时可在海上风电发展初期,避免陆地风电大规模快速发展造成的诸多弊端和损失。
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2010年3月国家能源局组织了第一批海上风电场四个项目的特许权招标,分别位于江苏省盐城市的滨海(300 MW)、射阳(300 MW)、大丰(200 MW)和东台(200 MW),总装机容量达1 GW。但由于前期核准涉及海域使用、通航安全、海缆路由、海洋环评、军事等十多个支持性文件,如图1所示。牵扯到国土、海洋、渔业、部队等多个部门,手续繁琐、程序复杂,特别是部门之间信息独立、各自为政,存在多次返工,大大增加了项目前期成本和拉长了项目审核时间。直到2013年7月,滨海、大丰、东台项目历时3年才取得了核准,结束了这场审核马拉松,而射阳项目由于规划与军事冲突,导致场址较大变更,未能核准。
为此,引入项目前期核准一体化有望大幅降低项目前期成本,缩短核准时间。但这需要涉及核准的政府各部门做到一体化统筹考虑,即信息内部共享,互相协作,在保证项目本身规划合理性的前提下,避免重复劳动,优化审批流程,提高项目审批效率。
江苏省作为国家千万千瓦级风电基地之一,一直致力于推动国家风电事业的快速发展,截止至2014年上半年,江苏省累计并网容量2.786 7 GW,特别是江苏省具有强大的电网结构、延伸百里的浅海大陆架,是国家最重要的海上风电发展基地,为了推动江苏省内海上风电的健康发展,政府在海上风电接网问题意识到了一体化的重要性,今年江苏省提出了建设海上电网的思路,即海上风电场升压路由一体化设计,指在某海域同时涉及多家开发商的海上风电场,容量达到了一定规模,则各开发商组成海上接网联盟,成立合资公司共同建设一个大型的海上升压站,供该区域各海上风电场接入使用。可以说这是海上风电电网规划和风场规划及开发商与一体化的有机结合,既可有效降低接入成本,又可节省海洋资源,优化了资源配置。
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海上风电场的效益除了造价外,风电场的电能产出(即发电量),也起着决定性的作用,而海上风电场的发电量有两个主要影响因素:场区风能资源和风电机组的选型。
风能指的是作水平方向流动的空气所具有的动能[8],而风机由风能转换后得到的发电功率的公式表达为:
((1)) 式中:ρ表示该区域空气密度;A表示空气通过的面积(即风轮扫略面积);v表示空气流过的速度(即风速);Cp表示风能利用系数;η为风电机组的转换效率。
由此可分析得到,风电机组的产能跟ρ、A 、v、Cp、η有着直接的关系,其中ρ、v是由风场自然条件所决定,A、Cp、η则是由风电机组自身的设计参数和控制策略决定的。自然条件与风电机组又是相互制约的,例如,风电机组扫略面积在尽量满足更大的捕获风能的同时,还需要考虑抗极端风速的能力、自身载荷承受能力等,特别是在海上这一恶劣的自然条件之下,还需要考虑风电机组自身风浪冲击、盐雾腐蚀以及周边适合风电机组储存、运输的码头条件等。因此,只有将风电机组发电效率、抗风、抗浪、运输要求等特性与风场风能资源、海洋水文、地理等自然条件统一考虑设计,才能比选出效益最好的风电机组机型。
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由DNV GL集团公司提出的“Project Force”一体化设计降低海上风电成本的理念,主要包括四个方面内容,即整体设计、增强控制策略、优化叶片、放宽频率约束,通过行业联合项目(JIP)方式的运作模式,有望实现10%的成本降低。
(1)整体设计。对从桩头到叶尖的整体系统进行全面耦合的数值建模,侧重于在风机的制造和基础的支撑之间有一个更好的衔接,包括同时作用的风载荷浪载、风切变对风机导管架架构型式不稳定情况的影响分析、阻尼效应分析等,同时也能对其他三项内容所降低的成本进行确定和量化。
(2)增强控制策略。改善的控制系统包括用于降低支撑结构扭转疲劳载荷的独自变桨控制,更加轻型、便宜的导管架,以及可减小推力、降低支撑结构成本的机舱激光雷达等。
