電力設計企業海上風電業務探索與實踐調研

魯 斌，鄒 輝，彭益成，呂聯亞

(1. 上海電力設計院有限公司，上海 200025；2. 中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

0 引言

海上風電是可開發容量大、距離用電負荷中心近、可融合產業多、清潔環保的綠色能源，是非水清潔可再生能源接續開發的主戰場，是我國實現2030年碳達峰和2060年碳中和的重要支撐，是電力行業強化科技創新、發展海洋經濟的重點領域，將在后續能源體系中占有重要地位。

1 海上風電發展歷程、現狀和趨勢

我國海上風電相對歐洲起步較晚，但發展速度較快。2010年以前，我國海上風電尚屬起步階段，對海上風電的政策要求涵蓋在可再生能源、新能源和風電相關政策之中，未有專門針對海上風電的政策。“十二五”時期，國家陸續出臺了多部海上風電的專項政策，推動我國海上風電發展步入快車道。

“十三五”以來，我國海上風電并網規模持續增長。經過十余年的努力，我國已成為全球最重要的海上風電市場之一。2019年，我國新增裝機容量239.5萬kW，位居世界第一。截至2020年底，累計并網裝機容量約900萬kW，位居全球第三。

根據國家“十四五”能源規劃，預計“十四五”期間可保持平均每年600萬kW的增長規模，2025年我國海上風電年新增裝機將達到1 200萬kW，行業年均復合增速達到44%，三年累計增長200%，成為發展最快的新能源細分賽道；2025年底預計我國海上風電累計吊裝容量達到4 800萬kW，海上風電市場空間較為可觀。

2 海上風電業務發展分析

2.1 政策導向

2014年國家發改委《關于海上風電上網電價政策的通知》規定，我國海上風電采用標桿上網電價機制。2018年《國家能源局關于2018年度風電建設管理有關要求的通知》提出，未確定投資主體的海上風電項目應全部通過競爭方式配置和確定上網電價，從2019年起，各省(自治區、直轄市)新增核準的海上風電項目應全部通過競爭方式配置和確定上網電價。2019年國家能源局發布《風電項目競爭配置指導方案(2019年版)》，進一步明確了海上風電項目競爭性配置的參考評分標準。2019年《國家發展改革委關于完善風電上網電價政策的通知》將海上風電項目電價由標桿上網電價調整為指導價，作為企業申報上網電價的上限，為風電項目競爭性配置開展提供依據，這也標志著我國海上風電標桿上網電價成為歷史。2020年1月，財政部、國家發展改革委、國家能源局發布《關于促進非水可再生能源發電健康發展的若干意見》，進一步明確了新增海上風電上網電價,并指出新增海上風電項目不再納入中央財政補貼范圍。在省級補貼缺位的情況下，2021年補貼政策到期后，我國將有40 GW的海上風電儲備項目受到影響，項目開發進度可能嚴重滯后，也給我國海上風電產業的發展帶來了不確定性。

我國海上風電起步較晚，但憑借政策支持和產業鏈的不斷完善，近年來發展迅速并蘊藏著巨大的潛力。為了保持產業的發展勢頭，繼續為能源轉型做出更大貢獻，海上風電產業需要穩定持續的政策方案，這也是產業規劃和機制創新需要在“十四五”或更長遠的時期內努力的方向，具體可從產業市場化、技術進步、地方政策等方面考慮：健全海上風電市場化發展的政策機制；努力提高海上風電技術水平；鼓勵出臺地方扶持政策。

2.2 風機發展趨勢

風機機組正向著容量大型化、控制系統智能化發展。

2020年，全球海上風電機組平均單機規模為6.5 MW；預計2025年海上風電機組平均單機規模將達到10～12 MW。目前，國外實際裝機單機最大規模為12 MW，尚未實際裝機單機最大規模為14 MW；國內實際裝機單機最大規模為10 MW，尚未實際裝機單機最大規模為11 MW。

