深遠海域海上風電工程風險和不確定因素研究

文 | 俞曉峰，王倩，李子林，蘇伊雯

近來，深遠海域海上風電技術的研究和開發成為了當今海上風電發展的新趨勢，其作為風電技術的制高點，正在成為海上風電產業眾多參與方追捧的熱點。英國、丹麥、德國等海上風電技術領先國家已紛紛將海上風電的研究方向投向深遠海領域。

在我國，由于近海海域日益緊張，同時，深遠海域風電場的建設和運行對于海洋、漁業、軍事、海事通航以及城市居民等利益相關方的不利影響相對更小，更適合海上風電場的規模化開發建設。

深遠海海域風功率密度更大，平均風速更高，相比近海有更加廣闊的開發空間和價值。與此同時，深遠海域一般水深超過40米，離岸距離超過70～80km遠，工程面臨的環境更惡劣、技術難度更大，比如超遠距離風電輸送、漂浮式風電基礎設計、漂浮式風電機組的研制以及遠海工程的實施等深海風電工程實施環節均面臨較大的風險和不確定性。

工程風險和不確定研究是工程實施的前提，本文結合《上海市深遠海域海上風電示范工程前期研究》情況和初步成果，著重對工程風險和不確定因素進行研究和分析。

深遠海風電研究現狀

一、國際形勢

從國際形勢來看，海上風電是風電技術產業的制高點。當前，近海風電的技術已經相對成熟，國內外眾多機構已經將海上風電的研究瞄準深遠海域。調研信息顯示，英國、丹麥、德國、葡萄牙、挪威、日本及美國，均已在研究深遠海風電開發利用技術，且部分樣機試驗項目已經取得成功（如圖1）。英國、葡萄牙等國家的深遠海海上風電將在2018年左右進入商業化開發階段。

圖1 葡萄牙電力半潛式樣機

二、 國內形勢

在國內，深遠海風電尚屬技術空白階段。2016年4月，國家發展改革委、國家能源局聯合發布《能源技術革命創新行動計劃（2016-2030年）》，其中明確要求風電技術發展將“深海風能”提上日程。2016年12月，國家海洋局發布《海洋可再生能源發展“十三五”規劃》，明確提出要研發深海漂浮式風電機組，掌握遠距離深水大型海上風電場設計、建設及運維等關鍵技術。

目前，我國已經有公司在參與境外的深遠海域海上風電的研究，并積極參與國際合作。比如三峽集團與葡萄牙電力開展深遠海項目合作研究；中廣核歐洲能源公司與法國合作方Eolf i公司組成的聯合體，于2016年8月成功中標大西洋法屬布列塔尼地區的Groix深遠海海上風電項目（24MW）。

三、 國內研究已經啟動

2016年3月，上海市緊盯國際前沿，瞄準國內空白，在國內率先啟動深遠海域海上風電重大示范工程前期研究，定位“創新引領，高端示范”的研究目標，集中上海市及國內海上風電產業優勢資源成立科研聯合體，部署深遠海域海上風電重大示范工程研究工作。

科研聯合體通過優勢互補、分工協作，針對海上風電場選址研究，漂浮式海上風電機組基礎設計關鍵技術研究，深遠海域漂浮式基礎施工技術與裝備關鍵技術研究，深遠海風電場接入系統關鍵技術研究，深遠海海上風電機組設計、開發和運維相關技術研究五方面重大難題展開科研課題攻關，2017年4月，前期研究成果已經通過水電水利規劃設計總院組織的評審和驗收。總體研究選定的海域區域（包括電力輸送登陸）如圖2所示。

本文著重闡述深遠海海上風電開發存在的潛在風險和不確定因素，并進行研究分析。

圖2 深遠海風電研究布置圖

深遠海風電工程的風險性及防范研究

一、自然風險及防范

深遠海域相比近海擁有更好的風能資源，同時與近海海域相比工況更復雜，海水及鹽霧腐蝕、雷擊、臺風等不利自然條件影響更大，遠海深水區域在臺風等極端天氣條件下將產生更復雜的風、浪、潮、涌工況，這對于身處遠海的漂浮式基礎以及風電機組是巨大的考驗和風險。

防范措施：在常規防鹽霧、防雷等措施的基礎上，為了規避極端自然條件造成的風險，需充分考慮風電機組漂浮式基礎的可靠性，強調漂浮式風力發電機組一體化設計的安全冗余度。并在相關擬真實驗室內進行極端天氣數模試驗，將實驗數據及成果反映到最終的科研及設計成果中，保證漂浮式風力發電機組擁有較高的自我生存能力。總之，我們可以通過對海上風、浪、潮、涌的實地勘測，借助臺風、地震影響評估從技術上盡量規避面臨的自然風險。

