大型海上风能开发示范项目及其借鉴作用研究——以上海东海大桥风电场建设为例

杨太华，任浩翰

（1.上海电力学院，上海 200090；2.上海绿色环保能源有限公司，上海 200090）

1 引言

风电是一种清洁可再生的能源，受到各国政府高度重视。上海东海大桥100MW海上风电示范项目是经国家发展和改革委员会核准，由上海市政府规划和建设的我国第一个大型海上风电项目，也是亚洲第一个大型海上风电场项目。该项目位于上海东海大桥东侧1～4km，浦东新区海岸线以南8～13km的上海市海域。风电场平均水深10m，风机高度设计为90m，年平均风速8.4m／s。该风电场由34台单机容量为3MW的风电机组组成，总装机容量102MW，设计年发电量利用小时数2 624h，年上网电量2.67亿kW·h，项目总投资23.65亿元。该项目2006年6月国家发改委同意立项，2010年6月全部34台风机并网发电。2010年10月被联合国开发计划署、联合国环境规划署授予“联合国环境友好型城市示范项目”证书。该项目的建成为我国海上风能开发提供了很好的借鉴。

2 海上风电场的组成

海上风电场是一种由数十台或数百台大中型风电机组在海面上排成阵列组成发电机群与电网并网运行，向用户提供强大电力的发电系统，主要包括分布在场内的各个风力发电机组、陆上中央监控室及场区的建筑物、风力发电机组变电单元、场区集电线路、升压变电站、中央监控通信系统，以及其他防护功能设施。

风力发电机组是将风力转变为电能的核心部分，由叶片、轮毂、主轴、齿轮箱、发电机、调速器和限速装置、对风装置、塔架及其附属部件构成。陆上中央控制室及建筑物是对整个风电场系统进行监控和管理的办公室和设备系统。风力发电机组变单元是由单个风力发电机组与箱式变压器组成。场区集电线路是将单个风力发电机组变单元分组连接的线路，一般采用敷设海底复合电力电缆连接。升压变电站是将场区集电线路输出的电压升压到110kV或220kV的风电场配套变电站。中央监控通讯系统是对风电场整个发电系统与连接电网进行控制和管理的联络、监控及通讯设施。

3 国内外海上风能开发现状

目前，海上风能的开发项目主要集中在欧洲发达国家。其中大型海上风电场主要分布在丹麦、瑞典、英国、荷兰等国。世界上第一个海上风电场于1991年在丹麦建成。直到2009年，全世界共有12个国家建立了海上风电场，其中10个位于欧美，中国和日本有小规模的安装。世界海上风电累计装机容量达2 110MW，较2008年增长48.5%，占到全球风电总装机容量的1.2%。2009年世界海上风电新增装机容量达689MW，其中，最大的近海风电场是Nysted海域建成的装机容量达到165MW的海上风电场。随着海上风电技术的不断完善，海上风电场开始进入规模化发展阶段。

我国拥有绵长的海岸线，海上风能资源丰富。据统计，我国风能资源储量居世界首位，可开发的风能储量约10亿kW，其中陆上风能储量约2.53亿kW（按陆上离地10m高度资料计算），海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW。主要分布在山东、广东、辽宁、江苏和东南沿海地区及其附属岛屿，年平均风速达到6～9m／s，风能是陆上的3倍。2010年6月我国海上风电示范项目及上海市重大工程项目——东海大桥100MW海上风电场建成投入运营，这标志着中国海上风力发电产业稳稳走出了第一步，大型海上风电场建设技术已达到世界先进水平。

4 海上风电场建设技术的创新

海上风电场与陆上风电场建设相比在资源、气候、地质环境等条件方面具有很大的不同，因此，风电场的建设风险、投资成本也不一样，其中，在风电场的选址、升压变电站建设、支撑结构设计与施工、海上风机安装技术，以及并网技术等关键技术方面具有创新。

