文昌油气田风能资源特征分析

尹汉军 谢波涛 安 伟 张 琪

（1 中海油研究总院有限责任公司 北京 100028 2 中海油能源发展股份有限公司安全环保分公司 天津 300450）

引言

南海北部附近海域油气资源储量丰富，是我国加快建设“南海大气区”的核心海区，目前已形成南海西部和南海东部两大油气开发集群。在国家“双碳”战略的指导下，中国海洋石油集团有限公司（简称中海油）的能源转型发展对海上风电和太阳能等海上清洁能源开发的需求迅速增加，海上风电、天然气水合物等海洋能产业也成为中海油的重要战略发展方向之一[1][2]。

风能等清洁能源的利用也是我国实现节能减排、发展低碳环保经济的重要途径。中国风电发展路线图2050 规划的发展目标为：到2020、2030 和2050年，中国风电装机容量将分别达到2 亿、4 亿和10 亿kW，成为中国的五大电能来源之一，到2050 年，风电将满足国内17%的电力需求[3]。我国周围海域的风能资源丰富，截至2021 年，中国海上风电的累积装机规模约为3000 万kW[4]。在油气作业海区，海上风电开发则有望为海上油气平台的能源供给提供节能环保解决方案，而原位风速观测和风能资源的精细化评估则是油气田海域风电开发当中的一项重要基础工作。

由于缺乏海上风能资源缺乏评估所需的技术数据特别是现场原位观测数据，海上风能资源评估的研究与陆上风能资源评估相比还存在较大差距，考虑到海洋环境的独特性，针对海上风资源评估的行业标准还有待制定和修订[5]。目前，我国海上风能资源评估的研究可大致分为以下四类：基于气象站和海洋站数据的海上风能资源评估、基于再分析资料的海上风能资源评估、基于卫星遥感数据的海上风能资源评估和基于数值模拟的海洋风能资源评估。如姜波等[6]利用9 个海洋站的多年气象观测数据研究了浙江沿海海洋风能资源分布；高成志等[7]利用22年的CCMP 分析风场资料对中国近海的风能资源的长期变化进行了分析；许遐祯等[8]利用ASCAT 散射计瞬时风速数据对中国近海的风能资源作了深入分析；常蕊等[9]利用合成孔径雷达卫星反演风场资料对杭州湾附近海域的风资源评估中，取得较好效果；穆海振等[10]利用TAPM 数值模式对上海附近海域的风能资源进行了评估应用，给出了研究区域内10m、25m、50m、70m、100m 等多层高度处的多年平均风速和风功率密度。

虽然已有的研究[5][7][9][11]给出了我国周围海域海上风能资源的理论储量、宏观分布状况以及中长期变化等重要信息，但是较多研究结果还缺乏海上原位气象观测的支持。海上特别是深远海原位风场观测数据的研究结果较少，油气田海区的精细化风能资源评估工作还有待深入开展。通过分析文昌油田某海上油气平台持续1 年（2021 年1-12 月）的气象观测资料，给出了该油田2021 年海面10 m 高度的风能资源特征，可为南海北部文昌油气田附近海域的海上清洁能源规划与开发与海上油气田节能环保方案的制定提供基础科学依据。

1 数据与方法

1.1 观测站位置

搭载气象观测站的海洋油气平台位于文昌油气田，位于海南省文昌市东南方向，距离文昌市约150 km，位置如图1 所示。

图1 油气平台位置及周围海底地形

测站附近海域此处盛行季风，冬季多为东北风，夏季多为西南风。此外，台风对场址附近的影响较大，常有台风过境，造成大风和暴雨天气。

1.2 数据及质量验证

海上油气平台气象的测风数据由美国R.M.Young 一站式气象仪获取，气象观测仪器距离海面40 m。数据的时间范围为2021 年1 月1 日-2021 年12 月15 日，观测记录的风速、风向、气温、气压等数据的时间间隔均为10 min。

根据风能资源评估国家标准规范[12]，对原始记录数据依次进行完整性、合理性和变卦趋势检验。2021年1 月1 日-12 月15 日期间，测站10 分钟间隔的测风数据应记录50208 次（10 分钟间隔），实测49971时次，缺测237 次，数据完整率为99.53%。其次，原始气象观测数据的风速、风向和平均气压等主要参数均在合理范围内，各主要参数均通过范围检验。此外，原始气象观测数据的主要测风参数记录数据在2021 年10 月10-15 日期间由于2021 年西北太平洋第18 号台风“圆规”过境时风速值出现短暂超出合理变化趋势范围的情况，其余时间段各主要参数的变化均通过了合理变化趋势检验。

通过以上检验，计算得到文昌油气田2021 年测风数据有效数据完整率为99.52 %，结果达到风能资源评估最低有效数据完整率的参考标准值。对非有效数据点采用样条插值方法进行数据插补，得到近一年的完整测风数据，进行小时平均后即可得到观测期间符合风资源评估标准的逐小时测风结果。在数据分析部分若无说明，测风参数数据均为逐小时数据。

1.3 研究方法

参考现行的国家标准及行业技术规范[12～14]，风资源评估的参数包括平均风速、风功率密度、风向频率、风速频率、风能方向频率、有效风速小时数和风速分布等。区域风功率密度等级划分除参照以上标准外，也同时参考相关研究常用方案[15]。主要参数表达式如下：

