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深远海风力发电技术的现状和难题(上)

2022-12-20 09:23来源:千尧科技关键词:深远海风电漂浮式风电风电技术收藏点赞

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导读

海上风电由于具有风能稳定、密度大等优点,在世界范围内已逐渐发展成为风力发电的重要形式。在深远海域,风能资源更丰富,风湍流强度与海面粗糙度较近海更小,因此深远海域海上风电技术的研究和开发成为了当今海上风电发展的新趋势,其作为风电技术的制高点,正在成为海上风电产业众多参与方追捧的热点。英国、丹麦、德国等海上风电技术领先国家已纷纷将海上风电的研究方向投向深远海领域。在我国,由于近海海域日益紧张,同时,深远海域风电场的建设和运行对于海洋、渔业、军事、海事通航以及城市居民等利益相关方的不利影响相对更小,长远来看,海上风力发电从潮间带和近海走向深海远岸将是必然趋势。

深远海风力发电发展现状

1国际发展现状

近年来,随着全球海上风电逐步向深海、远海进发,浮式海上风电技术作为新一代海上风电技术,获得了业内的广泛关注。在深远海风电开发方面欧洲仍处于领先地位,英国、德国等海上风电大国均积极发展和布局深远海项目。根据相关预测,2025年欧洲远海风电(离岸距离大于70千米)装机将达到1000万千瓦。从欧洲的开发经验来看,深远海风电发展呈现设备大型化、风场规模化的趋势,多种类型的漂浮式风场也逐步进入商业运行示范阶段。

2017年,全球首座商业化运行的苏格兰Hywind浮式海上风电场正式投用,装机30兆瓦,其平均容量系数甚至高于英国其他海上风电场,这也成为浮式海上风电技术大规模应用的开端。

据初步了解,英国计划到2030年安装40GW海上风电,大力发展浮式海上风电,2020年英国在建水深最深的风场正是浮式项目,水深达67米。英国北海Hornsea Project One项目采用174台西门子歌美飒7兆瓦机组,装机121.8万千瓦,离岸120千米,水深23~37米,首台机组2019年2月并网,该项目为目前世界最大的在建海上风电项目;同一海域Hornsea Project Two项目处于前期阶段,采用165台西门子歌美飒8兆瓦机组,装机132万千瓦,平均离岸距离89千米。

丹麦能源署公布了建立能源岛的计划,能源岛选址需考虑到多方因素,暂未公布确切地址,但据了解将位于日兰半岛以西的北海上,距海岸线80-120公里,每个能源岛海上风电装机容量至少为10GW。据悉,丹麦能源岛项目将于2050年之前建设完成,届时可以支撑180GW容量的海上风电机组。

2021年4月,美国油气巨头雪佛龙宣布正式涉足浮式海上风电领域,与挪威公司进行合作,共同开发10兆瓦浮式海上风电样机,成为加入浮式海上风电研发领域的最新一员。挪威能源企业Equinor、法国油气公司道达尔、西班牙能源企业Iberdrola等欧洲能源公司也相继入局浮式海上风电领域,在多国开启了浮式海上风电项目的示范探索。与此同时,西班牙漂浮式技术公司X1 Wind获得400万欧元资金支持,将其创新的漂浮式设计PivotBuoy推向市场,并希望这项技术能在全球广泛应用。

2国内发展现状

中国海岸线长,可利用海域面积广,海上风力资源储备丰富。风能资源普查结果显示,中国5~25m水深、50m高度海上风电开发潜力约2亿kW,5~50m水深、70m高度海上风电开发潜力约5亿kW。因此,考虑资源潜力、消纳能力以及近海海域用地日益紧张等因素,深远海风电将成为未来海上风电发展的重要方向。

目前,我国主流的海上风电机组安装在近海区域,远海风电产业仍处于起步阶段。与近海风电场相比,深远海风电场的送出通道与并网方式面临更严苛的要求。因此,大容量海上风电远距离送出是深远海风电开发利用亟需解决的技术难题。2016年4月,国家发展改革委、国家能源局联合发布《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》其中明确要求风电技术发展将“深海风能”提上日程。

从长期来看,深远海打开海风想象空间,降本支撑平价时代可持续发展。我国海上风电潜在可供开发的资源接近3000GW,其中50米水深以内的固定式海风资源1400GW,漂浮式海风资源1582GW。截至2021年末,我国海上风电累计装机仅26.4GW,占可供开发资源的比例不到1%,未来还有充足的成长空间。此外,沿海11省市均提出了“十四五”期间海上风电发展计划,11省市“十四五”开工或规划的海风总规模已接近110GW,计划并网容量达到51GW左右;各省海风规划不仅为“十四五”装机提供了保底,也在提前布局“十五五”。我们认为各省并网目标仅是保底量,乐观估计“十四五”海风新增装机70GW以上,同比增加700%+。

从短期来看,前置指标招标规模可观,海上风电即将开启中长期向上周期。截至9月末,2022年公开市场海上风机招标9.4GW;从招标趋势来看,海上风电2022年招标预计达到15GW以上(包含非公开市场&EPC招标),同比增长430%。在目前的招标量指引下,预计2023年海上风电新增装机在12GW左右,同比增速100%+,海上风电即将开启中长期向上周期。此外,海上风电项目一般提前1-2年招标,2024-2025年的海风装机将在2023年开始招标。根据“十四五”装机规划,我们预计2024-2025年装机预计在35GW以上,因此2023年海风招标预计依然维持快速增长。