二、技術風險及防范

(一) 技術標準缺失是最大技術風險

漂浮式風電機組研制和漂浮式基礎工程設計的規范和標準缺失，是深海風能研究和開發面臨的最大風險。近海風電場開發技術日益成熟，但是在深遠海領域尚屬新的課題。深遠海區域風電，從傳統的固定式基礎轉變為漂浮式基礎，技術發生了根本性變化。在如何研制適應深遠海工況的風電機組，如何解決深遠海區域風電場的工程設計以及如何考慮海上升壓站的設計等核心技術層面，缺乏成熟的案例、技術標準甚至設計軟件。

（二）總體防范措施

制定合理的項目開發路徑，確定合理的技術路線，建立科學的設計模型是項目發展的關鍵。根據本次研究目標場址40～50m左右的水深條件，本文初步選定TLP張力腿式的基礎型式，基于此開展漂浮式海上風電機組的設計，通過優化控制策略和載荷設計，然后再反饋優化基礎設計。

舉例來說，從科研團隊目前做物模仿真前期了解的情況來看，全球有30多種軟件可以對漂浮式風電的基礎或風電機組進行計算，但是還沒有一個成熟而且經過多案例驗證的軟件能同時完成漂浮式風電機組和基礎的迭代計算，更沒有形成技術標準和規范。所以，這是我們目前所面臨的最大風險和挑戰。當然我們也有信心，通過物模仿真和不斷深化設計來攻克這個難關，最終促成國內對這些規范和標準的編制和研究。

關于技術風險，我們正在向科技部和上海市科學技術委員會申請科研課題，繼續通過產、學、研聯合攻關，突破關鍵技術難題，同時擬通過仿真實驗和樣機工程來驗證，確保在應用推廣前將技術風險降低到最低限度，確保工程安全實施。

（三）基于TLP技術的海上風電機組基礎的風險識別及防范

本次研究的目標場址水深約40～50m左右。我們主要選取了漂浮式基礎型式中的TLP張力腿型式基礎開展研究攻關。風電機組基礎初步研究的成果如圖3所示（左圖為3.6MW風電機組基礎模型，右圖為6MW風電機組基礎模型）。

如圖3所示，張力腿式漂浮基礎的關鍵是張力腿要保證始終處于受張緊力狀態，否則一根張力腿松弛或者張力腿斷裂，將會導致風電機組整體傾覆。對此，可通過增加張力腿應力的實時監測，采取在風電機組周圍設置防撞結構等措施以保證張力腿結構處于張緊安全狀態。

漂浮式風電機組塔筒底部極限載荷和疲勞損傷增大較多，塔筒結構與基礎結構連接設計不合理，有可能導致塔筒底部破壞，風電機組倒塌。因此，需要根據風電機組載荷計算結果逐次校核塔筒結構強度及基礎與塔筒連接結構強度，保證在各個工況安全可靠。

張力腿型浮式風電機組自身存在差頻與和頻等高頻振動，隨機的風載荷和波浪載荷頻率與風電機組存在共振可能性，數值上難以進行模擬和分析。因此，必須對張力腿型浮式風電機組進行仿真模型試驗，如果條件允許要進行樣機測試，從而得到較為準確的風電機組振動特性。

圖3 風電機組張力腿式基礎模型

三、工程風險

（一）項目建設風險

從建設期來看，建設的難點是漂浮式風電研制、漂浮式基礎施工、遠距離電力傳輸。同時，這也是后續深遠海風電場建設所將面臨的主要風險。另外，場址離岸距離遠，場址周邊船只通航壓力大，漁民公海作業，管理難度大，這都將對遠海施工造成較大的風險和隱患。

（二）防范措施

繼續深入研究，盡快開展場址區域風、浪、潮、涌等資源數據的收集，開展臺風影響、地震災害有關專題研究；優化現有設計模型，優化風電機組設計選型，全面深化設計；同時和海事部門、海洋部門及時配合，做好建設施工期有關危險因素的防范，堅決將建設期的風險控制在可控范圍。

四、項目運維風險及防范

從項目運行期來看，深遠海風電項目離岸距離遠，風、浪、潮、涌海況更加復雜，相比近海風電，更難以接近，使得風電場日常維護和故障消缺難度更大，面臨更加嚴峻的運營風險。

防范措施：優化風電場的控制策略研究，提高海上風電機組遠程控制能力；增加風電機組的冗余設計，提高海上風電機組的發電能力；加強風電場的運維方式研究，通過在附近海島建立海上風電場固定運維基地，或者建立便于深遠海海上風電場的運維船舶，考慮建造直升飛機著陸點，提高風電場的運維便利性，縮短深遠海域海上風電場快速運維響應時間。另外，制定深遠海域海上風電場運維風險管理標準和規范，全面防范風險。

