老舊風電場改造難題及影響因素分析

楊 璐，周 成

(1.國家能源集團國源電力有限公司，北京 100033；2.新疆龍源風力發(fā)電有限公司，烏魯木齊 830054)

0 引言

在實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的歷史使命下，大力發(fā)展風電等新能源，提高新能源在能源結(jié)構中的占比，對促進中國低碳發(fā)展、減少環(huán)境污染具有重要意義。據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會統(tǒng)計，2021 年中國單位千瓦時火電發(fā)電量的CO2排放量約為558 g，相比2020 年和2005 年分別降低了1.2%、35.0%[1]。作為對比，2021 年中國的單位千瓦時火電發(fā)電量的CO2排放量約為828 g，由此可見，風電、光伏發(fā)電等非化石能源發(fā)電在減少溫室氣體排放中的貢獻巨大。國家出臺了一系列政策措施，持續(xù)推進風能、太陽能等新能源發(fā)展。2022 年5 月14，國務院辦公廳印發(fā)通知，要求認真貫徹落實《關于促進新時代新能源高質(zhì)量發(fā)展的實施方案》[2]，繼續(xù)發(fā)揮新能源在能源保供、增供方面的作用，提出創(chuàng)新新能源開發(fā)利用模式，加快推進“沙、戈、荒”地區(qū)重點大型風電光伏發(fā)電基地建設。2023 年3 月28 日國家能源局發(fā)布的《〈關于促進新時代新能源高質(zhì)量發(fā)展的實施方案〉案例解讀》[3]，繼續(xù)對風電快速發(fā)展予以支持，要求能建盡建、能并盡并、能發(fā)盡發(fā)，持續(xù)推動構建以清潔低碳能源為主體的能源供應體系。

截至2022年底，中國風電累計裝機容量為3.65億kW[4]，是2010年4473萬kW裝機容量的8.16倍[5]。2022 年中國風電發(fā)電量超8192 億kWh，較2021年增加了1636 億kWh。2022 年中國風光發(fā)電量為1.19 萬億kWh，比上一年增加2073 億kWh。風電裝機和發(fā)電量逐年升高，表示中國風電產(chǎn)業(yè)保持著良好的發(fā)展勢頭。與此同時，電網(wǎng)消納能力有限、風電與電網(wǎng)發(fā)展不協(xié)調(diào)、國家逐步取消補貼等問題制約了中國風電投資收益。因此，通過技改增效或者退役改造等手段，增加老舊風電場的盈利能力，成為當前需要解決的重大課題。

中國風電開發(fā)及分布主要以陸上風電為主，數(shù)據(jù)表明：2021 年底，中國累計風電裝機容量中，陸上風電占比約為91.82%[6]，因此，如何從現(xiàn)實途徑分析并解決目前陸上老舊風電場面臨的問題，找到陸上老舊風電場可持續(xù)發(fā)展的方向，具有重要指導價值和實踐意義。鑒于此，本文針對陸上老舊風電場，探討目前中國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展所面臨的問題，并提出了有針對性的解決方法。

1 中國風電發(fā)展歷程

中國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況如圖1 所示。中國風電產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展大致可分為5 個階段[7]：1)示范階段(1986—2002 年)，此階段的風電裝機容量較小、大多來自進口，主要發(fā)展方式是“引進→吸收→再創(chuàng)造”，基本上屬于專業(yè)技術人才培養(yǎng)階段；2)起步階段(2003—2005 年)，國家積極出臺多項鼓勵政策，投資主體在風電特許權的鼓舞下積極進場，風電產(chǎn)業(yè)呈鋪開趨勢；3)飛躍發(fā)展階段(2006—2010 年)，多項風電政策和實施細則的出臺了以及各級政府在行政審批管理上的支持和投入，助推了全國風電項目的建設提速；4)深入調(diào)整階段(2011—2020 年)，國內(nèi)風電產(chǎn)業(yè)鏈開始形成相對成熟的風電機組設計、制造、安裝、運營、電力出清全鏈條能力，風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展從模仿跟隨變?yōu)橐I創(chuàng)造，但與此同時，也出現(xiàn)了大規(guī)模“棄風限電”，老舊風電場設備老化、電網(wǎng)消納能力有限、售電補貼逐步取消等突出問題；5)成熟發(fā)展階段(2021—2050 年)，2021 年風電全面進入平價時代，在風電的平準化度電成本繼續(xù)下降的驅(qū)動下，高效率、高可靠性、低成本將成為風電產(chǎn)業(yè)繼續(xù)發(fā)展的持續(xù)推動力。

