摘 要：開發(fā)南方復(fù)雜地形、低風(fēng)速風(fēng)資源已成為我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)未來幾年的一個(gè)重要發(fā)展方向。從過去諸多建成后在運(yùn)行風(fēng)電場來看，由于環(huán)境復(fù)雜，各機(jī)位風(fēng)資源差異較大，部分機(jī)組發(fā)電量偏低已成為諸多風(fēng)電場的共性。本文選取國內(nèi)某復(fù)雜地形風(fēng)電場作為案例，重點(diǎn)開展了運(yùn)行評估的場址條件評估，基于評估結(jié)果進(jìn)行技改方案分析。結(jié)果表明：在機(jī)組原有的安全設(shè)計(jì)條件下直接增加塔架高度，發(fā)電量提升有限且安全風(fēng)險(xiǎn)較高。對發(fā)電量遠(yuǎn)低于前期設(shè)計(jì)的機(jī)組，選取風(fēng)資源較優(yōu)的點(diǎn)位進(jìn)行移機(jī)是一種可行的技術(shù)方案。

前言

隨著我國環(huán)境問題的凸顯，風(fēng)力發(fā)電作為解決環(huán)境問題的有效手段之一，近十年來不斷增長，并已成為我國繼煤電、水電之后的第三大電源。截至2016年底，我國風(fēng)電裝機(jī)已達(dá)10萬余臺(tái)，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到1.69億千瓦。根據(jù)我國風(fēng)電“十三五”規(guī)劃目標(biāo)，到2020年底，風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量確保達(dá)到2.1億千瓦以上，其中海上風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到500萬千瓦以上；風(fēng)電年發(fā)電量確保達(dá)到4200億千瓦時(shí)，約占全國總發(fā)電量的6%。

雖然風(fēng)電成為我國能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，發(fā)展前景廣闊，但近年來，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨諸多問題和挑戰(zhàn)，其中棄風(fēng)限電現(xiàn)象十分嚴(yán)重，已成為制約我國風(fēng)電發(fā)展的重要因素，而徹底解決風(fēng)電消納問題仍需要較長的一段時(shí)間。然后，從全國范圍來看，可利用低風(fēng)速資源面積約占全國風(fēng)能資源區(qū)的68%，主要集中在粵、桂、皖、湘、鄂、贛、川、滇、黔等地，接近電網(wǎng)負(fù)荷的受端地區(qū)，不存在遠(yuǎn)距離送電問題。因此，開發(fā)南方低風(fēng)速、復(fù)雜地形風(fēng)電場已經(jīng)成為未來幾年國內(nèi)風(fēng)電發(fā)展的主流。

從風(fēng)電場開發(fā)來看，其設(shè)計(jì)主要是基于前期2～3年的測風(fēng)塔數(shù)據(jù)，并結(jié)合CFD軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。平均來看，一個(gè)10～20平方公里的風(fēng)電場場區(qū)會(huì)安裝1～2個(gè)測風(fēng)塔，但是復(fù)雜地形條件各異，測風(fēng)塔的代表性大大降低，同時(shí)CFD計(jì)算模型也無法保證計(jì)算的精確性。因此，過去5~6年內(nèi)諸多山地風(fēng)電場項(xiàng)目由于缺乏足夠精細(xì)化的前評估，導(dǎo)致部分機(jī)位年發(fā)電量大大低于可行性研究報(bào)告設(shè)計(jì)。因此，對已建成風(fēng)電場進(jìn)行風(fēng)電場運(yùn)行評估，并進(jìn)行有效技改已成為不少風(fēng)電企業(yè)的必然選擇，同時(shí)對于風(fēng)電場開發(fā)設(shè)計(jì)單位，通過后評估實(shí)現(xiàn)前期設(shè)計(jì)的閉環(huán)已經(jīng)刻不容緩。

1 . 運(yùn)行評估分析

我國南方地區(qū)某風(fēng)電場，海拔在 1400~1600m之間，兩處山脊為南北走向，屬于較典型的復(fù)雜地形風(fēng)電場，同時(shí)也屬于普通高原風(fēng)電場。風(fēng)電場裝有23臺(tái)1.5MW風(fēng)電機(jī)組，機(jī)組葉輪直徑93m，輪轂高度70m，于2015年8月進(jìn)入質(zhì)保期，風(fēng)電場采集的數(shù)據(jù)已大于12個(gè)月，滿足運(yùn)行評估的條件。因此，對風(fēng)電場內(nèi)23臺(tái)機(jī)組年發(fā)電量進(jìn)行評估分析。

為準(zhǔn)確評估風(fēng)電場機(jī)組的產(chǎn)能情況，采用“年等效小時(shí)數(shù)”作為主要評估指標(biāo)。其計(jì)算方法如公式（1）所示。