4.1 海上风电场选址

从国际上风电场建设的经验看，海上风电场选址需要考虑的主要因素有：①通过专业化、科学化的前期调研，得到较精确的初步成本预算；②具有丰富的风能资源，接入电网系统比较方便；③符合当地区域发展规划的要求，风电场建设与城市规划、海事、海洋、军事、航运、渔业及环境生态保护相协调；④具备较好的海面水域、水深和海底地质条件；⑤具备较先进的安装设备和并网技术、好的交通运输和施工安装场地等条件。

上海市位于我国东部沿海，属东亚季风气候盛行地区。风能资源评价表明，上海市近海海域拥有丰富风能资源，具备建设海上风电场的风能资源条件。上海电网是我国大型的城市受端电网，离大型风电场较近。在东海大桥周边范围建设风电场符合上海市海洋功能规划、岸线规划及有关海洋自然环境保护规定；东海大桥海上风电场选址在东海大桥的东侧，离大桥最近约1km，以东侧、北测的海底光缆和管线为控制边界，南侧与浙江海域相邻，中间设立可通行1 000t级船舶的航道，所选区域均避开了航道、港区、海底管（缆）线、锚地、军用区域，以及建（构）筑物；不影响防汛、航空安全；具备大型海上运输船舶相关的安装设备，有利于风机基础施工和风机吊装；前期调研和成本核算表明，该选址技术经济合理，建设方案可行。

4.2 升压变电站

在风电场中，风力发电机组发出的电量需要输送到区域电网中去，才能得到有效利用。为了减少线损，应逐级升压送出。目前国际市场上的风电机组出口电压大部分是0.69kV或0.4kV，因此，要对风电机组配备升压变压器，通过场区集电线路，将电压升到10kV或35kV，再通过电力电缆输送到与风电场配套的海上升压变电站或陆上升压变电站，将输入的电压升高到110kV或220kV，再经高压线路输送到区域电网。升压变电站的建设，国际上有两种方案：一种建设海上变电站，另一种是建设陆上变电站。

上海东海大桥海上风电场各台风机升压变压器采用35kV高压侧电压，通过海底电缆接入浦东临港新城海岸上的升压变电站后送入上海市电网。

4.3 海上风机的支撑结构

海上风机的基础结构按照目前国际上的建设经验，主要有单桩基础、多桩基础、重力式混凝土沉箱、吸力式基础、导管架基础几种类型。

（1）单桩基础。主要安装在海床下10～20m范围，桩径一般为2～4.5m，壁厚为直径的1／100。单桩不需作海底准备，制造简单，但安装时需要专用的设备，施工费用相对较高。

（2）群桩基础。一般桩径较小，为三角桩，通过特殊灌浆或装模与上部结构相连，适合于在深海域建造，缺点是没有成功安装群桩基础的经验。

（3）重力式混凝土沉箱。该类型基础体积较大，靠重力使风机保持垂直。这种结构简单造价低，受海床沙砾影响不大，但体积和重量较大。

（4）吸力式基础。一般分为多桩或单桩吸力式沉箱基础。吸力式沉箱基础适于软粘土及砂性土；单桩吸力式沉箱基础比多桩吸力式沉箱基础的安装费用高。

（5）导管架基础。采用小直径钢管打入，端部填塞或成型连接，适合较深的水域，且覆盖层承载力高，其优点是对打桩设备要求较低，导管架采用工厂加工，整体运输安装；缺点是现场作业时间相对较长。

考虑到有一条深水航道穿越东海大桥风电场，因此风机基础的设计要具有抵抗船舶撞击的能力，结合我国市政桥梁和港口码头建设经验，摒弃了采用单桩、导管架等基础的施工方案，而是提出了高桩混凝土承台基础方案，大大减小了基桩的直径，而且也有类似的混凝土承台施工经验。如果适当控制承台高程，就可以用钢筋混凝土承台抵抗船舶的撞击，而无需另外设置防护桩。该方案虽然施工工序较多，但具有结构刚度大、总造价低、施工风险可控的优点。

