海上风电技术的发展与现状

发布日期：2024-01-2322    已浏览 作者: 行业动态

 

	  爱问共享资料海上风电技术的发展与现状文档免费下载，数万用户每天上传大量最新资料，数量累计超一个亿 ，海上风电技术的发展与现状姚兴佳隋红霞刘颖明王晓东沈阳工业大学风能技术研究所沈阳110023摘要随着风电技术的加快速度进行发展海上风电已变成全球可再次生产的能源发展的关注点从海上风电的发展历史现状远景基础结构及风电机组的吊装方面叙述了目前海上风电的吊装方式近海风电场址选择时需考虑的一些因素及海上测风设备的选用等问题还介绍了国外主要国家的海上风电发展规划可为我国海上风电场的发展和建设提供借鉴关键词海上风电风力发电机组基础结构吊装方法中图分类号TK8文献标识码A1引言风力发电是近年来世界各国普遍关注的可再次生产的能源开发项目之一发展速度很快...


	  海上风电技术的发展与现状姚兴佳隋红霞刘颖明王晓东沈阳工业大学风能技术研究所沈阳110023摘要随着风电技术的加快速度进行发展海上风电已变成全球可再次生产的能源发展的关注点从海上风电的发展历史现状远景基础结构及风电机组的吊装方面叙述了目前海上风电的吊装方式近海风电场址选择时需考虑的一些因素及海上测风设备的选用等问题还介绍了国外主要国家的海上风电发展规划可为我国海上风电场的发展和建设提供借鉴关键词海上风电风力发电机组基础结构吊装方法中图分类号TK8文献标识码A1引言风力发电是近年来世界各国普遍关注的可再次生产的能源开发项目之一发展速度很快19972004年全球风电装机容量年均增长率达261目前全球风电装机容量已达5000万kW左右相当于47座标准核电站[1]随着风电技术逐渐由陆上延伸到海上海上风力发电慢慢的变成了世界可再次生产的能源发展领域的焦点2发展海上风电的优点海上风况优于陆地风流过粗糙的地表或障碍物时风速的大小和方向都会变化而海面粗糙度小离岸10km的海上风速通常比沿岸陆上高约25[2]海上风湍流强度小具有稳定的主导风向机组承受的疲劳负荷较低使得风机寿命更长风切变小因而塔架可以较低在海上开发利用风能受噪声景观鸟类电磁波干扰等问题的限制较少海上风电场不涉及土地征用等问题对于人口比较集中陆地面积相对较小濒临海洋的国家或地区较适合发展海上风电海上风能的开发利用不会造成大气污染和产生任何有害于人体健康的物质可减少温室效应气体的排放环保价值可观3海上风力发电机组的发展1第一阶段500～600kW级样机研制早在20世纪70年代初一些欧洲国家就提出了利用海上风能发电的想法19911997年丹麦荷兰和瑞典完成了样机的试制通过对样机的试验首次获得了海上风力发电机组的工作经验但从经济观点来看500～600kW级的风力发电机组和项目规模都显得太小了因此丹麦荷兰等欧洲国家随之开展了新的研究和发展计划有关部门也开始重新以严肃的态度对待海上风电场的建设工作2第二阶段第一代兆瓦级海上商业用风力发电机组的开发2002年5个新的海上风电场的建设功率为15～2MW的风力发电机组向公共电网输送电力开始了海上风力发电机组发展的新阶段在20022003年按照第一次大规模风电场建设规划将有160MW总装机功率的海上风力发电机组投入到正常的使用中这些转子直径在80m以上的第一代商业用海上风力发电机组为适应在海上使用的要求在陆地风力发电机组基础上进行多次改型例如配备了可进行就地维修的船用工具电站机器间具备防腐蚀和耐气候变化功能等3第三阶段第二代数兆瓦级陆地和海上风力发电机组的应用MW级风力发电机组的应用体现了风力发电机组向大型化发展的方向这种趋势在德国市场上表现得尤为明显新一代风机的功率为3～5MW风轮直径为90～115m目前它们已基本成型并投入到正常的使用中第一台在陆地上使用的样机于2002年试制成功这种风力发电机组能更加进一步发展为分别在陆地和海上使用的3种型式的产品由于在产品设计阶段就预先考虑到了在海上使用的特别的条件这一代风力发电机组的质量达到了新的水平由GE风能公司开发的36MW海上风力发