陸上風(fēng)電場技術(shù)降本方案研究

楊靖文 張雙益

（1北京瑞科同創(chuàng)能源科技有限公司 北京 100079 2北控清潔能源集團有限公司 北京 100102 3中國科學(xué)院大氣物理研究所國際氣候與環(huán)境科學(xué)中心 北京 100029）

近年來我國可再生能源開發(fā)利用取得明顯成效，水電、風(fēng)電、光伏等能源種類的裝機在能源結(jié)構(gòu)中占比不斷攀升。截止2018年年底，我國風(fēng)電累計裝機容量達到1.84億萬kW，占全部總裝機容量的9.7%，連續(xù)9年位居全球第1［1］。

長久以來國家主要通過補貼來達到新能源與煤電的平衡，以促進新能源的快速發(fā)展［2］。近年來隨著風(fēng)電技術(shù)進步，發(fā)電成本也逐漸向煤電成本靠近。2018年全國陸上風(fēng)電項目的平均單位kW造價約為7100元，部分地區(qū)單位kW造價已低于 6000 元［3］。目前東北、內(nèi)蒙、新疆等風(fēng)資源優(yōu)良［4］、年利用小時數(shù)達到3000h以上的地區(qū)已初步具備了風(fēng)電平價上網(wǎng)的可行性。但是全國大部分地區(qū)在目前條件下實現(xiàn)平價上網(wǎng)還一定的難度［5］。2019年以來國家發(fā)展改革委、國家能源局接連發(fā)布了《關(guān)于積極推進風(fēng)電、光伏發(fā)電無補貼平價上網(wǎng)有關(guān)工作的通知》、《關(guān)于2019年風(fēng)電、光伏發(fā)電項目建設(shè)有關(guān)事項的通知》等，大力推動風(fēng)電競爭性配置和補貼退坡政策，加快了風(fēng)電平價上網(wǎng)的步伐。政策規(guī)定從2021年起新核準(zhǔn)的陸上風(fēng)電項目將全面實現(xiàn)平價上網(wǎng)。風(fēng)電等清潔能源與火電等傳統(tǒng)能源在同一個平合上競爭既是大勢所趨［6］，也是風(fēng)電由替代能源走向主力能源的必由之路。為降低風(fēng)力發(fā)電成本、提高經(jīng)濟效益，促進風(fēng)電平價上網(wǎng)，本文以河南某風(fēng)電場為例，對典型陸上風(fēng)電項目的工程造價構(gòu)成情況進行了分析，對多種技術(shù)降本方案進行了總結(jié)，并初步評估了應(yīng)用效果，為我國陸上風(fēng)電場的開發(fā)建設(shè)工作提供參考建議。

1 典型風(fēng)電項目的工程造價構(gòu)成

我國中東南部地區(qū)（山東、江蘇、安徽、河南、湖北等）低風(fēng)速高切變風(fēng)電場［7］是我國目前陸上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)的重點區(qū)域。2018年中東南部地區(qū)的風(fēng)電新增裝機容量在全國占比為56.8%［8］。河南某風(fēng)電場項目總裝機容量100MW，擬安裝15臺輪轂高度100m的2.5MW風(fēng)電機組，25臺輪轂高度140m的2.5MW風(fēng)電機組。項目以110kV電壓等級接入電網(wǎng)，送出線路按自建考慮。項目的工程造價構(gòu)成如表1所示。風(fēng)電場的靜態(tài)總投資為7.46億元，單位kW靜態(tài)投資為7460元，分別給出了設(shè)備購置、建筑工程、安裝工程、其他費用（建設(shè)用地費、建設(shè)管理費、生產(chǎn)準(zhǔn)備費、勘察設(shè)計費等）和送出工程（場內(nèi)35kV集電線路全部計入安裝工程，場外110kV送出工程單獨計列）所占比例。從表1可見，設(shè)備購置的費用占比最大，其次為建筑工程，再次為安裝工程，而其他費用和送出工程的占比較少。

表1 典型風(fēng)電項目的工程造價構(gòu)成

2 工程造價的技術(shù)降本可行性分析

風(fēng)電項目的工程造價中其他費用主要包括建設(shè)用地費、建設(shè)管理費、生產(chǎn)準(zhǔn)備費、勘察設(shè)計費等，以上受風(fēng)電技術(shù)影響較少，因而不在技術(shù)降本研究范圍內(nèi)。送出工程的造價主要取決于線路的長度，且一般應(yīng)當(dāng)按照電網(wǎng)公司“統(tǒng)一設(shè)計，統(tǒng)一設(shè)備，統(tǒng)一造價”標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，不宜改變成熟的技術(shù)規(guī)范和要求，也不做為技術(shù)降本的主要研究方向。本文主要從設(shè)備購置、建筑工程和安裝工程等方面入手分析技術(shù)降本的可行性：

（1）設(shè)備購置。升壓站電氣設(shè)備、風(fēng)電機組箱變、安防等設(shè)備的費用占比小，且均是較成熟的設(shè)備，市場上可選廠商較多，采購價格一般較為平穩(wěn)。風(fēng)電機組、塔架、錨栓的費用占比較大，其中機組、塔架因新技術(shù)的應(yīng)用，最具降本的可行性。

