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【科技日報】 又一個全球第一!這次來自海上

發布時間:2022年11月03日

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  從山東濰坊港乘船出海,兩個小時后,寬廣的渤海海面上出現一派壯麗景象:一臺臺百米高的白色風電機組迎風矗立,猶如一排排筆直挺立的高大士兵。這里是山東昌邑市海洋牧場與三峽集團300兆瓦海上風電融合試驗示范項目海上風電場。10月31日,這里的工程師迎風作業,對海上風機進行著精細調試,為即將到來的并網發電做著積極準備。

  截至2021年底,我國海上風電累計裝機26.38吉瓦,占全球海上風電裝機總量的48%,位居全球第一。

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  亞洲首座海上風電場——上海東海大橋海上風電場

  面對大風,風電技術研發人員化身“御風者”,乘風而上、化風為寶,將強勁的海風轉化為一度度清潔電能,為我國綠色低碳的新能源發展闖出一條新路。

  習近平總書記指出,我國是一個海洋大國,海域面積十分遼闊。一定要向海洋進軍,加快建設海洋強國。

  黨的二十大報告指出,“加快規劃建設新型能源體系”“加強能源產供儲銷體系建設,確保能源安全?!?5年來,我國海上風電從無到有,從探索期、培育期進入了高速發展期,海上風電的布局也從潮間帶、淺海,逐漸向深遠海挺進。

  2022年起,我國海上風電的補貼全面取消,海上風電行業將進入低成本、規?;陌l展階段。通過技術創新、降本增效提升市場競爭力成為必然。

  為何選擇與大海博弈

  1991年,距離丹麥海岸線兩公里的海域,11臺白色風車組成的“鋼鐵森林”迎風傲立,“童話王國”的海岸線出現了世界上第一座海上風電場。

  全球海上風電起源于歐洲,迄今海上風電已有約30年歷史。全球風能理事會發布的《全球風能報告2022》顯示,2021年,全球海上風電新增裝機容量21.1吉瓦,同比增長兩倍,創歷史最大增幅。

  為應對氣候變化,各國都在能源結構和生產方式上尋求變革?!队茉窗踩珣鹇浴诽岢?,2030年,海上風電裝機達到50吉瓦。德國海上風電預計在2030年達到30吉瓦。美國計劃到2030年累計裝機達到30吉瓦。

  大海到底有何魔力,吸引各國爭相將大風車矗立在蔚藍的海面上?

  與陸上建設風電場相比,海上風能資源豐富、儲量大,可集中連片大規模開發。而且,海上的風資源稟賦好,風速大、功率密度高;更為關鍵的是,風電場的建設需要大量的空間場地,海洋面積廣闊,沒有地表障礙物限制,可不斷向遠海深海開拓。

  在我國,發展海上風電有特別的優勢。我國海上風電資源豐富,相比于陸上風電資源,其到達沿海等高能源需求地區的距離短、成本低,適合大規模開發。福建、浙江、山東、江蘇、廣東等用電大省,正好都是沿海地區。

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  江蘇響水海上風電場進行升壓站吊裝

  “應從兩個方面認識海上風電的重要定位:戰略意義上,海上風電對實現我國碳達峰碳中和目標具有重要地位;科技意義上,風電各產業鏈技術是國際必爭的制高點?!敝袊こ淘涸菏?、中國華能集團原董事長舒印彪說。

  海上風電是高度資本密集型行業,它的健康發展離不開政策管理和長期規劃的完善。近年來,我國海上風電發展迅速,行業崛起的背后是國家政策的大力支持。

  作為海上風電發展的親歷者,中國三峽新能源(集團)股份有限公司副總經理、黨委委員呂鵬遠見證了我國海上風電發展的三個階段。

  2007—2011年為探索規劃期,《海上風電場工程規劃工作大綱》出爐,正式啟動我國沿海地區海上風電規劃。

  2012—2017年為重點培育期,《全國海上風電開發建設方案》等系列規劃方案出臺,海上風電成為我國風電發展的重點任務,數個規?;暮I巷L電場建成?!笆濉蹦┢谑俏覈懮巷L電向海上風電發力轉型的“分水嶺”。呂鵬遠介紹,當時,六座千萬千瓦級風電基地集中在“三北”地區,由于本地消納能力不足,外送通道短缺,大量清潔風電被“遺棄”。國家能源局的數據顯示,2015年全國風電棄風率為15%,成為有史以來棄風最嚴重的年份。也正是在2015年前后,我國海上風電建設迎來了提速。