电机组的风轮直径为100m在上述产品基础上GE风能公司还生产一种1112007年第2期上海电力海上风电场32MW的在陆地使用的风力发电产品其风轮直径为104m开发这些新产品时在保证其较高的可靠性方面在没有大型水上起重机条件下保证大型零部件的可更换性方面和在保证达到较长免维修期等方面吸取了第一代海上风力发电机组的安装经验2002年10月初适合陆地使用的样机在西班牙投入运行现在一些生产厂商试图由MW级的风力发电装备直接向5MW级跳跃或是先经过3MW级的过渡究竟哪种路线在经济上切实可行或者更有意义要经过一段时间来证明4第四阶段第三代数兆瓦级风力发电机组的开发利用这一代商业用海上风力发电机组的功率大于5MW风轮直径约120m这种风力发电机组适用于海上使用目前已经具备海上风力发电设备商业生产能力的厂家主要有Vestas丹麦Bonus丹麦NEG2Micon丹麦GEWindEnergy美国Nordex德国Enercon德国REpower德国[3]单机额定功率覆盖范围从2MW23MW36MW42MW45MW5MW叶轮直径从80m8514m100m110m114m116m到126m参见表1风力发电机组大型化巨型化的趋势已十分明显表1海上风力发电机技术参数生产商风电机组型号额定功率MW叶轮直径m叶轮转速r·min-1叶片数功率调节Vestas丹麦V90220MWOffshore2080可变速9～193变桨距Bonus丹麦Bonus36MW36107可变速5～133变桨距NEG2Micon丹麦N


	  EG2Micon722072同步转速12183主动失速GEWindEnergy美国GE36MW36104可变速85～1533变桨距Nordex德国N80225MWOffshore2580可变速109～1913变桨距Enercon德国E211245114可变速8～133变桨距REpower德国REpower5M50126可变速69～1213电动变桨距4海上风力发电现状截至2006年8月份全球已建成的海上风电场共有21座[4]分别位于丹麦英国爱尔兰瑞典荷兰和德国表2展示了全球近海风电场的装机容量总装机容量已达79812MW[5]其中丹麦的Nysted海上风电场1656MW和Horn2sRev海上风电场160MW是迄今为止总装机容量最大的两座海上风电场2006年完成建设的海上风电场有两座全部在英国Beatrice和Bar2row总装机容量为100MW表2全球近海风电场的装机容量2006年8月国家项目名称年度机型台数容量MW国家MW丹麦Vindeby1991Bonus2450kW11495TunoKnob1995VestasV392500kW1050Middelgrunder2000Bonus22MW20400HornsRev2002VestasV80220MW801600Sams2003Bonus223MW10230Nysted2003Bonus223MW721656Fredrickshavn2004Bonus223MWVestasV90230MWNordexN90230MW411340919英国Blyth2000VestasV66220MW240NorthHoyle2003VestasV80220MW30600ScrobySands2004VestasV80220MW30600KentishFlat2005VestasV90230MW30900Barrow2006VestasV90230MW30900Beatrice2006REpower5MW210031410爱尔兰ArklowBank2003GEWind36MW7252252瑞典Bockstigen1997WindWorld550kW5275Utgrunden2000ENRON15MW7105YttreStengrund2001NEGMicon2MW51002313荷兰Lely1994NedWind500kW4205Dronten1996Nordtank600kW281681818