黃丹雯

天高云淡，海風浩蕩，一排排“大風車”——海上風力發(fā)電機，正“不知疲倦”地轉(zhuǎn)圈，為城市提供源源不斷的動力。

茫茫大海上，這些“大風車”看起來不起眼，但實際上卻是“大塊頭”——每根桿高約百米、寬約十米，葉片長度達到七八十米。

要想把這些龐然大物穩(wěn)固地“種”到海底，絕非易事。要想把它們所產(chǎn)生的清潔電能漂洋過海輸送到岸上千家萬戶，也不容易。

向海“攬”風，不僅僅是“有風即可”

“大風車”到底能建在什么地方，是不是海風大的位置就可以呢？

“海上風電在規(guī)劃階段就要進行選址工作，主要依據(jù)國家能源局和國家海洋局聯(lián)合發(fā)布的《海上風電開發(fā)建設管理辦法》、國家海洋局《關于進一步規(guī)范海上風電用海管理的意見》，以及能源行業(yè)標準《海上風電場工程規(guī)劃報告編制規(guī)程》等文件?！敝袊茉唇ㄔO集團廣東省電力設計研究院有限公司（以下簡稱“中國能建廣東院”）設計總工程師徐龍博向筆者透露，總的來說，海上風電選址必須符合海洋主體功能區(qū)規(guī)劃和海洋功能區(qū)劃，優(yōu)先選擇在海洋功能區(qū)劃中已明確兼容風電的功能區(qū)內(nèi)進行布置，同時統(tǒng)籌考慮開發(fā)強度和資源環(huán)境承載能力，科學選定風電建設區(qū)域。

海上風電場選址，首要考慮的，是選擇風能資源條件良好的海區(qū)，所以選址時會進行測風，主要觀測要素包括風速、風向、溫度及氣壓，且長期海洋氣象測量觀測持續(xù)時間不應少于1年?！熬蛷V東而言，粵西地區(qū)平均風速能達到5～8米/秒，粵東地區(qū)風資源還要更好些，平均風速能達到9.5～10米/秒，適宜規(guī)模化集中連片開發(fā)，因此‘十四五’期間新增投產(chǎn)裝機容量規(guī)劃，粵東地區(qū)達千萬千瓦級。”

其次，海上風電場選址要滿足“雙十”要求，即海上風電場址原則上應建在離海岸不少于10千米、灘涂寬度超過10千米時水深不得少于10米的海域。此外，還需集約節(jié)約用海，提高海域資源利用效率，單個海上風電場規(guī)劃裝機容量根據(jù)風電場場址面積，按照每10萬千瓦16平方千米以內(nèi)確定。

在進行選址調(diào)研時，對海底進行物理探測也十分必要。工程師們利用側(cè)掃聲納探測、淺地層剖面探測等方式，初步查明海底淺表層基巖、孤石或其它障礙物分布、埋深狀況;利用中地層剖面探測等方式，查明海底地層的結(jié)構(gòu)、分布、起伏情況，為后續(xù)鉆探、設計與施工提供基礎資料。

“海上風電場在建設前必須進行嚴格的海洋環(huán)境影響評估工作，在確保不會對海洋造成污染后才允許開工建設。”中國能建廣東院高級技術(shù)顧問湯東升介紹，在選址時，要避開各類限制區(qū)域，場址布局應符合海洋主體功能區(qū)規(guī)劃、海洋功能區(qū)劃等，避開航路航道、錨地和禁航區(qū)，通信、電力、油氣等海底管線的保護范圍和軍事設施涉及的范圍。

為了減少風電場對環(huán)境的影響，選址時要嚴守海洋生態(tài)保護紅線，嚴格滿足環(huán)境和生態(tài)保護要求，避開自然保護區(qū)的核心區(qū)、緩沖區(qū)和實驗區(qū)，海洋特別保護區(qū)的重點保護區(qū)、生態(tài)與資源恢復區(qū)，以及增殖放流區(qū)、灘涂濕地等鳥類集中棲息地及魚類等的洄游通道及“三場”（產(chǎn)卵場、索餌場和越冬場）等。