4.4 海上风电场风机安装技术

一般来说，风机安装具有分体吊装和整体吊装两种施工方案。风机整体吊装是海上风电场建设的关键，施工难度大，国内还没有先例。整体吊装施工方案就是在陆上将叶片、机舱、轮毂、塔筒组装成一体，装船运至安装现场，在海上进行整体吊装。选择该方案，需要在陆上建立拼装场地和运输码头，在环境较好的陆上完成风机拼装，可大大缩短海上作业时间。对于分体吊装方案而言，与陆上基本相同，技术相对成熟，但海上吊装作业时间比较长，受气候影响较大。通过比较，东海大桥海上风电场最终选择了整体吊装方案，主要是利用其他工程施工遗留下来的沈家湾预制基地，经改造后作为风机陆上拼装基地。并在场地上布置了叶片、轮毂移动平台，在码头上安装了起重机和风机组装塔筒，用改装的半潜驳船作为风机整体运输船。

4.5 风力发电机的并网技术

风电是一种不稳定电源，它随风速的改变而不断变化。越来越多的风电接入电网，会使电网面临一系列的挑战，其中，由此产生的电网故障将导致风电场的解列就是重要的挑战之一。因此，风电电源还需要得到强电系统的支撑。上海电网是一个大受端，属强电系统。将风电场接入上海电网的同时，也可以获得电网较好的功率补偿，对于保证风电场的全部发电能够安全可靠地输送到电网是非常重要的。东海大桥海上风电场设陆上控制中心和110kV升压变电站，根据风电场风机的布置，采用8～9台风机组合成一个联合单元，通过四回集电线路，用35kV海底电力电缆接入，再经过110kV电缆接入220kV变电站，从而并入上海市电网。

5 大规模海上风能资源开发的借鉴作用

海上风电场建设难度远远超过陆上风电场，通过上海东海大桥海上风电场示范工程项目的实施，已经积累了一定的建设经验。海上风电场建设的关键技术已经取得重要进展。目前，国内沿海地区都在规划建设大型海上风电场，东海大桥海上风电场的建设对今后大规模开发海上风能资源有很好的借鉴。

（1）海上风电场建设前期，要做好可行性研究工作。通过专业化和科学调研，收集较为准确的地质、气象、海洋环境等第一手资料，并对各种建设方案进行初步的成本预算；考察是否具备大型设备安装所用的海上运输工具（如重型船舶等）；确认海底打桩所用到的相关设备及工具的可靠性；根据不同的海水深度选择适合的风机基础形式等。

（2）充分利用我国自主研发的大型风力发电机组，降低风电场建设费用。选择机组连网电力电缆材料，确定可行的工程施工方案。对于近海风电场建设，必须根据离岸距离和经济技术的合理性，选择将高压升压变电站是建在陆上还是建在海上。利用最新的风电场并网技术，确保风电场电能的有效利用。风电场建设过程中，要做好离岸变电站的布局规划、电力电缆填埋深度和风机连网对航线的影响等安全风险评估。

（3）采用岸上装配与海上吊装相结合的技术，可以降低海上风机吊装施工的安全风险和成本，即在岸上（离海上风电场最近的港口）对风机主要部件（如风电机组等）进行装配和调试，然后通过船舶集中运输到现场进行整体吊装。

（4）为了保证海上风电场的正常运行，必须做好风电场的人性化设计和安全风险评估。经验显示，考虑到海上恶劣的气候环境，风机机组设计要做到免维护和耐腐蚀性，以及必要的人性化设计，以保证维护技术人员的人身安全。同时，还要考虑海运航道对风电场的影响，做好安全风险评估和预防。

［1］陆忠民.上海东海大桥海上风电场规划建设关键技术研究［J］.中国工程科学，2010，12（11）：19～24.

［2］吴志良，王凤武.海上风电场风机基础型式及计算方法［J］.水运工程，2009，34（10）：249～258.

［3］中交三航局有限公司，上海东海大桥100MW海上风机基础土建及金属结构安装工程施工组织设计［R］.长春：中交三航局有限公司，2008.

［4］赵秀华，杨静东.风力发电工程施工与验收［M］.北京：中国水利水电出版社，2009.