风功率密度

风功率密度是指与风向垂直的单位面积中风所具有的功率，是直接反映待评估区域风能大小的重要参数。设定时段的平均风功率密度表达式为：

其中，Dwp为平均风功率密度，W/m2；n 为设定时段内的记录数；ρ 为空气密度，kg/m3；νi3为第i 次记录的风速值的立方；此外，计算平均风功率时，需使用设定时段内逐小时风功率密度的平均值；空气密度ρ按以下公式计算：

其中，P为年平均大气压，Pa；R为气体常数，287J/kg.K；T为年平均空气开氏温标绝对温度。在常温和1 个标准大气压下，空气密度约为1.225 kg/m3。

风速分布

风速分布是用于描述连续时限内风速概率分布的函数，一般风速可采用威布尔（Weibull）分布。以平均风速和风速标准差估算威布尔参数的两个参数，平均风速估计μ，以标准差Sv估计σ：

威布尔两个参数k，c 按以下公式估计（保留两位小数）：

其中，（1+1/k）为伽马函数。

利用测风数据计算风能资源参数时，按照通行做法，将测站风速换算到离海面10 m 高度处的风速，风速换算关系如下：

其中，Vh为高度h 处风速，Z 为测风高度，α 默认取0.143。

2 风能资源评估

2.1 风速和风功率密度

观测站2021 年全年海面10 m 高度处的风速和风功率密度年变化如图2a 所示，平均风速为3.94 m/s，平均风功率密度为90.27 W/m2。2021 年冬季和夏季风速较强，夏季最大月平均风速为6 月的6.09 m/s，冬季最大月平均风速为12 月的5.55 m/s，春季和秋季风速较弱，春季最小月平均风速为4 月的1.96 m/s，秋季最小风速为9 月的2.10 m/s。

图2 全年的风速和风功率密度(a)年变化与(b)日变化

图2b 的结果表明，文昌油田附近海域海面风速的昼夜风速差异较小，但呈现夜间风速略强，日间风速略弱的基本特征。风速在日间12 时达到最弱的3.67 m/s，在夜间22 时达到最强的4.19 m/s，风速日较差仅0.52 m/s。风功率的日变化也基本维持在90 W/m2上下浮动，夜间稍强可达112.79 W/m2。

2.2 风向频率分布与风能频率方向分布

观测站点测风数据的风向频率分布和风能频率方向分布如图3 所示。风向频率分布结果表明，文昌油田附近海域的风向以NE 为主风向，风向占比达到23.75%，与主风向接近的NNE 方向占比也达到16.43%；次主风向为S 方向，该风向占比达到11.97%，与次主方接近的SSE 方向占比达到11.46%；以上四个风向共占比63.61%，风向分布较集中。进一步分析观测站的风能频率方向分布，数据结果也显示出与风向分布类似的特征，但在细节分布上存在细微差别。主风能方向上，NNE 成为主风向，该方向能量占比达23.45%，紧靠该主风能方向的NE方向能量占比为19.18%；次主风能方向为S 方向，与次主风向保持一致，该风向能量占比为23.70%，紧邻该次主风能方向SSE 方向风能占比为14.11%；风能在方向上的分布较集中，以上四个方向风能占比达到80.44%。

图3 （a）风向、（b）风能频率方向分布以及（c）风速风向联合分布

风能频率方向分布与风向分布的细节差异主要由各风向风速构成引起。如图3c 所示，虽然NE 风向频次明显高于NNE，但其风速中低风速占比明显高于NNE 方向，因而最后得到风能总量反而低于NNE 方向；类似的情况在S 和SSE 两个方向上也存在，S 和SSE 在风向频次基本相同的情形下，由于S方向的高风速占比较高，因而S 方向风能总量远高于SSE 方向。测站2021 年的风向及风能频率方向分布在各月的分布主要反映了此处海域的季风特征，秋冬季风向及风能主要集中在NNE、NE 两个方向，春夏季的风向及风能主要集中在S 和SSE 两个方向，与以往研究中反映的季风气候特征相符，风速和风能风向分布均十分集中，利于风能资源的实际开发与利用。

2.3 风速、风能频率分布

通过对各风速区间风速和风能出现频率以及全年风速和风能频率分布的统计分析，3.0-25.0 m/s 有效风速出现的频率占比63.18%，低于切入风速（3m/s）的低风速占比36.81%，年平均有效风速小时数达到5535 h；3.0-25.0 m/s 风速的风能占比99.25%，测站2021 风速和风能频率分布如图4a 所示。采用威布尔分布对2021 年测站处10 m 高度的风速分布进行拟合，拟合结果如图4b 所示，利用观测风速的平均风速和标准差计算得到的威布尔分布k 参数为1.41，c参数为4.31。

图4 （a）风速风能频率密度分布及（b）风速频率密度Weibull分布拟合曲线

结语

南海北部文昌油气田附近海域测风资料及数据分析结果显示：该海域2021 年的平均风速为3.94 m/s；有2 个接近相反的主风向，NE 方向和S 方向，2 个接近相反的主风能方向NNE 方向和S 方向。2021 年10 m 高度的年平均风功率密度为90.27 W/m2，风能等级为1 级，风能等级偏弱。年平均有效风速小时数达到5535 h，有效风速的风能占比为99.25%，风向和风能方向分布的集中度较高，有效风时长，可一定程度上弥补测站附近海面风速较弱的不足。

风电资源是一种清洁资源，具有节能、环保、可再生的特点，具有很大的开发利用价值，有效利用风电资源可以减少化石能源的消耗量，缓解日益严重的能源短缺问题，并且还可以降低温室气体的排放量，起到环保的作用。因此，加快风能资源的开发利用可以为文昌油气田节能环保提供新思路。