从规划端来看,目前多地正在积极布局深海海上风电示范项目,例如,2022年9月份上海推出了4.3GW+首批深远海海上风电示范项目;海南万宁漂浮式海上风电1GW试验项目一期工程正在进行可行性研究,该项示范项目一期200MW计划2025年底前建成并网,二期工程800MW计划2027年底前建成并网。另外,从已规划项目离岸距离来看,以广东海风项目为例,阳江青洲一、二、四、五、六、七项目离岸距离已经达到50-70km,汕头南澎一、二、三海风项目离岸距离93.5km,汕头中澎一、二、三海风项目离岸距离95km。随着深远海释放项目的逐步推出,未来海上风电项目平均离岸距离将进一步增加,海上风电建设空间预计进一步打开。

深远海与近海风电装备区别

与近海相比,深海环境更加恶劣,存在着海流、波浪、潮汐、内波等多种水文现象以及腐蚀、冲刷、淘空等长期理化作用,对风机基础、海底电缆、海上平台集成等技术无疑提出了更严苛的要求。然而,与近海风电场相比,深海风电场的建设主要区别和难点更在于机组基础型式和机组安装方式两个方面,因此需要重新评估和考虑。

1机组基础形式

基础是风电机组赖以持续稳定工作的平台,是海上风电场的重要组成部分,对风电项目的运行质量和投资效益影响较大,目前基础的施工和运维费用约占海上风电总投资的15%~25%。

按照基础是否与海床直接接触,可将现有的海上风电基础分为着床式和漂浮式两种结构形式,或称为固基和浮基。

着床式基础与陆上风电类似,着床式基础又包含单桩基础、导管架式基础等,适用于近海区域(水深小于50m的情况),已被大量应用于目前已建成的海上风电场,技术成熟,经验丰富。

漂浮式基础的概念来源于深海油气开发平台,是指塔筒不与海床直接接触,而通过锚索或缆绳将其与海底相连,使风电机组可在某一相对固定区域内自由移动,该类基础目前主要处于研发和示范阶段,但对海洋环境的适应性较强,与着床式基础相比施工难度较小、运维成本低,因此在发展深海风电方面具有良好的应用前景。

漂浮式基础主要包括四种类型,分别是立柱式平台、半潜式平台、张力腿平台和驳船型平台,四种基础的性能和使用场景有所区别,具体情况如表1。

2安装船舶

海上气候恶劣,有效作业时间短,机组安装是整个海上风电场建设过程中施工难度最高和风险最大的环节,直接决定了整个项目的成败。

机组安装技术包括安装平台和安装方式两个部分。目前大部分海上风电机组的运输、吊装、维修主要依托于现有的船舶平台进行。随着离岸距离越来越远及机组功率越来越大,近年来已陆续出现新建或改装的专业化海上风机吊装平台,主要包括传统起重船(自航非自升)、起重安装船(自升非自航)和自航自升起重船3种类型。

起重船能够配备用于各种水上作业的起重机,可以进行运输和安装作业,受水深限制较小,过浅水区需要考虑吃水线,其他区域不需要考虑。自升非自航风电安装船,一般配备4~8个桩腿,在施工现场将桩腿插入海底以固定平台,通过配备的液压升降装置调整安装船船体,再利用配备的起重机进行风机的安装;没有自航能力,只能依靠拖船拖,机动性差,效率较低,但其甲板宽阔,便于装载风机,作业稳定性较强,目前应用较为广泛。自航自升船既可在海上自由航行,又可在目标区域自由升降,具备一定的航速和操纵灵活性,可以一次性运载更多风机,进行安装和移位时速度较快,工作效率高,是运输和安装海上风电机组的理想船型,英国2004年开发的世界上第一艘专门用于安装海上风机“五月花”号就是这种船型。

3安装方式

海上风电机组的安装主要包括两种方式:分体安装和整体安装。分体安装是指在目标海域按照基础→塔筒→机舱→叶片的顺序依次将机组的各主要部件装配成一个整体,这种施工方法与陆上风电场类似,适用于潮间带及近海区域,目前运行的多数风电场均按该方法建造;而整体安装则是在岸边将机组各部件装配成一个整体,竖直放置于运输船运送并安放至目标地点,以减少海况对装配精度的影响,作业费用较低,这种施工方法是近年发展起来的,也已有成功案例。

对适用于深海区域的漂浮式基础风电机组,应根据具体的基础型式选择安装技术。其中,单柱式平台基础的机组应首选整体安装,装配完成后由起重船运送并放置于目标地点;张力腿平台基础的风电机组可在目标地点将基础平台固定后,由自航自升船进行分体安装塔筒、机舱及叶片;而驳船型和半潜式平台基础的风电机组则可在岸边进行整体安装,后由拖船将其整体拖曳至目标地点。

根据以上对风电机组基础型式及机组安装技术的分析,可以发现目前深海风力发电技术已初步具备了技术可行性,将来通过借鉴海洋油气开发及船舶工程经验,其技术成熟度和可行性将进一步提高。

结语

相比于国外深远海风力发电的进展,我们国家起步较晚,但目前国内开发的风电场最远距离也达到了100公里左右,水深达到了50米,这只是固定式技术开发的风电场。从这个统计上来看,我国海上风电的发展已经是进入到了深远海时代。此外,进入深远海领域中,一些技术难题也应运而生,这是我们每一位风电人都要面临的挑战,总之,深远海风电未来的路注定不会是一片坦途,但挑战总是与机遇时刻并存,我们任重而道远。

投稿与新闻线索:陈女士 微信/手机:13693626116 邮箱:chenchen#bjxmail.com(请将#改成@)

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