機組設備控制是保證風力發電機組高效運行的前提。目前風力發電機組設備安裝地點經常面臨一些比較惡劣的環境，且風力變化具有較大的不確定性。在這種環境中，風力發電機組設備往往需要遠程監控，需要風力發電機組設備具有可靠、穩定的自控系統。在5G、互聯網、數字化、信息化為代表的智能化技術發展背景下，我國風力發電行業發展逐漸向智能化控制方向轉變。利用智能化控制管理，提高風力發電的運維質量和控制精度，提升風力發電運行的自動化水平。同時，統籌管理發電資源和電網負荷，實現風力發電與其他發電技術的優勢互補，全面提升風力發電的技術水平。

2.3 勘察設計技術

2.3.1 關鍵核心技術發展現狀

1)大直徑單樁基礎設計理論和方法

華東院首次提出海上風機大直徑無過渡段單樁基礎結構成套解決方案，擁有大直徑單樁方面的技術發明與設計系列專利，如圖1所示。首次研發了無過渡段大直徑單樁基礎，攻克了沉樁垂直度、法蘭頂高程控制及法蘭施工打樁過程保護等重大核心技術，解決了國外設置過渡段的大直徑單樁基礎施工效率低、灌漿段耐久性差等難題，工程應用達1 000多臺，目前國內應用最大單樁直徑將近9 m、重量超過1 000 t。

圖1 大直徑單樁基礎設計

2)復雜地質條件下的不同基礎型式及設計方法

針對我國廣東、福建、山東等部分區域海上風電場軟土、巖質地基并存交錯，軟土覆蓋層淺無法滿足樁基承載力情況，首次研發了針對不同細分地質條件下I、II、III型大直徑嵌巖單樁基礎及輔助施工方法，如圖2所示，實現了大直徑單樁基礎在基巖埋深較淺海域的應用，為世界首創。

圖2 復雜地質條件下的基礎形式及設計方法

3)海上風電勘察物探及海洋地質分析技術

海上風電勘察物探的技術趨勢為常規船舶勘探向自升式勘探平臺發展。目前國內已經有適用于15 m級水深、35 m級水深和55 m級水深的系列自升式勘探平臺，為集智能海上鉆探、精準原位測試和高級土工試驗于一體的高效、節能、安全的海洋綜合勘探平臺。具有全球適用于全水深作業的綜合勘探船和一系列先進的水文氣象觀測、海洋測量和海洋物探設備。

通過對近海工程勘察技術進行了全面系統的技術攻關和工程應用研究，形成了系統、高效、科學的成套海洋工程勘察技術，包括基于孔壓靜力觸探的土體參數取值新技術、海洋工程樁土-界面參數綜合評價體系、大范圍海洋土剪切波速模型構建技術、基于綜合方法的砂土液化判別方法、海底障礙物和地質結構綜合識別技術、精細化海底三維測深技術等多項先進的海洋工程勘察技術。

2.3.2 前沿技術發展趨勢展望

1)深遠海勘探技術

普遍采用自升式勘探平臺、具DP功能的綜合勘察船進行勘察作業，可有效降低浪、潮、涌的影響，用于實施海上勘探或原位測試作業；采用海洋鉆機進行取樣，原狀土樣取樣質量高。海洋靜力觸探試驗裝備及數據解譯成熟，海上風電場勘探方案以靜力觸探測試為主，輔以少量高精度取土鉆孔。搭載測深、側掃、淺地層探測等多種海洋調查設備的ROV以及AUV技術應用于風電場勘察。

2)深遠海漂浮式風機基礎設計

漂浮式風機是一種多子系統的高端聯合工程裝備，且服役期間一直遭受著復雜的多源荷載。針對這一問題，擬對漂浮式風機進行全系統耦合動力特性的多層次計算方法研究，分析漂浮式風機子系統間耦合動力特性，剖析、分離、表征、量化動力響應中的各子系統耦合項，揭示漂浮式風機各子系統在聯合協同工作中的動力響應耦合機理，開展氣彈—固彈—水彈的全耦合系統動力學研究，時域分析復雜環境條件下的漂浮式結構的水動力性能和時域運動響應。

