凭海迎风 起舞取电 ———上海勘测设计研究院设计建设东海大桥海上风电场全过程扫描

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凭海迎风 起舞取电

———上海勘测设计研究院设计建设东海大桥海上风电场全过程扫描

朱碧泓　宋础　刘连春

海风是取之不尽用之不竭的绿色新能源。目前，我国陆上风电场开发技术条件已较成熟，但海上风电场开发建设尚处于起步阶段。较之陆上风电项目，海上风电场以其风资源优越、环保、节约土地、规模大等优势受到越来越多的关注，但海上风电机组单机容量大，设备可靠性要求高，施工条件复杂，技术难度大，尤其是台风影响下建设条件更为复杂。为了促进我国海上风电资源的开发，探索和积累海上风电场建设经验，２００６年国家发展和改革委员会同意开展上海东海大桥海上风电场建设的前期工作，同时明确为了确保海上风电建设的成功，按装机１００兆瓦的规模开展可行性研究工作，按照有利于培育我国海上风电设备制造技术和掌握、积累海上风电施工技术和经验的原则，研究确定项目的技术方案和建设方案。

２００６年９月～１１月，上海市发展和改革委员会组织进行了东海大桥海上风电场项目的业主招标工作。以中国大唐集团公司、上海绿色环保能源工程有限公司、中广核能源开发有限责任公司、中国电力国际有限公司等四家公司组成的联合体中标该项目。上海勘测设计研究院作为联合体技术支撑单位，为该项目编制了先进、合理的技术方案，为项目组中标提供了技术保证，这标志着我国第一个海上风电示范项目———东海大桥１００兆瓦海上风电场建设工作正式启动。

充分论证

开发新能源是我国能源发展战略的重要组成部分，我国政府把开发可再生能源放到国家能源发展战略的优先地位，并提出了相应的政策措施。风能资源是新能源领域中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一，其在减轻环境污染、减少温室气体排放，促进可持续发展方面有着突出作用。为鼓励风力发电的发展，国家发展和改革委员会提出，到２０２０年全国建设３００００兆瓦风电装机容量的目标，并配合国家颁布实施《可再生能源法》，相继出台了《可再生能源发电有关管理规定》、《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》等政策，积极支持风能资源的开发。《上海市能源发展“十一五” 规划》总体目标和方针中，将新能源和可再生能源发展作为本市科教兴市的重点领域，实现能源可持续发展。上海市崇明、长兴、横沙三岛和南汇、奉贤沿海区域具有较丰富的风力资源，自１９９７年开始开发风力发电，目前已建成奉贤、崇明和南汇陆上风电场。２００５年开始，上海勘测设计研究院开展了海上风电场建设前期工作的研究。

东海大桥海上风电场是我国及亚洲第一座海上风电场，工程位于上海市东南、东海大桥东侧的上海市海域，风电场场址范围占用海域面积约１４平方千米。风机设备采用３４台单机，３兆瓦风力发电机组，装机规模为１００兆瓦。

上海是缺乏矿产、水能等一次能源的地区，电力供需矛盾突出，能源需求不断增加。为提升国际化大都市形象，加强环境保护，发展本地新能源尤其是风力发电，是对上海市电力工业的有益补充，从而建立起合理高效的能源消费模式和多元化的能源供给体系，实现能源与社会、经济、环境的协调发展。上海勘测设计研究院对东海大桥海上风电场建设从能源发展建设条件、环境保护、综合效益、工程方案等方面进行了大量的论证工作。东海大桥海上风电场建设符合我国能源产业发展战略和方向，可持续发展需要，有利于改善当地经济结构，加快经济发展；有利于改善电网结构，是上海市电网能源消耗的有益补充，具备有利的建设条件和资源优势；有利于保护生态环境；具有节能和减排效益，环保效益、社会效益显著；符合上海市海域使用总体规划，并有利于综合开发利用海洋资源以及其重要的示范作用。因此，项目建设是十分必要的。

突破瓶颈

上海勘测设计研究院自１９９６年起致力于风力发电研究，至今已十余载。该院作为东海大桥海上风电场的勘测设计单位，承担了该项目从规划选址、预可行性研究、项目业主招标、可行性研究、招标及施工图全过程勘测设计。海上风电场设计技术难度大，风险高，目前我国还缺少相关的技术规范和实践经验。该工程的设计涉及到海上高耸结构、超长超大直径钢管桩基础、大型动力设备基础、软土地基、复杂海洋环境、海事、航道、船舶、海底电缆、顶管、超高限海上吊装安装等诸多复杂技术。设计中遇到了诸多涉及需要通过自主研发才能解决的海上风电新领域的核心技术难题。项目组全体人员群策群力、刻苦攻关，细致扎实地工作，克服重重困难，努力推进项目设计，将难点与亮点完美结合。