(3)优化叶片。在不考虑蝶音影响的情况下,通过改变叶片的外形或平面图造型,可使能量输出最大化并降低载荷,降低传动链额定扭矩,减少重量及成本。
(4)放宽频率约束。所有结构均有固有频率共振频率,与其他频率相比,在这些频率下,结构对激励晌应更显著。风电机组结构的载荷交变主要与风轮叶片的转速相关,传统限制共振振幅方法是一种达成共振振幅最小的简单有效方法,但这种设计方法要求导管架结构设计偏向较低固有频率,导致底部跨度小,而组件管壁比较厚,重量较高。如果放宽设计频率约束再次建模分析可使用更高刚度的导管架结构设计,其具有更高固有频率(几乎接近凤轮转动频率的整数倍),可以大幅节省钢材用料,利于整体成本的降低。
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海上风电场的施工包括风机基础制造、基础施工、风机安装、升压站设计与安装、电缆敷设等,各个板块都需要较长的时间,且相互制约,涉及基础制造时间、运输距离及船型选择、海上作业环境、风机吊装方式选择及施工时间、电缆敷设时间、接入系统规划建设时间等,任何一个环节出现问题,都会影响到整个风场的建设时间和施工成本。以海上风电运输与安装为例,由于海上风机安装具有重心高、部件多、机位多的特点,成为海上风电场建设过程中风险最大的环节[9],海上风电场的离岸距离、风场地质水文条件、风机大小重量、大型船机设备的选择、安装方式的选择等因素直接影响到施工成本和进度,除了此板块内各环节一体化合理组织设计外,还需要与整体风场其他环节施工进度安排等进行全面的一体化耦合设计,才能提高效率,降低风险。
因此,整个风场建设期一体化施工组织设计很有必要,将各个环节融合起来,一体化组织设计和管理,做到无缝衔接,设计出最优施工方案和最短施工时间,并以此制定出行之有效的应对方案和不可预见问题的应急措施。
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海上风电场一般生命周期设计为30年,加之风场维护难度大成本高,运营成本的降低对项目的收益至关重要。目前,以陆地风场为例,风场的全生命周期运营由开发商负责,而风机等大部件的维护实行质保期模式,即质保期内为设备厂家维护,过了质保期则由开发商接管,在实际运作过程中,两者只是履行一个运营人员发现故障并提出维护指令、维护人员解决故障的过程,相互关联却又互相独立,待质保期过后,设备专业维护团队撤出,开发商第一时间难以排查出故障,手足无措,既造成了设备更大的损坏又影响了发电量。
究其原因,各运营环节信息仅简单关联,互不渗透且响应缓慢。构建海上风电场运营一体化信息平台设计方案与大数据技术相结合,构建一体化大数据信息平台设计,有望很好地解决这一问题,降低整体运维成本。首先,构建一体化信息实时共享平台,使风电场对风机运行、基础、海缆、升压站等所有监测信息、风电场与电网指令信息、风电场内气象水文实时信息等做到各部门内信息共享,缩减信息传递时间,提高信息响应速度;其次,构建一体化信息分析平台,根据搜集到的准确数据进行统计分析,故障点的频率统计及与气象条件等因素的变化规律、风电场各风机发电效率分析、功率预测分析、维护成本统计等,由表面至深层地掌握风场运行情况,通过优化运维次数、规模等,在保障最低故障率的同时,最大程度降低运营维护成本;最后,构建一体化故障查询平台,从运营期开始每一个发生的故障情况,包括故障排查、故障确认、故障处理方法及步骤、故障设备厂家信息等详细的图文资料汇总成库,就好比风场的病历一样,只要是发生过的问题都可以快速做出正确响应,同时提高整个风场的运维人员水平,即使更换了维护队伍,也能够保证新的维护队伍在最短时间内了解风场运维情况,快速融入其中,缩短故障处理响应时间,保证设备可利用率和发电量。
海上风电场全生命周期所有环节的信息,构成一个完整的海上风电场一体化大数据库,在保证整个风场资料信息的全面性、安全性的同时,做到信息的最优利用。