五、環境風險及防范

深遠海風電工程不可避免會導致一定的環境風險。如海洋生態風險，包括：風電場風電機組基礎的建設和海底電纜的敷設，會對海床的結構形態造成一定程度的影響；開發建設過程中的工程溢油等現象，會對海洋生態環境造成一定范圍內的破壞。也存在一定的海洋資源破壞風險。為保障風電場的安全運行，風電機組周圍和電纜兩側的一定海域范圍內會嚴禁捕撈作業，限制養殖區面積，因此，會造成漁業生產海域面積減小，漁業產值會受到一定損失。

防范措施：引入海上公站，實現整體規模的遠距離輸送，減小單根電纜的輸入規模；實現裝機容量的大型化，減少風電機組單位容量對海洋生態資源的影響；漂浮式風電機組基礎結構的柔性連接，相對減少了由固定式支撐基礎直接對海床及深海環境造成的不確定影響，也能從整體上減緩海洋工程溢油對海洋環境的破壞。

深遠海域海上風電項目開發的不確定性及應對措施

一、管理不確定性

（一）海洋功能區劃協調不確定性

深遠海域海上風電場選址，從近海推進到公海規劃能否落地；國家與地方省區市海洋功能區劃協調存在不確定性。

應對措施：海洋功能區劃確認是項目落地開發的重中之重。應通過與各個利益相關方協調溝通，進行專項論證研究和專題討論；協調國家和地方海洋主管部門，落實相應區域關于海上風電場建設的功能區劃。

（二）項目核準及建設程序不確定性

場址選擇后，因為涉及國家和地方的用海用地管理，尤其可能涉及海洋經濟專屬區的用海管理，工程建設核準以及建設程序是否需要到國家級政府辦理有關手續，仍存在一定的不確定性。

應對措施：關于深遠海域海上風電場的規劃和管理風險防范，需要與政府及各利益相關方溝通協調解決。要做好及時有效的溝通，協調海上風電場建設與整體海洋功能區劃的關系，提高管理溝通的效率，共同推進后續開發進程，協調解決在后續建設審批環節中所出現的不確定因素。

二、 電網接入不確定性

深遠海風電有別于近海風電，其電網接入系統將是制約項目開發和建設的主要不確定因素。主要表現在三個方面：第一個是遠距離輸送電的技術本身存在風險；第二個是接入系統能否與海上風電場同步配套的不確定性；第三個是有無海上公共升壓站對于海上風電場建設整體技術經濟性影響的不確定性。

應對措施：首先，應在交流和直流兩種輸電方式中選擇符合項目本身的、經濟可行的方案。其次，開展深遠海海上風電并網技術調查和研究，開展海上公用變電站的專項研究，這將為并網接入提供有力的技術支撐。

三、政策及財務不確定性

深遠海風電與近海風電相比由于離岸距離遠，電力送出距離長，技術難度大，導致深遠海風電場的造價將高于近海風電場，整體投資造價高，勢必直接導致未來的生產成本和財務成本偏高，給未來的項目運營盈利帶來不確定風險。

其次，電價政策尚未出臺，未來的收益水平尚不明確，項目的盈利性存在不確定風險。國家和地方政府對于深遠海域海上風電開發有無專項補貼政策，都將影響項目的財務評價水平。而這些都將是項目實施所面臨的不確定因素。

應對措施：優化設計方案、施工工藝，合理控制造價；希望政府引導和出臺合理的深遠海風電場電價及財政扶持政策，支持和推動深遠海風電的發展；考慮到遠距離電力接入成本高，建議對100萬千瓦級的海上風電場進行一次規劃，分期建設，通過規模效應攤薄投資成本；開展項目金融創新，積極引入綠色債券，降低項目融資成本，降低后續運營的財務成本。

展望

深遠海域海上風電技術是行業發展的新形勢，是我國風電趕超國際前沿的契機，是未來海上風電發展的一片藍海，深遠海風電開發勢必大有可為。但必須引起重視的是，近海風電開發風險大于陸上風電，不確定性因素多于后者。而深遠海域海上風電與近海風電相比，面臨的風險將會更大，不確定性也將更多。

預計我國的深遠海風電示范工程將在2020年左右啟動。我們在深遠海風電工程前期研究中，要充分識別工程的各種風險和不確定性，通過科研攻關解決技術和工程風險，通過管理協調解決管理風險和不確定因素。只有充分研究風險才能規避風險，通過不確定因素分析逐一排除不確定性，才能確保后續技術研發和攻關的順利，也才能確保后續項目的建設和運營的安全性，并最終推動我國海上風電產業的技術升級。

攝影：劉富卿