海上风电塔架结构设计与降本探讨

胡颉

【摘 要】随着“十三五规划”的进入冲刺阶段，我国加大了对清洁能源领域的投资力度，并已成为世界上规模最大，装机容量增速最快的风电的国家。虽然我国取得了举世瞩目的成就。中国近些年以改变能源结构为主要目标，对风力发电行业进行大力支持，经过多年的投入，现其能源结构风电所占比重占全国发电量的5%以上。随着陆上风电的开发进入稳定期，海上风电已表现出改变游戏规则的可再生能源电力的潜质。中国东部的沿海地区，人口稠密，可以快速地建立起吉瓦级的海上风电场，其规模和体量是陆上风场的数倍。加之中国经济分布情况，有利于风电资源在当地进行消纳，使得海上风电可以迅速解决当地的能源需求，从而达到减少能源生产环节碳排放。

【关键词】风能；风力发电；海上风电；大兆瓦风机，风力发电基础塔架；降低成本；

引言

中国的风电企业已经在大兆瓦、大直径风机上有了长足的技术进步，并攻克了海上风电建设所需的必要技术，如大直径打桩船、大吨位吊装船，复杂地址条件下的基础施工，复杂地域的基础设计、基础微观选址等技术难关。但目前制约中国东部沿海发达地区海上风电建设的根本矛盾是当地风资源匮乏和高额的海上建造成本。其直接反应出来的低下的投资收益比浇灭了各大发电企业投资风力发电的热情，加之中国2020年去补贴的目标，风力发电行业将面临更加严峻的考验。

1.我国海上风电产业的发展趋势

随着近些年中国政府对新能源的资本投入和政策倾斜，中国海上风电以较大规模持续发展，《风电发展“十三五”规划》指出到2020年底，风电累计并网装机容量确保达到2.1亿千瓦以上。其中海上风电并网装机容量达到500万千瓦以上，海上风电开工建设规模达到1000万千瓦，风电年发电量确保达到4200亿千瓦时，约占全国总发电量的6%。据测算，“十三五”期间风电建设总投资将达到7000亿元以上。

以广东省为例，《广东省海上风电发展规划（2017—2030年）（修编）》（以下简称《规划》）已获得国家能源局正式批复同意。按照《规划》，到2020年底前广东省要开工建设海上风电装机容量1200万千瓦以上，其中建成投产200万千瓦以上；到2030年底前建成约3000万千瓦。广东省明确提出，“要紧抓住海上风电发展的难得机遇，明确海上风电在广东省能源结构调整中的定位，将大力发展海上风电作为广东省推进能源发展和能源结构调整的重要抓手。

由此可见，中国的海上风电发展将进入一个新的阶段。

2.海上风力发电机组塔架结构介绍

海上风力发电机组塔架结构主要由两部分组成：外部塔架结构和内部塔架结构。而外部塔架结构主要用于塔筒与海上风电基础之间的连接，以及运维相关的事宜，例如应急倉、外部楼梯、外部基础吊机、电气散热器等。内部塔架结构与陆上风力发电机组功能上并无二致，主要服务于塔架电器件，但要求更加严格，尤其是对防腐、湿度、盐雾、散热等方面。

根据目前国内海上风电设计流程，基础设计院负责海上风电基础设计，主机厂负责塔筒设计，双方合同责任分界点为塔筒底法兰与基础顶法兰接触面。但因为塔筒内附件有不少零件，如塔架内爬梯、电缆桥架等需与基础内平台连接，因此，实际操作时，双方设计分界点为基础内平台。

3.海上风力发电机组建设成本面临的问题

3.1 外形尺寸大造成的成本增加

目前海上风电机组已经由2.0MW风机向6.0MW甚至以上建设，通过建设更大MW级风机来平摊单位千瓦时的成本，以达到最优资本回报率，但更大MW的风机意味着更大的风机载荷以及更大的外形尺寸的电器件，例如箱变、变流器等。势必需增加塔筒直径以及增加塔筒壁厚。因此带来了制造成本、运输吊装成本。