圖1 中國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展狀況Fig.1 Development status of wind power industry in China

按照風電機組20 年設計壽命計算，到2025年中國將出現(xiàn)超過1.2 GW的風電機組退役規(guī)模[9]，而根據(jù)中國風電裝機容量逐年增加的趨勢推算，2025 年之后將有更多的老舊風電場中的風電機組步入壽命末期。2021 年12 月，國家能源局綜合司發(fā)布的《風電場改造升級和退役管理辦法(征求意見稿)》(下文簡稱為“《征求意見稿》”)中鼓勵并網(wǎng)運行超過15 年的風電場開展改造升級和退役，這一辦法則將風電場面對此類問題的時間判斷進行了向前平移。《征求意見稿》中的改造升級和退役主要針對常規(guī)意義上的“小機組”，而截至2020 年底，中國風電累計裝機容量為290 GW，其中1.5 MW 及以下的風電機組機型占比約為33.9%，裝機容量共98 GW 左右。從風電機組機型來看，這些風電機組均是常規(guī)意義上的“小機組”，可以被3 MW 及以上的“大機組”替代。從數(shù)量來看，“十四五”、“十五五”期間將分別有1100 臺、32600 臺發(fā)電機組面臨退役[10]。

2 老舊風電場面臨的問題

受技術和經(jīng)驗不足、風電機組機型選擇范圍小、微觀選址和早期評估粗糙等多重因素影響[11]，老舊風電場的風電機組機型、布局與當前技術相比普遍落后。隨著時間的發(fā)展，老舊風電場面臨技術、經(jīng)濟、運維管理等方面的問題，具體如圖2 所示，在日常運行中，預估風速不準確、維護成本變大、實時功率特性與設計指標偏差巨大等情況現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，給風電場健康持續(xù)運營帶來一系列難題。

圖2 老舊風電場面臨問題的框圖Fig.2 Block diagram of problems faced by old wind farm

2.1 技術和經(jīng)濟問題

由于風電機組服役年限的持續(xù)增加，由于風電機組原有零部件老化導致的運行損耗和發(fā)熱量增加，機組原有的通風散熱系統(tǒng)無法滿足散熱需求，但是高溫故障率較高的變頻柜、電控柜所處空間有限，因此散熱改造難度大；老化風機葉片出現(xiàn)墜落、折斷的概率逐年增大，這類由于內(nèi)生性因素(疲勞、結(jié)構缺陷、材料強度不足等)和外源性因素(風沙點蝕、強陣風沖擊、低溫脆斷等)耦合作用所導致的問題，不能通過技術改造得到完全解決。

老舊風電機組原有的一系列關鍵零部件，例如：轉(zhuǎn)子、葉片、偏航系統(tǒng)、齒輪箱、軸承、發(fā)電機、潤滑等頻繁出現(xiàn)問題，并不能通過離散的、小規(guī)模的技術改進徹底解決。一方面，受早期設計制造能力的影響，長期運行的老舊風電機組因環(huán)境適應性降低、風電機組檢修難度大等問題導致風電場的經(jīng)濟效益降低，收益不足以覆蓋運營成本。另一方面，老舊風電場在設計時受技術條件所限，在項目整體規(guī)劃、微觀選址、資源利用率等方面均存在缺陷，導致風電場的年等效利用小時數(shù)偏低，收益提升空間有限。