（1）

其中，AEP——機(jī)組年發(fā)電量，數(shù)據(jù)來源于SCADA統(tǒng)計(jì)，kWh；——機(jī)組容量，kW；——風(fēng)電場年利用小時(shí)，h。

評估結(jié)果顯示，各機(jī)組2016年實(shí)測年等效利用小時(shí)數(shù)與微觀選址計(jì)算的年等效利用小時(shí)數(shù)對比如圖1所示。

圖1 各機(jī)組年等效小時(shí)數(shù)與設(shè)計(jì)值對比結(jié)果

由圖1可知，各機(jī)組的年發(fā)電量與設(shè)計(jì)值存在一定的差異。其中，W-10機(jī)組與設(shè)計(jì)值差異最大，且其年發(fā)電量也為全場最低。因此，在確認(rèn)機(jī)組性能、可靠性都處于正常水平后，擬采用兩種方案進(jìn)行技改：1）塔筒加高；2）轉(zhuǎn)移機(jī)位。

2  .塔筒加高技改分析

2.1 發(fā)電量評估分析

為論證W-10機(jī)組塔筒加高技改的可行性，采用激光雷達(dá)進(jìn)行為期75天的測風(fēng)，測風(fēng)結(jié)果表明該機(jī)位處的風(fēng)切變?yōu)?.15?；谠摍C(jī)位的設(shè)計(jì)年平均風(fēng)速5.22m/s，結(jié)合實(shí)測風(fēng)切變，推算塔筒加高后，不同高度理論年發(fā)電量如表1所示。

分析可知，隨著輪轂高度增高，發(fā)電量隨之增加。當(dāng)輪轂高度增加到75m、80m、90m發(fā)電量分別可增加7.8萬kWh、14.4萬kWh、28萬kWh。綜上可知，由于風(fēng)切指數(shù)較小，即使塔筒增加20米，發(fā)電量提升仍小于1%。

2.2  技術(shù)可行性及經(jīng)濟(jì)性評估

基于W-10機(jī)位不同輪轂高度對應(yīng)的理論發(fā)電量，增高塔筒可以采取以下三種方案：1）直接加高塔筒；2）更換塔筒I段，塔筒的結(jié)構(gòu)分布示意圖如圖2所示；3）更換整個(gè)塔筒。

圖2 塔筒結(jié)構(gòu)示意圖

基于機(jī)組安全余量，通過載荷計(jì)算及強(qiáng)度分析以確定各方案的可行性與合理性。主要分析如下：

1）直接加高塔筒

基于工作量最少原則，確定的第一種方案為：直接在塔筒第I、II節(jié)之間加高5m使塔筒總高度達(dá)75m。

結(jié)合塔架極限載荷數(shù)據(jù)，并依據(jù)DIN 18800標(biāo)準(zhǔn)對塔筒進(jìn)行加載計(jì)算。評估顯示，若直接加高塔筒至75m，塔壁實(shí)際翹曲強(qiáng)度已超出機(jī)組設(shè)計(jì)要求，一部分塔壁的翹曲出現(xiàn)超出安全余量的要求；此外，塔門的極限強(qiáng)度已經(jīng)超出機(jī)組安全運(yùn)行范圍。因此，直接加高塔筒方案不可行。

2）更換塔筒I段

由于無法采用直接加高塔筒的方案進(jìn)行技改，因此確定第二種方案：更換塔筒I段，對原有的塔筒模型進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，由原來的20.5m更換成25.5m，并根據(jù)新的塔筒模型進(jìn)行相關(guān)的載荷計(jì)算、強(qiáng)度分析等。

分析顯示，在保證基礎(chǔ)安全余量的前提下，通過更換塔筒第I節(jié)實(shí)現(xiàn)加高塔筒至75m可行，但塔筒的安全余量有限，若加高至80m或90m均超過了機(jī)組塔筒的及基礎(chǔ)的安全余量。

3）更換整個(gè)塔筒

在直接加高塔筒或更換塔筒某一節(jié)均不可行的情況下，考慮更換整個(gè)塔筒以實(shí)現(xiàn)加高塔筒至80m、90m。若采取此方法，則原有塔架基礎(chǔ)需重新設(shè)計(jì)和更換。

在機(jī)組安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，對機(jī)組加高塔筒技改經(jīng)濟(jì)性估算如表2所示，其中經(jīng)濟(jì)增益按照上網(wǎng)電量0.6元／千瓦時(shí)計(jì)算，經(jīng)濟(jì)投入為基于項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的參考值。

由表2可知，在保證機(jī)組安全余量的前提下，加高塔筒至75m、80m、90m的成本回收期都在12年以上。其中，加高塔筒至80m需更換整個(gè)塔筒及底部基礎(chǔ)，成本投入高，靜態(tài)回收成本時(shí)間已超過機(jī)組20年的設(shè)計(jì)壽命。更換整個(gè)塔筒至90m也已接近機(jī)組安全運(yùn)行年限。此外，由于風(fēng)電場已投產(chǎn)運(yùn)行2年多，按照風(fēng)電機(jī)組20年的壽命期來看，技改的經(jīng)濟(jì)性較差。因此在風(fēng)切變?yōu)?.15的條件下，不建議采用塔筒加高的技改方式以提升機(jī)組產(chǎn)能。