“針對海上風電場可能會對鳥類等生物帶來的影響，我們會通過合理布局風電機組位置，留下鳥類穿越通道，同時，將葉片尖端涂成警示色，可以減少鳥類碰撞風電機組的概率。在施工建設階段，則采用氣泡帷幕等屏蔽措施，降低施工噪聲對海洋生物的影響。”湯東升表示。

逐風斗浪，見巖不見得就最好

“Duang、Duang……”在湛江外羅海上，金屬敲打聲持續(xù)了一整晚。

“又是臺風！又是暴雨！”接踵而至的臺風，讓施工人員不斷嘆氣。一年只有一百來天能在海上搶工建設，好不容易盼來窗口期，剛施工沒多久，卻又要歇了。2018年，臺風山竹登陸湛江外羅海上風電場，海上作業(yè)得在臺風到達前停工，數(shù)百名施工人員第一時間進行轉(zhuǎn)移。想著不等人的工期，中國能建廣東院項目團隊只得繼續(xù)安排專人緊盯氣象預報，等待臺風過后，迅速返場進行施工。

海上風電場的施工，主要包括我們熟悉的“大風車”——海上風電機組，以及海上變電站、高壓送出海纜和陸上集控中心等幾部分。

“大風車”需要靠風機基礎才能穩(wěn)穩(wěn)立在海面上，“風機基礎是深埋在海底的，根據(jù)水深由淺及深，我們會選用重力式、單樁、導管架式、吸力桶式和浮式等基礎型式?！敝袊芙◤V東院項目經(jīng)理盧欽先向筆者介紹道，按結(jié)構(gòu)型式及其安裝方法分，風機基礎有樁式基礎、重力式基礎、吸力桶式基礎和浮式基礎等，目前廣東省的海上風機基礎型式主要采用單樁和導管架兩種基礎型式，其余基礎型式也逐步增加應用場景，通過打樁錘將風機基礎的鋼管樁打入到海床設計標高，再將風機塔筒與風機基礎相連接。

風機基礎的施工打樁，和陸地上的可不一樣。“在陸地上施工，我們可能會說，打樁要打到見巖才是最好最穩(wěn)固，但海上不一樣，風機基礎要穩(wěn)穩(wěn)扎根在海底，主要靠鋼管樁與海床之間的摩擦力。臺風一吹，長長的風機可能會產(chǎn)生晃動甚至傾倒，所以施工完的風機基礎的抗壓、抗拔力要夠。而在淺海施工時，有些水深只有十幾米，基巖面比較淺，抗拔力還不夠，所以還得往下打。”湯東升解釋說。

施工船定位、運樁船靠泊、起吊翻樁、單樁豎立、錘擊沉樁……施工隊按部就班，完成風機基礎施工，接下來風機安裝便是重頭戲。海上風電機組安裝方式主要包括整體安裝方式和分體安裝方式兩種。由于分體安裝時，海上作業(yè)施工受海況影響相對較小，所以，在風浪較大的廣東沿海海域，較多采用分體式安裝的方式，使用可以固定在海面上的自升式安裝船或坐底船將風機在海上拼裝，拼裝完的風機就呈現(xiàn)出公眾熟悉的“大風車”造型。

“廣東地區(qū)臺風頻繁，為了抵御臺風的侵襲，風電機組還設置了防臺風模式，當有臺風出現(xiàn)時，我們會通過遠程操作啟動該模式，這時，其中一個風機葉片會和風機桿重疊，整個風機呈現(xiàn)‘Y’形，可以降低臺風對風機的影響?！睖珫|升介紹道。

風機將風能轉(zhuǎn)換為電能后，要想將電能成功輸送至陸地，還得通過風電場的“心臟”——海上變電站，這是海上風電場的電能匯集中心，能將35千伏電能升壓至220千伏。

“目前，海上變電站主要為海上升壓站，如果海上風電場建在遠海并采用柔性直流輸電時，則需要建設海上換流站。”據(jù)介紹，海上升壓站包括上部結(jié)構(gòu)和下部支撐結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)主要布置有變壓器、配電裝置、應急柴油機、消防設備、暖通設備、吊機、逃生設備等;下部支撐結(jié)構(gòu)主要由樁式基礎構(gòu)成。海上升壓站在陸上完成上部組塊的制造、設備安裝和調(diào)試，再利用大型起重船整體吊裝到下部結(jié)構(gòu)上。