老舊風電場技改經(jīng)濟難題主要為資金投入困難，具體表現(xiàn)為：受收益不理想、財政補貼兌現(xiàn)不及時的影響，技改貸款資本金出資困難；受金融機構對技改效果和收益償還不確定性擔憂的影響，風電場從金融機構獲得的貸款額度不及預期[12]。多重因素疊加增加了老舊風電場收益、融資額度的不確定性，導致其進行技改的經(jīng)濟難題不易破解。

2.2 運維和管理問題

由于老舊風電場的建設時間早、規(guī)模小，運維和管理方面存在風電機組、人員、備品、備件相對分散的缺點。一方面，老舊風電場很難配置基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的風電資源管理體系和方法，影響了采用量化管理等手段對資金、人員、物料等關鍵資源的合理調(diào)度；另一方面，風電場的計劃性維護并不足以解決設備故障、葉根螺栓斷裂、溫控閥異常等突發(fā)性需求，而非計劃性維護則容易受到備件、現(xiàn)場環(huán)境、故障發(fā)生時間等因素的影響。

2.3 其他問題

受早期并網(wǎng)規(guī)劃、送出路線、配置升壓站等措施的影響，電網(wǎng)承受能力不能滿足老舊風電場改造后的送出需求，風電項目開發(fā)者需協(xié)調(diào)送出線路投資或者增資；技改時增高塔筒、增長葉片的需求可能涉及到部分道路拓寬或路線變更，而生態(tài)紅線的劃定可能會限制此類變動；當?shù)鼐蜆I(yè)和電力安全還可能受到風電場改造的影響，行業(yè)對此類問題的密切關注與需求日益突出。

3 老舊風電場的退役改造

3.1 改造方案選擇

對于風電機組運行周期接近20 年設計壽命的老舊風電場，一般可以采取3 種改造方式：

1)經(jīng)過全面評估之后，對于安全風險大、檢維修價值低且臨近退役或超期服役的風電機組，全部退役拆除并恢復場地植被；

2)對于目前改造資金相對不足的老舊風電場，可以在綜合考慮財務可持續(xù)性和改造投入成本間的平衡關系后，采取“檢修+局部改造”的技改增效方式，延長風電機組壽命；

3)基于風電機組性能和技術經(jīng)濟性考慮，采取“以大代小”模式對風電機組進行等容改造或者增容改造。這種改造方式中，可能有部分老舊風電機組予以策略性保留。

第1 種改造方式不僅涉及到風電機組拆卸、地基拆除、植被恢復問題，還涉及到風能資源浪費和原有風電場投資主體的利益受損問題。一方面，中國老舊風電機組大部分都位于風能資源相對充裕、交通相對便利的Ⅰ、Ⅱ類風區(qū)，關閉風電場會造成該地區(qū)的資源浪費；另一方面，風電場的退役成本涉及到原有設備處置費用、生態(tài)修復費用、拆除過程中的排污費用，以及可能的環(huán)境污染補償費用，這些費用是否或者多大程度上由原風電場投資主體承擔，目前并沒有完善的政策支持和保障體系。綜上所述，雖然老舊風電場的生態(tài)修復具有社會公益價值，但關閉老舊風電場是否是改造最優(yōu)選擇仍需進一步討論。

第2 種技改增效改造方式，老舊風電場施行起來也存在困難。一是老舊風電場的經(jīng)濟效益一般較差，很難籌措到足夠的資金繼續(xù)投入；二是對超過運行年限的風電機組進行大修、零部件維修或更換時，由于90 年代風電機組大多是從歐美引進，導致零部件采購困難；三是改造后的舊風電機組的容量一般仍會低于目前的先進風電機組，容量提升不足。在風電場總裝機容量不變的情況下，通過將葉片加長或加裝葉尖小翼[13]、定槳升級變槳、優(yōu)化風電機組運行模式進行技改增效，對處于運營末期風電場而言，可使其發(fā)電量提升70%～100%[14]，但繼續(xù)技改帶來的效果翻倍的空間較小，且相比于“以大代小”改造方式的提升效果有限。