3  機(jī)位轉(zhuǎn)移評估分析

3.1  發(fā)電量評估分析

從理論上來看，加高塔筒高度無法取得較好產(chǎn)能提升。因此考慮采用轉(zhuǎn)移機(jī)位以改善該機(jī)組的產(chǎn)能?；陲L(fēng)電場的實(shí)際情況和選取的備用機(jī)位點(diǎn)（B1、B2），計(jì)劃將W-10機(jī)組移至備用機(jī)位，備選機(jī)位B01、B02所在位置如圖3所示。

圖3 各機(jī)組及備選機(jī)位點(diǎn)示意圖

對兩種方案分別進(jìn)行了產(chǎn)能計(jì)算。根據(jù)前期測量得到的備用機(jī)位點(diǎn)坐標(biāo)信息，采用商用的微觀選址計(jì)算軟件推算備用機(jī)位（B1、B2）的風(fēng)資源，并結(jié)合W-10機(jī)組近幾年的實(shí)際發(fā)電量情況，評估相關(guān)機(jī)位點(diǎn)發(fā)電量如表3所示：

由表3可知，機(jī)組移至備用機(jī)位B01、B02的理論年發(fā)電量較原有機(jī)位可分別增加1852MWh和1420MWh，具有較大的發(fā)電量提升。

3.2  經(jīng)濟(jì)性評估

基于表3各移機(jī)技改方案中各機(jī)位機(jī)組理論產(chǎn)能，核算不同方案所需的靜態(tài)成本投入，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評估。

結(jié)合風(fēng)電場地形、道路和施工條件，在不考慮惡劣天氣無法施工和各種不可抗力的條件下，移機(jī)所需投入成本約為250萬元，主要包括：基礎(chǔ)及基礎(chǔ)環(huán)約50萬元，箱變基礎(chǔ)約50萬元、集電線路按一千米計(jì)算約50萬元，拆機(jī)、運(yùn)輸、人工及吊裝費(fèi)約100萬元。綜上所述，不同移機(jī)方案的收支表如表4所示。

由表4可知，對機(jī)組進(jìn)行移機(jī)的理論回收周期在3年之內(nèi)，即使工程實(shí)踐中存在的不確定性會(huì)帶來額外的經(jīng)濟(jì)投入，移機(jī)方案依然具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

4 . 結(jié)論與建議

本文選取國內(nèi)某復(fù)雜地形風(fēng)電場作為案例，重點(diǎn)開展了運(yùn)行評估的場址條件評估，從提升塔筒高度和機(jī)組移機(jī)角度分別進(jìn)行了技術(shù)論證和經(jīng)濟(jì)性評估。主要結(jié)論如下：

1）風(fēng)電場的實(shí)測風(fēng)切變?yōu)?.15左右，在機(jī)組原有的安全設(shè)計(jì)條件下，若采用直接增加塔筒高度進(jìn)行提效技改，發(fā)電量提升有限且安全風(fēng)險(xiǎn)較高。

2）對發(fā)電量遠(yuǎn)低于前期設(shè)計(jì)的機(jī)組，選取風(fēng)資源較優(yōu)的點(diǎn)位進(jìn)行移機(jī)是一種較為可行的技術(shù)方案。

目前，南方復(fù)雜山地風(fēng)電場的開發(fā)已經(jīng)逐漸成為我國風(fēng)電發(fā)展的一個(gè)主要方向。同時(shí)，隨著我國風(fēng)電的不斷發(fā)展，龐大的風(fēng)電后市場已經(jīng)顯現(xiàn)。不少公司在利益的驅(qū)動(dòng)下不斷鼓吹技改的優(yōu)越性。事實(shí)上，風(fēng)電機(jī)組或風(fēng)電場的技改風(fēng)險(xiǎn)依然存在，風(fēng)電機(jī)組的技改可能會(huì)以機(jī)組壽命的減少為代價(jià)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和CFD仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，微觀選址計(jì)算將越來越精確。但作為工程項(xiàng)目，前期微小的計(jì)算偏差也可能帶來巨大的問題。因此，提高復(fù)雜風(fēng)電場的設(shè)計(jì)能力，保證前期設(shè)計(jì)的精確性是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展的有力保障。對于待開發(fā)的場址，可以增加測風(fēng)塔的數(shù)量，或者對不確定性較高的機(jī)位采用激光雷達(dá)測風(fēng)以提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，降低項(xiàng)目投資風(fēng)險(xiǎn)。

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