德国Wilhelmshaven2004EnerconE112145Breitling2004NordexN8012570目前所有的近海风电场都在欧洲从海上风电机组的发展阶段能够准确的看出20世纪90年代是小型近海风电场的研究示范阶段2002年丹麦HornsRev项目的运行具有里程碑的意义是欧洲开始步入大规模开发近海风电的开端丹麦处于全球领头羊装机容量超过400MW英国是后起之秀装机容量超过300MW欧洲近海风电场的地理分布图如图1所示图1中的项目名称和装机容量可参见表25近海风电场址的选择近海风电场址的选择是一项很复杂的工作如果有些因素考虑不足很可能最后导致项211海上风电场上海电力2007年第2期图1欧洲近海风电场地理分布目的失败或延期在项目初期阶段大量收集场址附近的相关信息有助于做出正确决策近海风电选址需要仔细考虑的重要的因素如下1可否获得项目建设所需的所有审批许可2可否获得场址海域的使用权3附近电网的基本情况陆地变电站位置电压等级可接入的最大容量以及电网规划等4场址基本情况范围水深风能资源以及海底的地质条件5环境制约因素是否对当地旅游业水中生物鸟类航道渔业和海防等造成负面影响6海上测风虽然通过海上场址附近的气象站石油钻井平台卫星以及船只的观测资料可以对风能资源进行初步评价但是这些资料的不确定性太大很难用于准确估算项目的发电量为此与陆地项目一样近海风电项目也有必要进行实地测风工作通常在场址安装测风塔或浮标测风设备海上测风塔的实例照片如图2所示目前欧洲至少安装了15座海上测风塔大多采用单桩基础一般高50～80m由于测风塔成本高有些场址则采用浮标测风设备高度在10m左右但是相对来说浮标测风设备的不确定性大当然浮标测风设备和测风塔也能结合使用为减少风险可以在项目初期安装浮标测风设备待项目成熟后安装测风塔通过浮标所图2海上测风塔测的长期数据与测风塔所测的短期数据之间的相关性分析可以大幅度减少风能资源评估的不确定性另外未来可能会应用超声波雷达测风仪和激光雷达测风仪等先进设备做海上测风这些设备的优点是可以在低平面流动的平台上进行高空风能资源的测量7


	  现场勘测现场勘测可以为基础设计和环境影响评价提供第一手资料有助于详细分析项目技术和经济的可行性最重要的包含如下几个维度的内容1采用声纳计全面测量场址和拟定送出电缆路线等区域的水深绘制水深地图等为微观选址和送出路线收集场址各处的海底表层土壤数据3选择若干有代表性的地点进行海底钻孔勘查一般钻探深度为20～40m全方面了解海底的地质情况4现场测量波浪潮汐和海流等数据用于3112007年第2期上海电力海上风电场计算基础等水下建筑物的水动力学载荷8海上风电机组的基础结构风力发电机组的安装和维护成本是阻碍海上风电事业的一个潜在的重要的因素对于陆上风电场这一成本仅占总成本的14而海上风电场增至34要解决这一难题就必须在设计阶段通过提高机组的可靠性易安装和易操作性来降低相应的成本其中关键的部分是基础结构的成本目前较为常用的方案是单桩固定式Monopiles还有别的几种基础结构也在研究中81单桩固定式单桩固定式基础的结构如图3所示现已慢慢的变成为风电机组安装的一种标准方案并已经在许多大型海上风电场中采用如HornsRevSamsoUtgrundenArklowBankScrobySands和KentishFlats这种基础结构非常适合于20～25m的中浅水域目前一般会用的直径为4m未来可能达到5～6m此方案的最大的优点在图3单桩固定结构于它的简易性利用打桩钻孔或喷冲的方法将桩基安装在海底泥面以下一定的深度通过调整片或护套来补偿打桩过程中的微小倾斜以保证基础的平正它的弊端在于海床较为坚硬时钻孔的成本比较高82三角架固定式三角架固定结构图4三角架固定结构如图4所示此方案适用于水深超过30m的条件较单桩固定式更为坚固和多用但其制作成本比较高移动性较差与单桩固定式一样不适宜较软的海床83重力基础固定式重力基础固定结构如图5所示这是海上风电场采用的首选基础结构主要是靠体积非常庞大的混凝土