3)遠海風電場柔性直流輸電技術

隨著我國海上風電遠海化、大型化發展，傳統的交流送出因為海纜輸送容量制約、無功補償及過電壓問題突出而難以勝任，按照歐洲海上風電發展經驗，當風電場離岸距離超過70 km時，柔性直流送出的優勢逐漸顯現出來。對于遠海海上風電項目，柔性直流輸電技術則成為必須的配套技術。

2.4 施工技術

2.4.1 風機基礎施工

2020年至今，新增招標的風電機組中單機容量為6 MW以上的大容量機組比例不斷增大，與之配套的風機基礎也越來越大，目前國內最大單樁直徑已達近9 m，長度已達110 m，重量近1 800 t，對施工船舶和施工技術的要求也越來越高。

目前國內典型的單樁海上施工船組模式，全回轉起重船+運輸船+輔助工藝架，如圖3所示。起重船進行單樁沉樁施工，起重能力需達到2 000 t以上，船組樁錘選用2 500 kJ液壓錘及以上沉樁能力設備。打樁流程為：船舶駐位—抬吊—立樁—單樁入定位穩樁平臺船—單樁自重入土—壓錘穩樁—液壓沉樁—內平臺安裝—100%UT無損檢測等步驟。

圖3 全回轉起重船+運輸船+輔助工藝架施工工法

2.4.2 海上升壓站安裝施工

海上升壓站一般在陸上大型鋼結構加工廠進行加工制作，電氣設施也全部在陸上基地安裝。上部組塊加工制作完成后，通過專業運輸車完成碼頭裝船，再通過大型駁船出運。起重船吊裝即采用起重量、吊高滿足要求的大型起重船，現場起吊，安裝在已做好的基礎上，這種安裝方式由于大型起重船對水深要求較高，適合水深較深的海域。

此外還可采用浮托法安裝施工。浮托法安裝是采用合適的運輸船舶，并且在基礎中間預留運輸船進出的空間，運輸船將海上升壓站上部結構運至基礎下部，利用落潮和船艙壓水，將海上升壓站上部結構安裝在基礎上，運輸船繼續下沉，使運輸船與海上升壓站上部結構分離，之后運輸船從上部結構底下駛出，完成上部結構安裝。

2.4.3 海纜敷設施工

海纜敷設施工對施工船舶依賴度較高，海纜敷設船的技術發展趨勢為大型化、載重量大、可施工水深范圍大，國內最大的海纜敷設船為載重量10 000 t級，載纜量為8 000 t，可以候潮坐灘施工。海底電纜鋪設主要采用鋪纜船，鋪纜船一邊開溝一邊把海纜放入溝內，通過錨纜的縮放移動船體位置。對于靠近風機基礎的電纜鋪設，需要潛水員配合小型船只鋪纜。電纜穿堤采用非開挖方式從大堤下部穿過，接至陸上集控中心內。

2.5 運維技術

歐洲海上風電場運維主要由專業化運維公司或開發商組建專業化運維隊伍來實施，運維船一般采用專業海上風電運維船，運維船具有高速、高穩定性特點，由于歐洲海上風電場開發較早，積累有較多海上風電運維經驗。國內目前大多風電場剛剛完成或正在建設，設備尚未出質保期，運維工作尚未提上議事日程，運維經驗積累相對較少。

基于海上風電場的運維“離岸遠、窗口期短、成本高、風險大”的特點，海上風電運維業務后續會以大數據、AI、VR、智能機器人等技術綜合運用為手段，向信息化、數字化、智能化賦能海上風電項目全生命周期管理的技術方向發展。海上風電場海洋氣象系統、通航安全系統、海纜監測系統等可以做到數據采集和監視控制，在單個領域內已經有了長足的進步。伴隨著海上風電往深遠海、規模化集中化、平價上網的發展趨勢，數字化會更重視業務價值、準確性、協同性、資源共享，做到真正的數字賦能，解放人力、降本增效。

