中國風電設備選型的局限性分析

付 薇 吳敘銳

（1.華能海南發(fā)電股份有限公司，海南 海口570105；2.華能陽江風力發(fā)電有限公司，廣東 陽江529500）

1 我國風電發(fā)展狀況

在國家一系列風電政策的扶持和鼓勵下，風電市場歷經(jīng)了2008年供不應求的繁榮，遭遇了2009年產(chǎn)能過剩的警示，迎來了2010年海上風電的發(fā)展，首次超越美國，風電裝機容量躍居世界第一。如此迅速增長的裝機規(guī)模，給風電制造商創(chuàng)造了機遇，也帶來了激烈的競爭，在風電市場的兆瓦級風機需求激增下，國內(nèi)的風機制造商幾乎全部走了所謂“引進技術、消化吸收、自主創(chuàng)新”的路子，但為了以最快速度生產(chǎn)出貼有自家品牌的風機，占領市場，國內(nèi)的風機制造商往往停留在了“引進技術”的層面，即按照國外廠商或設計公司提供主要技術和圖紙直接生產(chǎn)，產(chǎn)品型號單一。

這種結果短期來說符合中國風電的發(fā)展情況，因為原始創(chuàng)新說起來容易做起來卻非常困難，機組的設計是一個系統(tǒng)工程，涵蓋多學科范疇。而直接拿來國外的技術，站在巨人的肩膀上前進，可以節(jié)省人力物力財力，風機產(chǎn)業(yè)化的速度相對快得多，經(jīng)濟效益也可以在短期內(nèi)實現(xiàn)。

2 風電機組選型的局限性

在一定的風能資源狀況下，為了使投資收益最大化，風電機組的選型是關鍵，它直接關系到風電場的總投資、發(fā)電量及20年的運行維護成本。但面對我國風電發(fā)展現(xiàn)況，在已有的國產(chǎn)風電技術中選擇適合中國風電場的風機卻存在極大的局限性。由于風機的運行受外部條件影響較大，但整機開發(fā)成本高，不能按照每個風電場的環(huán)境進行整機設計，而是經(jīng)過行業(yè)長期研發(fā)和實踐經(jīng)驗，形成風力發(fā)電機組設計標準行業(yè)標準。目前，風電行業(yè)標準主要有德國勞伊德GL標準、丹麥RISOE的DNV標準和國際電工委員會（IEC）標準，這3個系列標準主要是以丹麥、德國的條件和經(jīng)驗制定的。在我國能見到的主要是GL標準和IEC標準，從風況劃分方面來看，2個標準有所不同，而我國是直接把翻譯后的IEC標準作為國家標準。

國外制造商根據(jù)標準生產(chǎn)出一系列的風機，供市場選擇，比如某國際知名風機制造商現(xiàn)有的風機產(chǎn)品有4款，分為：適用于中高風速風場（IECⅠ、Ⅱ）和中低風速風場（IECⅡ、Ⅲ）的2種單機規(guī)模較小機型，便于地勢險峻、地形復雜地區(qū)的運輸和安裝；適用于高風速風場（IECⅠ）和中低風速風場（IECⅡ、Ⅲ）的2種兆瓦級風機。由于標準中給出的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級風況不包括海上風電場，也沒有考慮熱帶風暴（如颶風、龍卷風、臺風等）的風況條件，國外制造商還可以根據(jù)國際標準IEC61400－1明確的特殊安全等級——S級進行特殊設計，充分考慮安裝風機的風場條件。

我國從國外引進的機型是按照國際標準設計的，而國際標準所規(guī)定的載荷條件主要是依據(jù)歐洲的風況與氣候制定的。我國一些地區(qū)的風況、氣候條件和地質(zhì)、地貌與國際標準中所列出的情況差別較大，因此按照國際標準設計的機型不能完全適合我國的自然條件。另外引進的機型單一，一個大型的制造商通常引進2類機型，目前國內(nèi)市場最多為1.5 MW 70和77型風機（70、77代表風機葉輪直徑）。由此可見，作為風電場的開發(fā)商，無論前期工作做得如何精確細致，要根據(jù)我國特殊的風況條件在國內(nèi)制造的風電設備中進行風機選型都是難題。