  2018—2021年底為快速發展期,《關于促進非水可再生能源發電健康發展的若干意見》出臺,我國海上風電加快從近海向遠海邁進的腳步。

  從全球范圍看,現階段海上風電整體仍處于發展初級階段。根據全球風能理事會統計,截至2021年,全球海上風電累計裝機規模為56吉瓦,在全球風電總裝機中只占7%。

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  廣東陽江沙扒海上風電場

  我國擁有18萬公里的海岸線,200多萬平方公里的大陸架和6500多個島嶼,海上風資源技術開發潛力超過3500吉瓦。如今,我國新增海上風電規模已位居全球第一,成為全球最重要的海上風電市場之一。

  在國家政策加持下,國內多家海上風電企業開始與大海的博弈。將風機搬進海洋并非易事

  2007年,遼東渤海灣,中海油綏中36-1油田的鉆井平臺上,赫然立起一個與石油開采不相干的龐然大物。近40米高的白色塔筒托舉著風機機頭,三支約40米長的葉片迎風旋轉,就像一位全副武裝的鋼鐵巨人在與海風搏斗。

  這是我國第一臺在海洋環境中運行的直驅永磁風電機組,這臺由新疆金風科技股份有限公司(以下簡稱金風科技)研制的試驗樣機裝機容量僅有1.5兆瓦,機型還是陸上風機的機型。而在當時,國外的海上風機已經能做到3.6兆瓦。這意味著要縮短與國外的差距,我國海上風電全產業鏈要追趕數年。

  當渤海灣的這臺機組點亮第一盞燈時,也點亮了中國海上風電繼續遠航的燈塔。

  然而,風電產業從陸地走向海洋絕非易事,首當其沖便是自然環境更為復雜。在陸地上架設風機只需考慮風載荷的影響,但在海上,風機遭遇的環境載荷來自風、浪、流的聯合作用。南方沿海臺風頻發,渤海冬季海冰入侵,對風機和基礎的強度與疲勞性能提出更高要求。此外,高濕、高鹽的環境會加劇對葉片的腐蝕,不光導致發電量的下降,嚴重時還會損毀風機設備。

  呂鵬遠告訴科技日報記者,海底地形、地質較為復雜,特別是東海、南海海域起伏陡峭、遍布礁石及孤石,有的海底高差大,有的裸巖堅硬如鐵,對工程施工提出了嚴苛的要求。面對復雜的海洋環境,只有大力推進科技創新,才能實現風力資源的高效利用。

  “十一五”至“十三五”期間,國家層面支持風電產業科技創新的力度不斷加強,863計劃、國家科技支撐計劃、國家重點研發計劃在風電領域設立科研項目,密集支持海上風電機組關鍵零部件的研制與測試技術的開發,并在2019年的可再生能源與氫能技術項目中,布局面向深遠海的大功率海上風電機組及關鍵部件的設計研發項目。

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  上海東海大橋海上風電場

  2010年6月,亞洲首座海上風電場——上海東海大橋海上風電項目并網發電,標志著我國海上風電建設進入實戰階段。迎著海風展翅高旋,每年將2.67億度電通過海底電纜送回陸地,可供上海20余萬戶居民使用一年。

  今年2月22日,我國自主研制、擁有完全自主知識產權的13兆瓦抗臺風型海上風電機組在福建福清下線。這是迄今為止亞洲地區單機容量最大、葉輪直徑最大的風電機組,國產化率達到了90%。

  13兆瓦風電機組有多大?它的輪轂中心高度達130米,相當于43層樓高,它的葉輪直徑相當于三個福建艦航母并排的寬度。大功率(兆瓦數)風機,是名副其實的“海上風電大國重器”。單就這一臺風機,轉一圈能發電23千瓦時,可以讓25瓦的電燈點亮38個晝夜。

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  國產十三兆瓦風電機組成功下線

  起步雖晚的中國海上風電產業,牢牢抓住發展機遇。從2007年首臺1.5兆瓦風機,到2009年東海大橋3兆瓦風機,再到2017年興化灣風電場6.7兆瓦風機,直到今年13兆瓦風機下線,我國海上風機制造能力走在了世界前列。根據彭博新能源財經公布的數據,2021年全球風電整機制造商排名中,我國風電整機制造商占據了前10名中的6席。

  15年來,中國海上風機的單機容量翻了3番,以每年一個兆瓦的速度在增加。從跟跑,到并跑,再到實現領跑,這是中國海上風電人的夢想。作為海上風電大機型“孵化器”的福建三峽海上風電產業園,見證了這個夢想的實現。