綜上所述，技改增效和“以大代小”這兩種改造方式均可以延長風電場壽命周期，增加或延長風電場的發(fā)電功率、發(fā)電性能及可持續(xù)性。只采用“以大代小”改造方式則可能出現(xiàn)“一刀切”、重復投資、資源浪費的風險，而技改增效方式對風電場發(fā)電量提升的幫助不大。因此，應在綜合評估比較兩種改造方式的投資成本、收益等關鍵指標后，采用單獨或組合實施的方案。

3.2 改造時注意的要素

1)風電場改造時，場地重新平整、集電線路改造、道路拓寬、設備運輸?shù)冗^程會對原地表植被、土壤濕度、景觀優(yōu)勢、生態(tài)群落穩(wěn)定性、物種多樣性破壞，因此應采取有效的預防和恢復措施。

2)風電場改造時可能對周圍野生動物，尤其是鳥類產(chǎn)生影響，可以利用既有風電場對鳥類進行觀測、分析，采取適當?shù)木徍筒呗裕匾獣r啟動改善鳥類周邊環(huán)境的補償機制[15]。

3)改造時應重視由于國家、省市對生態(tài)紅線的重新劃定而引起的場界超出生態(tài)保護紅線，以及國家林業(yè)和草原局《關于規(guī)范風電場項目建設使用林地的通知》(林資發(fā)[2019]17 號)發(fā)布后所出現(xiàn)的新的林地侵占問題，要足夠重視生態(tài)保護、堅決避開生態(tài)紅線。

4)風電場改造時，應保證噪聲水平符合GB 3096—2008《聲環(huán)境質(zhì)量標準》和DL/T 1084—2021《風力發(fā)電場噪聲限值及測量方法》等規(guī)范的要求，減少噪聲對廠界聲環(huán)境及附近居民區(qū)的影響。

5)重視風電場改造和調(diào)試過程中危險廢物的產(chǎn)生、收集、貯存、運輸和處置，應嚴格落實GB 18597—2023《危險廢物貯存污染控制標準》等相關法律法規(guī)，探索并建立廢棄電池、油污、風機葉片等危險廢物分級、分類綠色回收處置、資源循環(huán)再利用體系。

此外，風電場中風電機組的架設變動還會改變原有空氣動力學的粗糙度，進而影響邊界層湍流運動，改變陸地表面的物質(zhì)能量強度、近地層大氣之間的水分交換模式[16]；風電機組尾流效應還會導致大氣中熱量通量和水汽通量的變化，進而表現(xiàn)為溫度、降水、風速的改變。

3.3 影響改造效果及收益的因素

老舊風電場改造涉及一系列的直接和間接因素，這些因素單獨或耦合后對風電場及其機組安全運行、持續(xù)獲利會產(chǎn)生正面或負面影響。此外，單一風電場的改造還可能涉及到對風電場群的影響，應在改造時予以充分考慮。由于上游風電場布局參數(shù)、規(guī)模參數(shù)等改變所引起的最大尾流損失、風電機組間距改變對下游風電場的影響[17]，應開展場群協(xié)調(diào)控制技術研究。

3.3.1 影響改造效果的因素

1)風電機組布局。通常采用“以大代小”改造方式時會對風電機組布局進行優(yōu)化，改造時拆除老舊風電場中單機容量小且發(fā)電效率低的風電機組，在已拆除機位中選擇風能資源較好的安裝位布置大容量風電機組[18]，或者異位重新排布。調(diào)整布局前，通過優(yōu)化模型得出最優(yōu)的布置方案，提升風電場的整體風能利用率和綜合經(jīng)濟效益。常見的優(yōu)化模型包括：Jensen 尾流模型、Gaussian 尾流模型、Park-Gauss 模型等，以及針對這些模型的小生境遺傳算法、網(wǎng)格-坐標化遺傳算法、AD 修正方法、RANS 修正方法。

2)塔筒穩(wěn)定性。塔筒是風電機組的支撐結(jié)構，其穩(wěn)定性和可靠性直接影響該機組的運行安全，且其制造成本約占整機的15%～20%[19]。因此，除了在風電場改造前期對風電機組荷載進行分析外，還應考慮極端天氣對塔筒氣動荷載的影響，具體包括風輪上氣動荷載、塔筒自生風載、風電機組變槳距荷載等情形。