（2）建筑工程。箱變基礎(chǔ)和風(fēng)電機組接地、水源等輔助工程、水環(huán)?；謴?fù)施工費等的占比較小，且從技術(shù)改進上難以取得明顯的降本。風(fēng)機基礎(chǔ)占比最大，道路和平臺占比次之，再次為升壓站建筑，以上均為技術(shù)降本的主要研究方向。

（3）安裝工程。升壓站設(shè)備安裝的占比較小，且從技術(shù)上進行降本的空間不大。其余風(fēng)機特種運輸和安裝則主要取決于風(fēng)電機組和塔架設(shè)備選型。集電線路占比最大，可通過集電線路精細(xì)化設(shè)計，合理設(shè)計線路降低造價。

以下針對技術(shù)降本的主要方案包括風(fēng)電機組、塔架、基礎(chǔ)、集電線路等方面進行探討。

3 技術(shù)降本方案

3.1 風(fēng)電機組定制化設(shè)計

風(fēng)電機組是風(fēng)電場的核心設(shè)備，在工程造價的單項中占比最高。風(fēng)電機組主要利用葉輪旋轉(zhuǎn)吸收風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，風(fēng)場的風(fēng)況特性是影響風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)完整性的主要外部條件?！讹L(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計要求》［9］（GB/T 18451.1-2012）按照風(fēng)速和湍流參數(shù)對風(fēng)電機組的等級進行了劃分，如表2所示。風(fēng)電機組應(yīng)設(shè)計成能安全承受由其等級定義的風(fēng)況（ⅠA～ⅢC），風(fēng)電機組的制造商應(yīng)在設(shè)計文件中明確給出風(fēng)電機組的等級。

表2 風(fēng)電機組的等級［9］

上述國標(biāo)是經(jīng)由IEC標(biāo)準(zhǔn)［10］轉(zhuǎn)換而來的，是基于歐洲當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)況特性來定義風(fēng)電機組的等級。由于歐洲地區(qū)多為高風(fēng)速風(fēng)場，其風(fēng)況特性與我國情況具有一定的差異性。目前我國中東南部地區(qū)低風(fēng)速風(fēng)場，大部分地區(qū)的年平均風(fēng)速在6m/s以下，50年一遇的最大10min平均風(fēng)速Vref在30m/s以下，湍流強度Iref在0.10以下。與表2中的最低等級ⅢC（Vref=37.5m/s，Iref=0.12）仍有一個等級的差距。因此若盲目按照目前現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)［9，10］進行風(fēng)電機組的設(shè)計，則對于我國低風(fēng)速風(fēng)場的風(fēng)況具有較高的冗余性。建議風(fēng)電機組制造商可根據(jù)我國低風(fēng)速風(fēng)場的風(fēng)況特性，開展機組的定制化設(shè)計。一方面可以合理去除現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中不必要的冗余，另一方面也可有效降低風(fēng)電機組的成本，以達到技術(shù)降本的目的。

3.2 塔架和基礎(chǔ)定制化設(shè)計

塔架和基礎(chǔ)在風(fēng)電場工程造價中占20%以上。塔架的主要功能是支撐位于空中的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，是風(fēng)電機組的主要受力部件之一。在塔架設(shè)計中應(yīng)保證具有足夠的強度和剛度，以承受風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行引起的各種載荷。對于非地震區(qū)和沿海地帶，風(fēng)載荷為風(fēng)電機組和塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制載荷［11］，如圖1所示。而基礎(chǔ)支撐著風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和塔架，是平衡風(fēng)電機組在運行中所產(chǎn)生的各種載荷的重要工具?；A(chǔ)設(shè)計是風(fēng)電場設(shè)計的重要部分，必須考慮塔架的尺寸、標(biāo)高、載荷、氣象和工程地質(zhì)等因素，利用成熟的設(shè)計軟件進行計算。

風(fēng)電機組配套的塔架和基礎(chǔ)設(shè)計，主要取決于風(fēng)電機組的荷載。風(fēng)電機組制造商設(shè)計時主要執(zhí)行國標(biāo)和IEC系列標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)電機組的荷載包絡(luò)線按照規(guī)定的10min平均參考風(fēng)速，根據(jù)不同設(shè)計狀態(tài)、風(fēng)況模型、機組本身和電網(wǎng)其他情況等計算得出。由上文所述，由于IEC等級風(fēng)況對于我國低風(fēng)速風(fēng)場的風(fēng)況具有較高的冗余性，因而計算出的載荷數(shù)值也較為保守，存在一定的優(yōu)化空間。

建議定制設(shè)計風(fēng)電機組配套的塔架和風(fēng)機基礎(chǔ)。對于具體風(fēng)電場項目，可根據(jù)風(fēng)資源評估的結(jié)果，在保證整體安全性的條件下，利用成熟的荷載設(shè)計軟件開展機組載荷優(yōu)化。然后根據(jù)荷載數(shù)據(jù)進行塔架設(shè)計，主要起到減小塔架壁厚和重量的作用。基礎(chǔ)設(shè)計還涉及到工程地址等情況，則較為復(fù)雜一些，在機組荷載減小的情況下，主要起到減少基礎(chǔ)材料用量的作用。通過塔架基礎(chǔ)定制化設(shè)計，起到技術(shù)降本的作用。