3.2 设计及建造要求高造成的成本增加

目前国内大MW级的海上风力发电机组才刚刚起步，本土厂商大部分电器件的设计能力无法达到应对海上高盐雾、高湿度、高腐蚀等恶劣环境的要求，因此绝大部分电器元器件均采购国外品牌，无形中增加了采购成本。又因为这些电器件需内置在相对密封的塔筒内，因此又带来了诸如塔筒散热、电气件信号干扰、安装不便等棘手的问题，又带来了后期维护成本；

3.3 样本少，走弯路造成的设计成本

现今国内风电经过近十年的发展，单台风机功率已经发展到6MW级别，风机运行载荷也比十年前的1.5MW-2.0MW风机高了几倍。在福建兴化湾试验风场的各家主机厂拿出来的风机几乎是国内现有的最高水平，因此国内各主机厂、各设计院的参考样本有且仅有的国内建设的几台样机，国内均缺乏大MW的海上风机设计建设的资料和经验。

3.4 地质、气象等外在因素造成建设成本增加

海上风电机组打桩、沉桩面临的最大问题是海底地质，吊装面临的最大问题是海况，运行面临的最大的问题是台风。

因为中国地理位置的问题，海底海况复杂程度超乎想象。而沿海各省的海底地质均不相同，例如江苏省沿海的地质条件较好，平均水深小于15m，水底走向较为平缓，基础建设成本较低。相反，广东省沿海地质条件较差，粤东和粤西的差距较大，普遍超过30m的水深，水底地质复杂，需增加嵌岩基础数量，基础建设成本比江苏省普遍高出一倍。

加之中国沿海各省缺乏详细的海底海况勘探数据，风场地质情况均需重头开始，没有历史资料可以作证。笔者参与的海上风电项目，业主方仅地质勘探的成本花费就超过3亿元。

风机吊装时，涨退潮、季风、海浪，天气等均对吊装产生影响，施工周期、施工窗口期普遍小于陆地风场。吊装船只的每日花费远远高于陆地车辆吊装，因此吊装成本也居高不下。

4 海上风力发电机组降低成本讨论

4.1外形尺寸增加的成本控制

目前国内塔筒厂能够制造直径7M的塔筒的厂家普遍较多，7.5M直径的塔筒厂家也有不少，因此塔筒设计时需注意对塔筒直径的控制，业主方招标时，应标方增多，可以降低招标价格。选择塔筒厂时，需选择拥有码头并且可以停靠一定吨位运输船的塔筒厂，这样可以减少运输成本和运输周期。

4.2 整体采购，分批设计，降低成本

整体采购可以降低业主采购钢板成本，分批设计可以精准优化不同机位的载荷，从而减少设计盈余，降低制造成本。又通过分批设计，从而达到成熟设计的目的。

笔者主导的广东粤电湛江外罗海上示范项目，其采用单桩基础，塔架高度为85.3m。笔者后续主导的项目，如广东三峡阳江沙扒海上风电项目，同样采用单桩基础，通过优化结构，将其塔架高度降低至82.7m，从而降低单台塔筒重量，又根据不同机位的载荷，单独设计多套图纸，进一步降低整个项目的塔筒造价，为业主方节省数千万元。

4.3 精简设计，整体吊装为主要设计理念

外部塔架结构主要用于塔筒与海上风电基础之间的连接，以及运维相关的事宜，例如应急仓、外部楼梯、外部基础吊机、电气散热器等，因此精简外部塔架结构，有利于减少外部零部件的安装时间，如外部楼梯、外部平台等。

将电器散热器、外部吊机等外置于塔架筒壁上，在陆地上安装好后，随塔筒一并吊装，将进一步减少吊装周期。

结语

本文讨论了海上风力发电机组建造成本遇到的问题以及解决方案，希望本文能给众多风力发电机组的设计者们提供一个降低成本的方向，使得国内海上风力发现机组能够朝着低成本、平电价的方向努力。

参考文献：

[1]王大鹏，许卫士，李鸿运.海上风电导管架结构与桩基灌浆连接施工工艺[J/OL].海洋开发与管理，2018（S1）：88-91.

[2]任秀凤，牛余刚.大型海上风电塔架法兰锻件制造技术[J].金属加工（热加工），2016（11）：41-42.

（作者单位：明阳智慧能源集团股份公司）