块的重量来固定风机的位置这种方案使用起来更便捷而且适用于各种海床土质但是由于它重量图5重力基础固定结构大搬运的费用较高84钢制管状固定式钢制管状固定结构如图6所示与混凝土重力固定式一样是靠自身重力固定风机位置的但钢制管状的重量仅有80～110t从图6钢制管状固定结构而使安装和运输更为简单当把钢制基座固定之后向其内部填充重矿石以增加重量约1000t虽然此方案也适用于所有海床土质但其抗腐蚀性较差需要长期保护85负压桶式基础负压桶式结构如图7所示这种基础是将其放置在海床上之后抽空内部的海水靠周围海水所产生压力图7负压桶式基础结构将其固定在海床上此种基础非常大地节省了钢材用量和海上施工时间降低了生产运输和安装成本同时拆除基础也很方便86浮置式基础浮置式基础结构图8浮置式基础结构如图8所示浮置式基础适用于50～100m的水深其成本较低且能扩展现有海上风电场的范围但是由于其不稳定意味着仅能应用于海浪较低的情况此外齿轮箱和发电机这些旋转机械长期工作在加速度较大的环境下从而潜在地增大了风险并降低了常规使用的寿命9海上风电机组吊装方法411海上风电场上海电力2007年第2期离岸风机的安装相对于岸上安装难度颇高可通过自升式驳船或者浮吊船完成其中的选择取决于海水深度起吊机的能力和驳船的载重量起吊机应具备提升风机主要部件塔架机舱叶轮等的能力其吊钩提升高度应大于机舱的尺寸确保塔架和风机装配件的安装现有的浮吊船大多不是特意为海上风电场的风机安装而设计制造的对于大型海上风电场机组超过50台利用安装驳船来控制建设周期即控制成本完成建设任务1自升式安装以自升式吊装塔架机舱和叶轮是最先出现的海上风电场吊装方法自升式可为安装工作提供一个稳定的基座也是打桩工程的首选然而其缺乏内在稳定性和机动性使塔架的安装较为困难2半沉式安装对于执行海上施工半沉式起吊船是漂浮平台中最稳定的一种现有的驳船设计仅适用于较远的海上作业而在浅滩地区较难发挥作用3载运船平底驳船地面起吊机载运船和平底驳船在施工作业中的稳定性不够理想较易受天气状况的影响而地面起吊机只要天气良好便可显示出其旋转起吊机和费用低廉这两项优势图9A2SEA吊装船图10五月花决意号吊装船4漂浮式安装所谓漂浮式安装就是先将塔架在码头上垂直吊起再将其下放至待安装的模拟桩基上用钉子固定然后垂直安置于驳船上准备运送等到涨潮时排放压舱水使塔架与模拟桩基分开一旦抵达安全水深驳船即引入压舱水作牵引之用到达安装现场后驳船再次排放压舱水安全固定于海上风电场的桩基上然后再次引入压舱水使驳船下沉在桩基上调转塔架的支撑件最后撤出驳船完成图11跳爆竹号吊装船海上安装工作现在常见的吊装船有早期的改装船如图9所示的A2S


	  EA改装船以及目前所建造的几艘近海风电专用吊装船只如图10所示的五月花决意号吊装船和图11所示的跳爆竹号吊装船五月花决意号吊装船是世界上首艘海上风电机组吊装船该船有6条可伸缩的支架作业水深可以超过35m还能够适用于基础安装无需其它船只的协助一次可以装载10台风电机组到达指定地点跳爆竹号属于自升式驳船起重容量高达1200t有4条可伸缩的支架适用于基础安装和风电机组吊装10海上输电系统近海风电场电气接线和接入系统方式与陆地风电场差别不大在HornsRev风电场风电机组排布为10排每排为8台风电机组共80台每相邻两排风电机组串联在一起形成一组每组16台风电机组总共5个独立组每组与变电站36kV150kV相连接图12为该风电场的电气系统布置图图12HornsRev风电场内部的电气系统布置在安装时风电场内部以及送出电缆均由敷设船放入海底用水冲海床使用高压喷水然后使电缆埋入海床下1m深处如果海底表面为坚硬岩石可在电缆上铺设石头或砂砾层这样做才能够减少捕鱼工具锚以及海水冲刷对海底电缆造成破坏的风险近海风电场送出工程所用的海底电缆132kV的样品照片如图13所示海上变5112007年第2期上海电力海上风电场图13132kV海底电缆照片电站的基础设计的具体方案与风电机组类似Nysted风电场的升压变电站如图14所示为了适应