  發展海上風電,福建海域有一個非常重要的優勢:受季風和臺灣海峽“狹管效應”的影響,福建風力資源豐富,是中國乃至世界海上風電的極佳地。但是,風好也意味著海上風電建設的窗口期少、浪大?!叭绻陂_發難度最大的地方將海上風電圓滿地建設起來,那么我們建其它地方的海上風電就能更容易?!必撠熀I巷L機安裝的中交第三航務工程局有限公司相關負責人說。

  為了海上風機的創新應用,2017年9月,三峽集團在福建福清興化灣擺下全球海上風電“奧運”競技場,建設了國內第一個海上風電產業園。金風科技、上海電氣、明陽智能、東方電氣、GE等8家國內外知名風機廠家的14臺風機同場競技,目標是遴選出最適合我國海上風電發展的風機,以推進海上風電高端裝備國產化、大型化。

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  福建興化灣海上風電場

  金風科技總裁曹志剛回憶說,福建興化灣風電場對風機的要求達到或者接近當時國際先進水平,單機容量實現6.7兆瓦?!皩χ袊L電裝備制造業來說,從3兆瓦提升到6.7兆瓦,尤其是在臺風頻發的東南沿海,保證風機快速穩定運行并不是件簡單的事情?!辈苤緞傊毖?。

  單機容量擴增一倍多,風機機頭的重量將由不足200噸提升到400噸,葉片的直徑由過去的121米達到了154米,風機的掃風面積相當于2.5個足球場。將這樣的龐然大物穩穩地立在海上,對工程建設是巨大挑戰。

  呂鵬遠清楚地記得,當時參加比賽的兩個外國廠家提供的產品為定型產品,金風科技做的卻是首臺套。最后在海上安裝風機時,正常的調試時間是72小時,金風科技用時不到10小時就完成調試,性能還優于國外同類產品,打了一場漂亮的翻身仗。

  依托海上風電競技場,福建興化灣的產業園一邊實驗,一邊建設。2018年底,產業園建成,海上風電全產業鏈實現落戶。如今,金風科技、東方電氣等國產風機已經供不應求,產業園中除了6.7兆瓦風機之外,8兆瓦的機型也已量產,13兆瓦風機已經下線,15兆瓦以上的風機正在研發。

  向深遠海進發的號角已吹響

  中國南海,離岸28公里,水深30米處,一臺高度超百米的風電機組屹立在三角結構的漂浮平臺上,遠遠望去,悠悠轉動的巨大槳葉赫然醒目,葉片轉動1小時,滿發5500度電,可夠一個三口之家用上兩年。

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  全球首臺抗臺風型漂浮式海上風電機組——“三峽引領號”

  這是我國擁有完全自主知識產權的漂浮式風電機組及基礎平臺,具有大容量、抗臺風、漂浮式的特點,2021年12月7日,機組正式并網發電,標志著我國海上風電邁出了向深遠海獲取風能資源的探索步伐。

  海上風電向深遠海挺進,漂浮平臺建造、超遠距離輸電等工程技術是繞不開的難題與挑戰。

  與近海機組“站立”海底不同,漂浮式風電機組及基礎平臺是用錨系與海底鏈接,讓浮體與風機像不倒翁一樣“漂”在海面上,保證風機即使在臺風來臨時也不沉不倒,不出問題。

  長期從事風能研究的中國科學院力學研究所研究員楊曉雷在接受記者采訪時表示,此前,我國在海洋工程上發展的漂浮式平臺技術主要針對油氣開采,無論是海下水深、承擔載荷、安全系數以及經濟指標都與海上風電的漂浮式平臺有很大差別。而且國際規范的適用性不足,因此盡管歐洲等國家的漂浮式技術與建造經驗相對成熟,卻并不完全適用于我國的海上漂浮式風電建設。

  “讓風機安全穩定地漂浮起來,核心難題在于制造出適合于我國海域特點的風機與漂浮式基礎?!睏顣岳妆硎?。

  目前,歐洲仍然是深遠海域海上風電的先行者,歐洲市場已經完成建設漂浮式單立柱式風機20余臺,半潛式風機10余臺,多個海上風電強國也已在深遠海域進行布局。截至2021年底,全球已經投運的商業化漂浮式海上風電場共3個,均位于英國。

  遙遠的海上風場,怎樣將電送上岸?