我國“三北”（東北、華北、西北）地區(qū)的風資源豐富，風的品質(zhì)很好，即年有效風功率密度在200～300 W／m2以上，年平均風速大，無極端惡劣的天氣（如颶風、龍卷風、臺風、高溫、鹽霧等），可選用適合IECⅠ、Ⅱ機型，但是這樣的機型設計強度、安全系數(shù)較大，勢必在無形中增加了風機成本，而風機采購成本至少占整個風電項目總投資的60%，對投資的影響非常大。我國東南沿海及其島嶼地區(qū)風資源也較為豐富，對于沒有超強臺風登陸的沿海地區(qū)還是可以參考選擇IECⅠ機型，但對于浙江中南部、閩浙交界地區(qū)、福建北部、福建南部、粵東、粵西、海南東南部沿海及海域，則需選擇S級機型。而目前我國制造商還未能完全掌握整機設計，無法進行S級風機的設計。

3 案例分析

在此，本文以2個實例說明中國風電設備選型的局限性。

3.1 案例一

地址：東南沿海某4.5萬k W風電場。

選型時間：2005—2006年。

案例情況：風場選址范圍內(nèi)地形復雜，地勢起伏較大，多年平均20 m高年平均風速5.35～7.32 m／s，風功率密度162～425 W／m2，推算到65 m輪轂高度平均風速5.90～8.35 m／s，風功率密度246～631 W／m2，總體上屬于風能資源豐富區(qū)，風的品質(zhì)比較好，具有較好的開發(fā)價值。但由于地處東南沿海，汛期常有強臺風伴暴雨。

經(jīng)長時間的調(diào)查和統(tǒng)計分析，該風場的風機設備選型要求：按IEC標準選擇S級1 MW左右的風機，既能滿足IECⅡ類風區(qū)的平均風速要求，又能滿足IECⅠ類風區(qū)的安全等級——能抵抗50年一遇10 min平均最大風速41.4 m／s，50年一遇瞬間極大風速61.0 m／s。

嚴格按照風機設備的選型要求，在國內(nèi)風電技術中無法找到與之匹配的風機設備。由于國內(nèi)風電技術的局限性而不得不選擇了適合本場選型要求的國外風機。目前該進口技術風機運行情況良好，但還需要在今后的長期運行中檢驗。

3.2 案例二

地址：某島嶼5萬k W風電場。

選型時間：2007年底—2008年初。

案例情況：場址范圍內(nèi)地形簡單，地勢平坦，測得10 m高度年平均風功率密度約150 W／m2，10 m高度年平均風速約5.2 m／s，風資源可達3級，為風能可利用區(qū)。但其受災害性天氣的影響較大，主要有熱帶氣旋、臺風、雷暴等。熱帶氣旋在一定程度上可以帶來豐富的風能資源，但較強的臺風、頻繁的雷暴將嚴重威脅風電場的安全。

設計單位對風資源評估、地理環(huán)境、工程設計等方面作了細致分析和研究，從風電場安全等級和運行效益等綜合方面提出風機設備選型要求：按IEC標準選擇S級兆瓦級風機，既能滿足IECⅢ類風區(qū)的低風速高效出力，又能滿足IECⅠ類風區(qū)的安全等級——能抵抗50年一遇10 min平均風速48.6 m／s，50年一遇極大風速67.5 m／s，還要經(jīng)受頻繁的雷暴襲擊。

根據(jù)當時國家規(guī)定“風電設備國產(chǎn)化率要達到70%以上”的要求，考察國產(chǎn)風電技術，沒有可以滿足選型要求的風電設備。為了風電場的順利開發(fā)和建設，原來的選型要求不得不縮水到只考慮只要能滿足安全等級的風電設備即可。在市場需求的刺激下，終于有國內(nèi)的風電制造商推出可抗70 m／s臺風的單機容量1.5 MW機組。訂貨不久后，制造商發(fā)現(xiàn)風機配套關鍵部件設計強度不夠停止生產(chǎn)，需待返回國外重新計算后確定。因此不僅延誤了風電場的建設時間，更造成了經(jīng)濟上的巨大損失。

4 結語

風電機組選型的局限性給風電場的開發(fā)建設及日后20年的長期運行造成了巨大影響。從風電場投資者的角度看，迫切需要安裝使用的是適合我國資源環(huán)境特點的風機；從風電制造商的角度看，無論是改進改型還是自主研發(fā)，都應完全掌握從零件、部件到整機的設計技術，針對極端氣候條件和復雜地形開展特殊研究，提高風機的適應性和發(fā)電量、減少設備故障，從而降低運維成本。

［1］張秀芝，閻俊岳，楊校生，等.臺風對我國風電開發(fā)的影響與對策［M］.北京：氣象出版社，2010

［2］宮靖遠.風電場工程技術手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004

［3］胡立偉.風電設備選型的技術經(jīng)濟分析［J］.農(nóng)業(yè)工程技術：新能源產(chǎn)業(yè)，2007（5）