近海风电场联网的特点目前正在开发一些新技术德国与比利时联合开发了海上风电机组专用的硅树脂冷却变压器其体积小可以容易地通过塔筒的小门维护方便图14Nysted风电场的升压变电站这种变压器具有油变压器的优点如散热效率高非负载损耗低等同时拥有非常良好的防火性能另外密封性好无需特殊外壳就能够在恶劣环境潮湿和盐雾中运行随着近海风电场规模的逐步扩大场址距离陆地的主电网越来越远电力电子技术的加快速度进行发展轻型高压直流输电VSC2HVDC技术慢慢的受到风力发电输电系统尤其是海上输电的青睐更能体现出其成本维护输电质量等方面的优越性11海上风电所呈现的问题海上风电目前处于近海风电场的开发阶段而大型近海风电场的开发还处于起步阶段项目的开发建设和运行过程中出现了一些问题这样一些问题主要体现在以下几个方面111单位投资所需成本高图15近海风电场投资成本的构成近海风电场的基础接入电网和安装等成本都大大高于陆地项目此外在过去的一年里大型风电机组价格持续上涨了20～30因此估计目前近海风电场的平均单位投资所需成本超过2万元kW投资成本的构成如图15所示图中风机基础和电气系统均包含安装费用112建设中的问题首先海底土壤条件很复杂有必要进行更细致的前期工作研究现场勘查的专业化和科学化方法以减少建设风险和减少相关成本天气等客观原因也是海上风场建设需要仔细考虑的主要的因素曾经发生过有时由于没有掌握好潮汐周期有些风电机组地点在正常潮位时水深过浅吊装船无法靠近只能等到涨潮期进行吊装作业在NorthHoyle项目建设时大型吊装船只出现一些明显的异常问题大部分的吊装任务只能由小型船只完成由此造成工程延误第一台风电机组试运行推迟至2003年11月21日而此时正是一年中该海域天气最恶劣的时期突如其来的暴风雨损坏了安装机械大幅度提升了施工的难度到2003年底30台风电机组中的27成了安装而剩下的3台直至2004年3月中旬才竣工另外HornsRev风电场在建设过程中由于送出电缆损坏不得不更换一段长150m新电缆由此造成了一定的工期延误113运行中的问题目前多数近海风电场运行良好但还是存在一些问题主体问题是设备的故障率远高于陆地项目HornsRev风电场的发电机与变压器出现了大面积的故障根本原因是制造缺陷海水进入这些电气设备最终全部80个风电机组机舱不得不被运回陆地工厂修复损失巨大在Samso风电场变压器和连接电缆出现了问题电缆端部套管和绝缘损坏发生发热冒烟事故另外2004年和2005年相继出现2台变压器的损坏在Nysted风电场风电机组齿轮箱的高速轴承和中间轴承出现损坏原因可能是由于淬火不够齿轮强度不足随着运行时间增长齿间裂缝逐渐扩大并最后导致齿的断裂目前出现过13台齿轮箱的损坏记录极度影响了发电量近海风电场的维护管理难度大HornsRev风电场采用直升飞机参见图16将维护人员运至风电机组机舱上其它风电场均采用工作艇参见图17接送维护人员海上环境气候恶劣天气情况海浪潮汐等因素都会造成维护人没办法达到设备地点这无疑会造成故障得不到及时修复从而增加停机时611海上风电场上海电力2007年第2期间因此在机组设计中应考虑部件的免维护性和配置状态监测系统和做好必要的人性化设计保证维护技术人员的人身安全图16HornsRev风电场维护所用的直升飞机图17近海风电场维护所用的


	  工作艇12国外海上风电发展计划121德国在海上风电场的建设方面德国的规划可谓气势宏伟累计安装容量排名第一根据德国政府2002年公布的战略纲要2006年安装的海上风机容量至少在500MW2010年安装量将增至3000MW2030年的长期目标中包括德国海岸地区专属经济区EEZ和国土外围1913km内安装容量将达到25GW产生70～85TW·h的电力达到1998年电力需求的15[6]由于缺乏合适的场地德国陆上风电场的兴建工作将在今后十多年中减缓从而转向海上风电场的建设目前已经在1913km开外的深水地区以及近海地区建造了海上风电场如Bor2kum和Butendiek风电场2005年12月德国通过了