3)基礎穩(wěn)固性。利用既有風電機組技改時的機會，需要重新檢查混凝土基礎的承載能力及混凝土與基礎環(huán)的緊固質(zhì)量，必要時采取加固措施。研究表明，基礎環(huán)下法蘭處的混凝土，以及鋼板與混凝土的接觸面都是薄弱部件[20]，在疲勞往復荷載的作用下，薄弱區(qū)域可能會遭受氣蝕損傷；混凝土澆筑時容易在基礎環(huán)下法蘭處出現(xiàn)不密實或脫空區(qū)[21]。因此，風電機組改造時，一是應采取加固措施保證現(xiàn)有基礎的承載能力，二是應采取基礎環(huán)與錨栓復合連接等方式加強基礎環(huán)和鋼筋與混凝土基礎的握裹作用[22-23]。

4)邊坡地形。采用“以大代小”改造方式時，通常需要在原有風電機組機位上進行土建施工以應對塔基荷載變大的情形，這在客觀上會造成地形改變，通常是出現(xiàn)人造高邊坡地形[23]。邊坡地形易改變區(qū)域流體的湍流強度，產(chǎn)生較大的風切變，乃至形成尾流渦旋區(qū)，影響風電機組的安全運行和發(fā)電效率。

5)雷擊風險。風電機組改造，一般會提升輪轂的高度，這就使暴露在大氣環(huán)境中的葉片、塔筒、電氣設備、機艙遭受雷擊的可能性變大[24]。雷擊會損壞風電機組系統(tǒng)設備，擾亂風電場的正常運行，造成經(jīng)濟損失甚至人身傷害。因此，風電場改造應綜合考查風電機組所在地的海拔高度、地質(zhì)環(huán)境、雷電災情等歷史數(shù)據(jù)，并采取相應的防雷保護措施。

3.3.2 影響改造收益的因素

影響老舊風電場改造收益的因素主要是電價及政策因素。政府基于風電決策的關鍵影響因素構建的合理激勵政策[25]，有助于降低投資風險及融資成本，對風電產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展至關重要。

1)電價及補貼。國家發(fā)展和改革委員會在《關于2021年新能源上網(wǎng)電價政策有關事項的通知》(發(fā)改價格[2021]833 號)中明確了新核準的風電項目將不再享受電價補貼。雖然取消補貼對行業(yè)發(fā)展產(chǎn)生阻礙，但企業(yè)改進技術、創(chuàng)新理念等應對措施仍然是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必由之路。因此，應采取靈活的適應性措施主動提高風能利用率，并利用分時電價、儲能、制氫等手段參與削峰填谷、風儲聯(lián)合、綠氫生產(chǎn)，實現(xiàn)收益調(diào)節(jié)最大化。

2)稅收優(yōu)惠。國家稅務總局于2022 年發(fā)布了《支持綠色發(fā)展稅費優(yōu)惠政策指引》，其中第50 項指出“風力發(fā)電增值稅即征即退”，從制度上減輕了發(fā)電企業(yè)的稅收負擔，對企業(yè)的發(fā)展具有正向激勵作用。自2021 年3 月1 日起施行的《西部地區(qū)鼓勵類產(chǎn)業(yè)目錄(2020 年本)》則對部分地區(qū)的風電企業(yè)提供了所得稅優(yōu)惠措施。稅收優(yōu)惠通過減稅擴大了企業(yè)的稅后收益，增加了企業(yè)下期投資基金儲備，且提升了企業(yè)績效[26]。因此，風電企業(yè)應充分利用國家財稅政策的激勵效應，對政策帶來的負效應進行主動研判，提升項目盈利水平。