海上风资源评估成为第一道难题。该工程作为国内第一个海上风电场，风资源的评估及其合理性、可靠性对风电场的建设起到至关重要的作用。由于目前国内尚没有海上风资源分析的相关规范，同时受海上风电前期建设条件制约，风电场风资源分析难度很高。为充分分析场址区的风资源情况，上海勘测设计研究院在可行性研究阶段，收集了风电场周边多座陆上、海上测风塔以及气象站、海洋站的测风资料，利用我院多年在风资源分析中的经验，并借鉴气象部门分析风能资源的方法和手段，考虑海、陆风况变化情况和台风影响等因素，对这些测风塔、气象站的测风数据建立数学模型，进行详细、深入的计算分析，对风电场风资源进行推算和验证，提出了合理可靠的风能资源分析图，为风电场布置和合理估算发电量提供了可靠的依据。该分析方法在国内处领先地位，并得到评审专家的好评。

第二道难题是如何优化电气设计。根据东海大桥海上风电场所处地区电网、风电场装机规模和风机选型情况等，通过多方案技术经济综合比较，从可靠性、灵活性和经济性出发，确定风电场集电线路方案和升压变电站电气主接线，风电场内采用一台风机配一台３５千米箱变的形式，场内集电线路采用海缆敷设，为避免场内海缆路径发生交越，造成敷设困难，考虑到最优的电缆路径，３４台风机分组通过海缆线接入变电站。根据航道清淤和冲刷以及船舶抛锚等因素，经技术经济论证，合理选择电缆埋深，解决了由于风电场内及风电场至南汇嘴海堤边的区域内船只较多，海缆路径需经过东海大桥通航孔，而且海床为柔软的沉积淤泥层的问题。升压变电站ＧＩＳ设备技术优势明显，可为业主将来的运行、维护提供更为便利的条件，同时提高设备可靠性，减少发电受阻损失费用的经济效益。风电场按照“无人值班、少人值守”的原则设计，风力发电机组采用全计算机方式进行监视控制，体现出较高的自动化水平。

再破难题

海上风力发电机组基础结构具有重心高、承受的水平风力和倾覆弯矩较大等受力特点，设计过程中还须充分考虑离岸距离、海床地质条件、海上风浪以及海流等外部环境的影响，因此海上风电机组基础的造价是海上风电工程总造价的主要组成部分之一，研究合理的基础结构是国内外海上风电场研究开发的重要课题。东海大桥海上风电场风机轮毂安装高度为９０米，单机容量为目前国内最大，风电机组承受循环重复动力荷载，由于场址地质条件较差，同时还要考虑到可行、安全、经济、适用等方面的要求，因此，基础设计至关重要。该工程风机基础为同时具备高耸动力设备基础、海洋工程基础和软土地基基础三大工程特性的特殊结构，针对上述工程特性进行专门设计研究，重点解决风机荷载分析、桩基动力承载特性、结构和地基基础疲劳、系统频率分析、结构耐久性、结构流激振动、防撞等问题。

上海勘测设计研究院根据国外现有海上风机塔架基础结构型式、国内外海上石油平台、海上灯塔及海上跨海大桥的设计经验，并结合场址区地质条件，提出了三角架组合式基础、四角架组合式基础、高桩承台群桩基础和单根钢管桩基础四种可能的风机基础结构型式。通过对这几种结构型式分别从基础结构特点、适用自然条件、海上施工技术与经验以及经济性等方面的比较和论证，在海上风电中首次采用了高桩承台群桩方案。具有结构安全可靠、基础防撞能力较高、施工方便等优点。在结构设计上，采用国际上先进的海上风电结构分析和海洋工程结构分析专用和通用软件以及国内海洋工程设计等多种软件对基础荷载、整体频率、桩基和承台结构进行了大量的分析，全面掌握结构的应力和变形情况。上海勘测设计研究院与施工单位、设备厂商、科研院所通力合作，最终采用了风机整体吊装方案，解决了海上风电场陆上组装技术、运输方案、海上整体吊装方案等关键技术，该工程的设计方案达到国内领先水平。

东海大桥海上风电场是我国及亚洲第一个海上风电场，为国内海上风电场建设示范性工程，被列入上海市能源发展“十一五”重点项目。它的建设将为我国发展海上风电场积累宝贵的工程设计、设备制造、机电安装和运行管理经验，为逐步建立海上风电的技术标准体系，形成拥有自主知识产权的海上风电设计、制造和施工技术创造条件，为今后规模发展海上风电奠定坚实的基础。

２０１０年，建成后的上海东海大桥风电场将成为上海世界博览会上一道亮丽的风景线，一台台大风车将面朝大海迎风取电、为民造福。作为国内第一家开展海上风电场设计的弄潮儿———上海勘测设计研究院将继续发扬“不畏艰难、拼搏进取、诚实守信、追求卓越”的精神，继续为提高我国海上风电场的设计技术水平而不懈努力！