2.6 海上風電+融合發展技術

2.6.1 海洋牧場

“海上風電+海洋牧場”是通過海上風電基礎的“魚礁化”，將魚類養殖網箱、貝藻類養殖筏架固定在風力發電機的基礎上，實現海上風電和海洋牧場的融合，改善海洋生態環境，修復海上風電建設對海洋生態的破壞，海上風電和水下牧場共用海洋工況，提高海洋空間利用效率，開創“水下產出綠色產品，水上產出清潔能源”的新局面。

2.6.2 海上風電的分布式運用

遠海(深海)長期作業，能源持續供給是重要課題，傳統能源供給主要依靠供應船來運輸石化燃料，利用柴油機組發電。以海上石油鉆井平臺為例，其能源裝置一般為6臺5 000 kW左右的柴油機組，其中3臺為冗余設計，正常作業時2到3臺主機工作即可滿足作業要求。漂浮式風機可以做到10 MW到15 MW水平，該功率完全可以滿足遠海(深海)石油、可燃冰開采作業對能源的需求。從成本角度來講，采用漂浮式風機供能減少了供應船的租賃費用，減少了石化燃料消耗成本，優化了石油鉆井平臺的自身重量與使用空間，此外，降低了對環境的污染。

2.6.3 海上風電制氫

風電制氫，就是將風力發出的電直接通過水電解制氫設備將電能轉化為氫氣，通過電解水產生的氫氣便于長期存儲。具體的過程為：風力發電—電解水—制氫制氧—氫氣能源—應用到多種行業，比如運輸業、工業熱加工處理、化工行業等。

近幾年以來，海上風電制氫是行業內的熱門話題。國際能源署與中國石油經濟技術研究院聯合發布的《氫的未來——抓住今天的機遇》報告中指出，隨著可再生能源成本的下降以及制氫規模的擴大，到2030年，從可再生能源中制氫成本或將下降30%，燃料電池、燃料補給設備和電解槽都將從大規模制氫中受益。

3 結論

海上風電建設對于優化能源結構、保護環境，減少溫室氣體排放、節約能源具有重要意義。為積極承接國家能源清潔低碳轉型戰略，搶抓海上風電大規模開發機遇，推動科技創新和培育戰略性新興產業，本文對海上風電業務采用問卷調研、文獻調研、線上視頻交流研討等型式進行了調研，得到如下結論：

1)我國海上風電起步較晚，但發展較快。2025年底預計我國海上風電累計吊裝容量達到4 800萬kW，海上風電市場較為可觀。

2)自2018年起，海上風電項目開發基本以標桿上網電價調整為指導價的競爭性配置為主。2021年補貼政策到期后，新增海上風電項目不再納入中央財政補貼范圍，給我國海上風電產業的發展帶來了不確定性。

3)海上風電機組向著“大容量、輕量化、高可靠”趨勢發展，單機額定容量逐步增大。大型化趨勢的核心驅動力為平價上網對“降本”的需求。2020年，全球海上風電機組平均單機規模為6.5 MW；預計2025年海上風電機組平均單機規模將達到10～12 MW。

4)我國目前已掌握大直徑單樁基礎設計理論和方法、復雜地質條件下的不同基礎型式及設計方法、海上風電勘察物探及海洋地質分析技術等核心技術。

5)海上風電場運維主要由專業化運維公司或開發商組建專業化運維隊伍來實施。海上風電運維業務后續會以大數據、AI、VR、智能機器人等技術綜合運用的專業化、智慧化技術方向發展。

6)海上風電創新融合發展是后續開發趨勢，隨著技術的成熟和規模化效應的體現，海上風電與海洋牧場、氫能、海洋能、能源島等技術的融合發展會大規模應用，可實現對海洋資源的綜合開發利用。

參與課題調研的還有：劉小龍(中國能源工程集團有限公司) ；余平(廣東省電力設計研究院有限公司) ；吳剛(江蘇省電力設計院有限公司)；王國進(昆明勘測設計研究院有限公司) ；馬雪(西南電力設計院有限公司 )；張瑛(浙江省電力設計院有限公司)；黃明軒(廣西電力設計研究院有限公司)；田偉輝(西北勘測設計研究院 )；黃建武(浙江省電力設計院有限公司)。