  在所有海域鋪設海纜不可行。如果大規模開發、遠距離輸送,海纜的成本將很難負擔得起,海域的建設更不允許。中國“御風人”想到一個辦法,建設“海纜路由”——海上換流站,用柔性直流將電從遠方送來。

  在江蘇如東離岸50公里的黃沙洋海域,行船遠眺,高度約15層樓的海上換流站穩穩地立在大海上,向過往的船舶凸顯著存在感。而在海底,一根根海纜正深埋在淤泥海床下,將海上風電場的電能匯聚于此,再通過換流站轉換為損耗更低的直流電后,送至陸上。

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       江蘇如東海上風電場

  江蘇如東風電場是我國第一個海上柔性直流輸電工程?!叭嵝灾绷鬏旊娛情L距離海上風電的最佳選擇?!眹W江蘇省電力公司建設部副主任吳威告訴記者,電網要實現穩定運行,控制好電壓和頻率兩項指標至關重要,它們相當于一個人的血壓和心率。柔性直流不僅輸送電能,還能調節電壓,它的應用就像人有了強健的心臟和血管,能很好控制心率和血壓。

  2021年11月8日,隨著7號風電機組葉輪緩緩轉動,柔直輸電的首批機組成功并網,長達108公里的輸送距離創造了國內紀錄,正負400千伏的電壓等級,比歐洲已采用的海上柔性直流輸電工程還要高。

  吳威說,只簡單地將直流與交流相比,同樣斷面的線纜,直流可以多輸送4倍電能,成本下降的同時還可以減少工程對海域的干擾與占用。

  互聯網+大數據改進運維管理

  因為運行效率高、輸電距離短、不占用土地、適宜大規模開發等特點,我國相關部委和沿海多省份出臺的能源規劃中,都將海上風電作為未來的重點發展方向。

  2021年10月21日,國家發展改革委等九部門聯合印發《“十四五”可再生能源發展規劃》,提出有序推進海上風電基地建設,積極推動深遠海海上風電技術創新和示范應用,不斷推進深遠海海上風電降本增效,以實現海上風電平價示范。

  今年5月26日,國內首艘“運輸+起重”一體化深遠海海上風電施工船——“烏東德”號在江蘇南通順利出塢;9月28日,國內首艘2000噸級第四代海上風電安裝平臺——“白鶴灘”號在廣州南沙順利交付。兩艘海運重器開拔出海,為我國海上風電開發走向深海劈波斬浪。

  我國海上風電建設如火如荼地推進,海上風電運維與管理更是不可或缺。

  “由于我國海上風電在近幾年才開始迅速建設和并網發電,海上風電機組尚未經過充分的運行驗證,運維管理也缺乏相應經驗,基本照搬陸上風電管理模式?!睏顣岳渍f。據統計,目前我國海上風電場整體的運維成本,遠高于同等裝機容量的陸上風電場運維成本。

  曹志剛告訴記者,導致海上風電運維成本較高的原因有兩個。一是海上風電所處特殊環境造成的設備可靠性差、故障率高、維修工藝難度也高;二是受機組可靠性未充分驗證的影響,運維團隊專業性欠缺,遠程故障診斷和預警能力還不健全。

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        我國首個北方海域開發的海上風電場——大連莊河海上風電場

  如何提升海上風電運維能力,降低運維成本,是產業界關注的焦點,也是科研領域發力的方向。

  在楊曉雷看來,隨著信息技術加速應用,海上風電運維正逐步向狀態檢修為主、計劃檢修和故障檢修為輔的模式轉變。運維團隊可以通過在風機和風電場布設風力傳感器,實時感知風況,加強狀態監測預警,甚至可通過物理原理+神經網絡算法,實現對風況的高效預測,以提前調整風機運行狀態,在提升發電量的同時降低海風對風機結構的破壞。

  “故障診斷和遠程預警是支撐海上風電運維高效運轉的另一項關鍵技術?!睏顣岳妆硎?,借助智能風機的安裝,我國海上風電運維企業要盡快建立海上風電機組智慧運維體系,通過運維大數據的采集、分析和計算,不斷提升故障預警診斷能力,及時進行工單推送,優化運維策略。

  就成套設備而言,我國海上風電現有的運維船舶更適合距離海岸較近的風電場作業,且運載能力有限。隨著海上風電場離岸距離的增加,船舶的油耗成本、承載能力以及對抗惡劣天氣的能力都將限制其在運維作業中的應用。因此,曹志剛建議,未來急需加速制造更多更適合我國海上風電運維的專業化船舶并投入使用。

  浩瀚海洋,風起電至。中國的大風車在更廣闊的海域安家落戶,繼續著變海風為能源的努力。

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