3.3 集電線路精細(xì)化設(shè)計

集電線路是風(fēng)電場的重要組成部分，在工程造價中占有一定的比例。集電線路的精細(xì)化設(shè)計主要體現(xiàn)在：路徑規(guī)劃設(shè)計、導(dǎo)地線選型和桿塔選型等方面。

（1）路徑規(guī)劃設(shè)計。集電線路的單基鐵塔體積小、路徑變化靈活，具備精細(xì)化設(shè)計和技術(shù)降本的空間。建議合理應(yīng)用航拍等科技手段，測繪地形圖盡量準(zhǔn)確，合理優(yōu)化集電線路路徑，盡量減少耐張塔的數(shù)量，盡量減少高跨段、大跨越段。

（2）導(dǎo)地線選型。受風(fēng)速大小變化的影響，風(fēng)電場出力存在較大的波動性，且全場同時滿發(fā)的機會非常少，因而導(dǎo)線不能充分利用。按照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)采用經(jīng)濟電流密度來選取導(dǎo)線截面［12］則會帶來較大的冗余，建議按照導(dǎo)線載流量選取導(dǎo)線截面，地線截面則需要跟導(dǎo)線配合，從而降低導(dǎo)地線成本。同時由于導(dǎo)線截面的減小，桿塔規(guī)格也可以降低。

（3）桿塔選型。目前經(jīng)常簡單地采用定型桿塔的成果，建議在路徑確定、桿塔排布確定后，對桿塔進行校核計算，確定桿件內(nèi)力。這種方法可以保證鐵塔的受力合理，塔型選取合理，但計算過程相對繁復(fù)，而且桿塔排布發(fā)生變化，前、中、后3個耐張段均需要重新計算，耗時可能較長。再次說明了合理的路徑非常重要，可以減少改動。

4 技術(shù)降本方案的應(yīng)用

4.1 風(fēng)電機組定制化設(shè)計方案應(yīng)用

表3給出了某風(fēng)電機組制造廠商設(shè)計的2.0MW系列風(fēng)電機組的等級?？梢钥吹?08/2.0MW型機組常規(guī)設(shè)計機組（ⅢB等級），而115/2.0MW型和121/2.0MW型機組根據(jù)我國中東南部低風(fēng)速風(fēng)場的風(fēng)況開展了定制化設(shè)計（S等級），年平均風(fēng)速從 7.5m/s分別降低到 6.5m/s和 6.0m/s，50年一遇的最大10min平均風(fēng)速也有所降低。

表3 2.0MW系列風(fēng)電機組的等級

通過定制化設(shè)計，使得葉片加長、載荷增大的情況下，整機和各零部件的材料和用量并無明顯增加，仍然可以在低風(fēng)速風(fēng)場安全穩(wěn)定運行壽命期20年。使用定制化機組在增大葉輪掃風(fēng)面積，增加發(fā)電量，提升經(jīng)濟效益的同時，機組成本得以有效的控制基本不變。以采用定制化設(shè)計的121/2.0MW型機組相比108/2.0MW型機組的發(fā)電量提升了20%，在成本造價保持不變的情況下，項目kWh電成本降低了20%。

4.2 塔架基礎(chǔ)定制化設(shè)計方案應(yīng)用

（1）塔架減重。單臺塔架重量321t，總重量12840t。根據(jù)風(fēng)資源狀況進行定制化設(shè)計后，單臺塔架減重20t，整個風(fēng)電場減重達到800t。按照塔架單價為0.95萬元/t計算，節(jié)省760萬元。塔架造價占比從15.89%降低到14.90%；

（2）基礎(chǔ)混凝土材料用量。風(fēng)電機組基礎(chǔ)混凝土總用量28241m3。進行定制化設(shè)計后，90m輪轂高度風(fēng)機配套擴展基礎(chǔ)混凝土用量為720m3，140m輪轂高度風(fēng)機配套樁基礎(chǔ)混凝土用量為500m3，總量為 23300m3，總減少用量 4941m3。可節(jié)省741萬元?；A(chǔ)造價占比從6.98%降低到6.02%。

4.3 集電線路精細(xì)化設(shè)計方案應(yīng)用

該典型風(fēng)電項目集電線路總長度為80km，精細(xì)化設(shè)計后每km可減少5萬元，共節(jié)省400萬元。集電線路造價占比從6.71%降為6.19%。

5 總結(jié)和展望

隨著平價上網(wǎng)的步伐加快，風(fēng)電項目的降本需求也日益突出，近年來涌現(xiàn)了多種技術(shù)降本方案。本文針對風(fēng)電機組定制化設(shè)計、塔架和基礎(chǔ)定制化設(shè)計、集電線路精細(xì)化設(shè)計等主要方案進行了總結(jié)和分析，為降低風(fēng)力發(fā)電成本、促進風(fēng)電平價上網(wǎng)提供參考建議。