我國海上風電技術從無到有走出國門

項目名稱：我國首座大型海上風電場關鍵技術及示范應用

主要參與單位：上海東海風力發(fā)電有限公司、上海電力大學、中交第三航務工程局有限公司、上?？睖y設計研究院有限公司、華銳風電科技（集團）股份有限公司、國網(wǎng)上海市電力公司、上海交通大學

項目簡介：上海東海大橋海上風電場是我國首個大型海上風電場，項目對海上風機、風機基礎、風機安裝、海上電氣系統(tǒng)等關鍵問題進行系統(tǒng)創(chuàng)新與先行先試，解決了海上大風浪、急洋流、強腐蝕等共性難題，攻克了我國海域強臺風、軟地基、通航需求等特殊難題。項目投運以來運行穩(wěn)定，成果應用至10多個海上風電場，經(jīng)濟社會效益顯著。綜合技術為國內(nèi)首創(chuàng)，打破國外壟斷，顯著促進行業(yè)科技進步，助推我國能源轉(zhuǎn)型。

海風吹來之時，不僅帶來了海龍王的傳說、老船長的歌唱，更帶來了清潔的能源。日前，由國網(wǎng)上海市電力公司牽頭組織申報的成果“我國首座大型海上風電場關鍵技術及示范應用”獲得2018年度國家科技進步二等獎。這不僅為我國深入開發(fā)近海風電資源提供了可參考、可復制的成功樣本，也有效推動了節(jié)能環(huán)保和美麗中國建設。

從海風到綠電的嬗變

我國是風能資源大國，風能資源包括陸上和海上風能。根據(jù)發(fā)改委能源研究所探測計算，中國陸地70米高度3級及3級以上風能可開發(fā)量超過26億千瓦，在現(xiàn)有風電技術條件下實際可裝機容量將超過10億千瓦。此外，我國東南沿海及其附近島嶼還蘊含著豐富的海上風能資源，水深不超過50米的近海海域風電實際可裝機容量約為5億千瓦。

1988年，我國最早的陸上風電場——新疆達坂城風力發(fā)電場一期工程正式投運。此后30年間，陸上風電場逐步興建，成為繼傳統(tǒng)火力發(fā)電、水力發(fā)電之后的新型發(fā)電形式。

1991年，世界上第一座海上風電場在丹麥投運。早期僅歐洲少數(shù)國家掌握海上風電技術，卻對我國實行技術封鎖與價格壟斷，我國遲遲無法開發(fā)利用豐富的海上風電資源。此外，與歐洲相比，我國海上風電開發(fā)難度更大：我國海域夏秋季節(jié)常受臺風沖擊，最大風力可達17級，極具破壞力；與歐洲硬土地基不同，我國沿海分布有大范圍淤泥質(zhì)軟土地基，地基承載力極低；我國海上風電場內(nèi)具有獨特通航需求，安全問題更突出。這些問題都使我國一度對發(fā)展海上風電心有余而力不足。

歷經(jīng)10年攻關，我國首座海上風電場——東海大橋10萬千瓦海上風電示范工程于2010年破繭而出，正式揭開我國海上風電開發(fā)利用的大幕?！拔覈鬃笮秃Ｉ巷L電場關鍵技術及示范應用”正是對這一工程的技術總結(jié)。

從建設到制造的攻堅

雖然海上風電場從外觀上看與陸上風電場似乎別無二致，但正是建設地點的特殊，決定了海上風電場建設的“步步驚心”。而經(jīng)過科研技術人員的長期攻關，制約建設的核心問題最終被攻克。

東海大橋海上風電場首創(chuàng)多樁混凝土-鋼組合式海上風機基礎，首次建立了軟土條件下的風機基礎流體動力計算模型，揭示了淤泥地質(zhì)中風機基礎受力分布規(guī)律；首創(chuàng)了多樁混凝土-鋼組合式基礎結(jié)構(gòu)，基礎可承受的壓拔承載力提高了20%、最大安全水平位移范圍提高了9%；發(fā)明了適用海洋淤泥地質(zhì)環(huán)境下高聳結(jié)構(gòu)的混凝土-鋼聯(lián)合承載技術，風機基礎撞擊承載性能提高了8倍。

此外，該風電場還首創(chuàng)大型海上風機整體安裝技術，發(fā)明了初定位、軟著陸與精定位的一體化整體安裝技術，將單座風機安裝的海上作業(yè)時間由3天縮短至1天，解決海上有效作業(yè)時間短的難題，提高了安裝效率與安全性。

建設難題的破解，賦予了東海大橋海上風電場雄壯的“形”，而為風電場量身度制的我國首臺國產(chǎn)海上風機，則為風電場激活了一顆激蕩的“心”。已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的國產(chǎn)海上風機，創(chuàng)建了動態(tài)氣、液、固三耦合風機載荷計算模型，發(fā)明緊湊型傳動鏈與載荷分流技術，實現(xiàn)風機有害載荷與有效載荷的高效分流，確保風機最大可承受17級風力的沖擊；首創(chuàng)大部件單元自維修系統(tǒng)，首次實現(xiàn)風機自身具備35噸的吊裝能力，解決風機在海上孤立環(huán)境、有限空間下的大型設備維修問題，降低了海上風機成本61.54%，保證平均可用率高于97%。

不僅要建設好，更要運維好海上風電場。運維團隊創(chuàng)建了大型海上風電場電氣系統(tǒng)優(yōu)化技術，融合海洋地理信息，構(gòu)建基于超網(wǎng)絡理論的大型海上風電場電氣系統(tǒng)全壽命周期優(yōu)化模型，提出柔性邊界技術，攻克了大型海上風電場電氣系統(tǒng)動態(tài)規(guī)劃多離散變量、強非線性等難題，解決海洋功能區(qū)復雜交錯的約束難題。與常規(guī)方法相比，上述技術節(jié)約示范工程電氣投資16%，可靠性提高47%。

2010年6月，東海大橋海上風電場一期工程投運，34臺國產(chǎn)3000千瓦風電機組扎根于距上海南匯嘴海岸線僅8～13千米的東海海域，在我國風力發(fā)電史上留下了濃墨重彩的一筆。

從國內(nèi)到國際的影響

今天，當你駕車行駛于連接上海蘆潮港和洋山深水港的東海大橋時，目光一定會被大橋兩側(cè)成片的海上風力發(fā)電機吸引。在2010年一期工程投運之后，東海大橋海上風電場二期工程于2014年年底投運，兩期工程總裝機20.42萬千瓦。

整個項目獲授權專利71項（發(fā)明40項），發(fā)表論文152篇（SCI/EI收錄101篇），制定標準17項。項目年平均發(fā)電量2.3億千瓦時，近三年新增產(chǎn)值89.8億元，新增利潤7.3億元，節(jié)約示范工程投資5.6億元，經(jīng)濟效和環(huán)境效益顯著。

一期工程投運以來，項目技術整體應用已逾7年。風電場的成功建設與多年安全穩(wěn)定運行，為國內(nèi)海上風電開發(fā)提供了成功示范。項目技術已經(jīng)推廣應用至江蘇、上海、福建、廣東等地13個裝機容量共260萬千瓦的海上風電項目，約占國內(nèi)海上風電總裝機的60%。

此外，項目組積極響應“一帶一路”倡議，項目成果出口至南非、瑞典、西班牙等國家；項目組成功獲得了瑞典K&M項目、南非METROWIND項目及南非BTE等項目合約，先后與巴西、愛爾蘭等多個國家簽訂了風電開發(fā)協(xié)議。

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