3)碳稅、碳排放交易。朱永彬等[27]發(fā)現(xiàn)，在市場價格機制下，政府征收碳稅會提高含碳能源的價格，促使企業(yè)選擇清潔能源進行替代。這表明開征碳稅是風電企業(yè)發(fā)展的有利外部環(huán)境，且碳稅可以通過多種形式返還給風電企業(yè)，促進老舊風電場淘汰落后產(chǎn)能、改進清潔生產(chǎn)工藝流程。石敏俊等[28]的研究結(jié)果表明，碳排放交易與適度碳稅，尤其是階梯式碳稅相結(jié)合的復合政策可以確保減排目標的實現(xiàn)，因而風電作為低碳能源供應鏈的重要一環(huán)，參與到碳交易環(huán)節(jié)是實現(xiàn)沖抵化石能源碳減排要求額度的必要手段[29]。

4 老舊風電場可持續(xù)發(fā)展方向

大規(guī)模風電開發(fā)是中國改善能源結(jié)構、加快低碳化進程的關鍵舉措。老舊風電場參與多種能源形式的電源結(jié)構，既能優(yōu)化所在地區(qū)的發(fā)電結(jié)構，又能解決長期存在的棄風限電問題。同時，多種能源形式的組合投入與豐富能夠帶來與電力行業(yè)直接相關的產(chǎn)出效應和收入效應的增加。

4.1 參與形成大規(guī)模風電場群

采用智能化控制的方式，將老舊風電場與位置相近的多個風電場組成風電場群。風電場群有利于彌補中國風能資源與負荷中心逆向分布的缺陷；原本分散的獨立電源集中后可形成技術規(guī)范且外送條件一致的“單一”電源，大幅優(yōu)化了區(qū)域風電系統(tǒng)的集成度，有利于降低電網(wǎng)多端接入成本及電力系統(tǒng)動態(tài)調(diào)度的復雜性。

4.2 與煤電聯(lián)營

風電企業(yè)與煤電企業(yè)可以通過交易發(fā)電權而調(diào)整企業(yè)間計劃電量的分配比例，也可以二者共同參股一體化經(jīng)營，或者是煤電企業(yè)為風電企業(yè)提供調(diào)峰等輔助服務[4]，多種實施方式均能夠提高二者的收益，促進綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展，加快煤電由主體基荷性電源向調(diào)節(jié)性電源轉(zhuǎn)變。

4.3 與儲能聯(lián)營

具體的聯(lián)營模式可以是風電與儲能聯(lián)營，也可以是風電與抽水儲能聯(lián)營。前者是將電能轉(zhuǎn)化為電化學能，可以降低聯(lián)營系統(tǒng)的運行成本，提高電網(wǎng)系統(tǒng)對風電的消納能力；后者則是在電力負荷低谷期，將電能轉(zhuǎn)化為重力勢能，成為一種具有短時調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相能力的優(yōu)質(zhì)電源。儲能系統(tǒng)作為調(diào)節(jié)電源，打破電力生產(chǎn)和消費實時平衡的剛性約束[30]，有效提升風電利用率、風電消納空間。

4.4 參與多能互補

建設和推廣多種用能方式，例如：“風電+光伏發(fā)電+光熱儲能”“風電+供暖”“風電+油氣勘探開發(fā)”“風電+光伏發(fā)電+電制氫+抽水蓄能”等，充分發(fā)揮不同電源的時空互補性。在完善的價格機制和政策激勵措施下，通過全局優(yōu)化控制和經(jīng)濟調(diào)度，能夠減低社會用能成本，提升能源安全水平。

5 結(jié)論

中國老舊風電場存量大，且隨著時間的發(fā)展，呈現(xiàn)出增量變大趨勢，發(fā)揮先進技術的驅(qū)動效應對老舊風電場進行換代升級，是當前中國可再生能源發(fā)展規(guī)劃和實施的重要抓手，也是中國新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大的必經(jīng)階段。本文對老舊風電場改造難題及影響因素進行了詳細分析，其應正視自身所面臨的技術、經(jīng)濟、運維、管理問題，分析自身所面臨問題的產(chǎn)生因素和政策形式，通過退役和改造升級提升發(fā)電能力，能夠促進風電產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，助力實現(xiàn)“雙碳”目標。