一项400MW的海上风电项目该项目位于北海是德国第10个海上风电项目122丹麦丹麦作为全球风电行业的先驱和领袖拥有全球市场占有率逾13的风机制造商Vestas其2003年风力发电量占全国总发电量的182003年末160MW的Nysted大型海上风电场首期工程宣告竣工同时HornsRev海上风电场扩建工程也排上日程除此以外还有3座大型海上风电场仍在建设中预计到2030年风力发电量将占该国总发电量的50123西班牙GAMESA公司作为西班牙乃至全球知名风机制造商十分注重研发技术与创新从2002年到2004年该公司用于研发活动的投资呈逐年上升的趋势到2004年该投资占销售总收入的34GAMESA公司已在NavarraBasqueMadridAndalusiaCantabria等地成立了数家研发中心其投资战略已获得欧洲投资银行EIB专家的充分肯定正是拥有了GAMESAMADE等一批较有实力的风电机组制造企业才使西班牙在2004年的新装机容量跃居全球首位预计西班牙风电将以平均每年1600MW的上涨的速度快速地发展到2007年将达到13043MW[7]124英国NorthHoyle和ScrobySands两座总装机容量为60MW大型海上风电场均已投入到正常的使用中而在2006年建设的Beatrice和Barrow海上风电场也是当年全球唯一完成建设的海上风电场这使英国的海上风电装机容量大幅度提升此外至少还有9个项目已经通过审批这也代表着英国成为目前全世界最积极的海上风电市场[8]125美国美国海上风电的发展目标首先锁定在浅滩然后发展至深水区域其主要是采用单机容量为5MW以上的风机目前正在研制深水技术在提高技术进步的同时也将注重成本的控制确保海上风电健康发展作为美国首座海上风电场位于美国东北部鳕鱼岬CapeCod的鳕鱼岬海上风电场CapeWind现已建设完毕该风电场由170个变桨距上风向的三叶式风力发电机组成总装机容量达到454MW相应所需的风速在14ms至25ms在平均风速19ms的情况下发电量达15GW[9]此外皇后区西北面的长岛电力局theLongIslandPowerAuthorityLI2PA也提出开发装机容量为140MW海上风电场的计划126加拿大在BritishColumbia省的QueenCharlotte7112007年第2期上海电力海上风电场岛正在兴建一个NaiKum海上风电项目该项目是北美海上风电项目中最大的一项总装机容量达700MW[10]与德国ABBNewVentures工程开发公司合作完成先期阶段的10个风电机组已经于2005年完成安装将近680MW的主体工程计划将在2008年投入运行127其他几个国家近些年欧洲地区的其他几个国家在海上风电事业上也得到了快速地发展荷兰政府目标在2010年总装机容量达到1500MW首批建成2个近海风电场Noordzeewind和Egmond比利时的ZephyrConsortium和C2Power正在ThorntonBank附近进行一项离岸30km的海上风电场瑞典目前有11座海上风电场正在规划中预计到2008年将建成15座海上风电场爱尔兰海上风电场的领路者Arklowbank风电场已达到25MW的装机容量并将扩至500MW同时在爱尔兰的东海岸正在拟定建设另外6座海上风电场总装机容量为1000MW法国由于其沿海地区海浪和潮汐条件恶劣建造海上风电场挑战性较大但其拟建总装机容量将达到778MW[11]13结语从海上风电的发展历史现状远景以及基础结构与安装等方面阐述了目前海上风电的发展状况及安装运行环境存在的问题并介绍了一些海上风电大国在未来几年的发展计划海上丰富的风能资源和当今技术的可行性预示着海上风电场将成为一个快速地发展的市场海上风电设备产业将是一个经济增长点同时也为未来大型海上风电场的建设提供一点借鉴参考文献[1]麦卡特中国发展风力发电大有可为第一情报风力发


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