作為海上風電場的“大腦”，也是海上風電最后一道要塞——陸上集控中心，則負責遠程監(jiān)控著所有風電機組并管理整個風電場的運行。來自風力發(fā)電機組、海上升壓站以及連接的海纜等設施的運行狀態(tài)信息，都要傳輸?shù)郊刂行倪M行分析處理。

直流交流，看距離選輸電方式

將風機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的電能輸送至陸地只有一個渠道——海底電纜（簡稱“海纜”）。通過海纜把風機發(fā)出來的電順利送至距離風機數(shù)十公里的陸地主要有兩種方式，高壓交流送出和柔性直流送出。根據(jù)輸送方式的不同，海纜分為交流海纜和直流海纜，通常采用專用的敷纜船，采用牽引式鋪埋海纜方法，施工船依靠水力埋設機進行沖埋敷設。

一般來說，當海纜輸電距離小于等于70千米時，采用高壓交流送出;當大于70千米時，為了提高輸送容量并降低損耗，通常采用柔性直流送出。

“通俗一點說，高壓交流送出，就是把海上所有風機轉(zhuǎn)換成的電能，通過集電海纜匯集到海上升壓站升壓后，通過高壓海纜輸送至陸上集控站。而柔性直流送出，則是將風機的電能通過集電海纜匯集到海上升壓站升壓后，通過高壓交流海纜接入海上換流站變換為直流電能，再通過高壓直流海纜送至陸上換流站?！毙忑埐┙忉屨f。

據(jù)介紹，目前廣東省已投產(chǎn)的海上風電場全部采用高壓交流送出方式，除珠海桂山項目外，全部為220千伏電壓等級。隨著海上風電場規(guī)模越來越大、離岸距離越來越遠，廣東省在建項目已開始使用330千伏和500千伏電壓等級。相比而言，近海更為適宜采用高壓交流送出方式，但隨著海上風電場走向深遠海，柔性直流送出的經(jīng)濟性則逐漸顯現(xiàn)，未來將成為重要的海上輸電方式。

除了考慮海纜輸電距離，不同國家海上風電所處的發(fā)展階段、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟承受能力不盡相同，對輸電方案也需求各異。從技術(shù)成熟度、方案經(jīng)濟性、工程實用性等方面進行比對分析，我國在“十四五”乃至更長時期內(nèi)，將主要采用高壓交流、柔性直流輸電技術(shù)來實現(xiàn)海上風電并網(wǎng)送出，因地制宜地選用相應的并網(wǎng)送出技術(shù)方案，確保海上風電安全可靠、經(jīng)濟高效地并網(wǎng)運行。

延伸閱讀

三峽新能源陽西沙扒海上風電場

2021年12月25日，國內(nèi)首個百萬千瓦級海上風電場——三峽陽江沙扒海上風電項目宣布實現(xiàn)全容量并網(wǎng)發(fā)電，為粵港澳大灣區(qū)建設再添清潔能源動力，助力達成碳達峰、碳中和目標。這座海上風電場擁有國內(nèi)最大海上風機單樁基礎、國內(nèi)最大海上風機單樁基礎和國內(nèi)首個海上風機吸力桶導管架基礎。

國內(nèi)最大海上風機單樁基礎——為適應場內(nèi)強風化巖面深度在50到70米之間的區(qū)域，39個機位均采用大直徑單樁基礎，根據(jù)各機位地質(zhì)進行深度優(yōu)化設計。平均單個主體鋼料重1487噸，最大單個主體鋼料重1765噸，平均樁徑8.3米，最大樁徑9米。

國內(nèi)作業(yè)水深最大的四樁導管架基礎——10臺風機采用導管架基礎，導管架基礎高度超過48米，作業(yè)海域水深30米左右，在國內(nèi)首先采用板殼式過渡段結(jié)構(gòu)，能更好地適應大波高、大風機盤面、高荷載水平對過渡段結(jié)構(gòu)布置和承載性能的要求。

國內(nèi)首個海上風機吸力桶導管架基礎——為避免風機基礎嵌巖，3個機位采用三桶吸力桶導管架基礎。基礎總高約63米，總重量約1550噸，由3個桶徑13米、桶高11.3米的吸力桶和上部導管架結(jié)構(gòu)組成。2020年8月10日完成施工沉桶施工。