风电场优化设计对提质增效的实践运用

风电场优化设计对提质增效的实践运用

张小飞

(华能云南滇东能源有限责任公司风电分公司云南昆明650000)

摘要：风能作为一种清洁而稳定的新能源，在环境污染和温室气体排放日益严重的今天，风力发电作为全球公认可以有效减缓气候变化、提高能源安全、促进低碳经济增长的方案，已得到世界各国的高度关注，以此同时，风电技术的发展也趋于成熟。针对区域风资料分布差异较大、项目投资相对较小和建设周期相对较短等风力发电项目建设的主要特点，充分发挥项目标准化和差异化相结合的优化设计，对风力发电项目的成本效益和资源有效性显得至关重要，同时对我们的规划和设计人员又提出了新的更高的要求。本论文实践为国内一家大型发电企业投资建设的项目，其设计优点突出，值得我们学习和借鉴。

关键词：标准化；差异化；成本效益；资源有效性；优化设计

1优化设计基本原则

该风电场设计遵循如下总体规划原则：

1.1考虑风电场整体的地形条件，尽可能减小地形条件带来的不利影响，并最大限度的利用地形条件可以带来的方便。

1.2风机布置时，在优先利用风能资源丰富区域的前提下，尽可能兼顾风电场的整体性，考虑其他分项工程设计的可行性和方便性。

1.3在各风机机组区、道路区、集电线路区等分项工程设计时，将分项工程本身设计的先进性与相关工程设计的协调性充分结合起来加以考虑。

1.4在各分项工程设计时考虑使其尽可能地共用施工辅助资源，并将今后运行维护的方便性、安全性、有序性等作为一个很重要的因素来考虑。

1.5结合各分项工程和风电场运行的特点，使各分项工程的设计具有针对性，从而达到风电场整体的可靠性和先进性。

1.6严格执行基本建设程序和施工程序。

1.7应进行多方案的技术经济比较，选择最佳方案。

1.8应尽量利用永久性设施，减少临时设施。

1.9重点研究和优化关键路径，合理安排施工计划，落实季节性施工措施，确保工期。

1.10积极采用新技术、新材料、新工艺，推动技术进步。

1.11合理组织人力物力，降低工程成本。

1.12合理布置施工现场，节约用地，文明施工。

1.13应制定环保措施，减少对生态环境的影响。

2优化设计内容及措施

2.1风电机组选型和布置

本工程在可研设计（投资决策）阶段采用XE100-2000kW作为蓝本开展微观选址设计工作，单机容量2MW，叶轮直径100米，单位千瓦扫风面积3.93m2/kW，直驱型式发电机，轮毂高度80m。

根据可研阶段微观选址成果，各机位轮毂高度处(80m)平均风速为7.2m/s，平均风功率密度为395.0W/m2。年平均理论发电量为16658.8万kW•h，综合折减系数为0.720，平均尾流损失为5.04%（最大9.13%，最小0.61%），考虑各项折减因素后，风电场年上网电量约11380.8万kW•h，年等效满负荷利用小时数约2371h，容量系数约0.271。

初步设计阶段，风机机型有所变化，单位千瓦扫风面积由3.93m2/kW提高至4.49～4.60m2/kW，单机捕风效率有小幅增涨，且初设阶段机位在风能资源较好区域布置较为密集，各机位平均风功率密度396.2W/m2也略优于可研阶段的395W/m2，故本工程年理论上网电量有小幅增涨。

初设方案各机位轮毂高度处平均风速为7.25m/s，平均风功率密度为396.2W/m2。本工程年理论发电量约为18415.6万kW.h，综合折减系数为0.720，平均尾流损失为5.04%（最大7.96%，最小0.37%），考虑各项折减因素后，本工程年上网电量约为12559.3万kW.h，年等效满负荷利用小时数约2616.5h，容量系数为0.299。

然而，由于初设阶段选择了不同叶轮直径和额定功率的机组进行交替布置，机位布置方案也有了一定的调整，因此虽然各机位平均尾流损失5.04%与可研阶段持平，但最大7.96%，最小0.37%，较可研最大9.13%，最小0.61%有了一定的优化。

经各项综合折减后，本工程初步设计阶段成果为年上网电量约12559.3万千瓦时，风电场工程初步设计报告风电场优化设计239kW.h，年等效满负荷利用小时数约2616.5h，容量系数为0.299。

表2-1风电场工程年上网电量优化对比总表

2.2集电线路的优化及措施内容

2.2.1集电线路区优化设计原则

（1）架空线方案一般适用于覆冰厚度不大，气象条件较好的区域及当地政府规划部门限制采用电缆的地区；并可根据项目具体情况经技术经济比较后确定。

（2）一般50MW风电场架空线按2个回路设计，电缆集电线路按3个回路设计，集电线路电压等级为35kV。

（3）合理设置电缆分支箱位置和合理的分支箱选型，减少支线长度，降低集电线路故障停电时间。风电场3回电缆集电线路共设计了12个电缆分支箱，用于分支线路的汇集。分支箱内设置了高压负荷开关，在支线故障时可断开相应回路负荷开关，不影响其他分支线正常发电。

2.2.2集电线路优化布置项目

（1）集电线路电压等级。

（2）集电线路接线方式。

（3）35kV集电线路截面选择。

（4）电缆绝缘材质和外护套选择。

2.3道路设计优化及措施

在完成了包括风机机位选址、集电线路选线、进场道路选线、场内道路选线和升压站选址几项工作，最终针对道路设计所得结果为进场道路方案调整和场内道路优化设计。

2.3.1进场道路方案优化调整

原可研方案进场道路采用改扩建原有的村村通公路和原有土路，即可进入场区。初设阶段本工程已具有1:2000地形实测资料，较可研阶段可更为准确的判断现场地形条件及道路选线条件。在结合地形图上作业成果在现场对可研方案进行认真踏勘、分析，认为可研阶段进场道路方案所选用路径较为平顺，可行性较高。但局部路段经过村庄，两侧距离道路较为密集的房屋需要进行拆除。可研方案因阶段局限性，所选择的进场道路方案工程局部需要调整，但初步设计阶段进场道路路径与科研所选路径基本一致。

综上所述，初设阶段，采用已具备的1:2000地形图资料，较可研阶段具备了较好的图上作业条件。经过现场测设和图上作业和认真分析比对后，沿用可研进场方案，仅对局部路段进行调整。结合1:10000地形图（宏观选线）和1:2000地形图（微观判断）资料，以及现场踏勘后，确定初设阶段推荐的进场道路方案，并随即开展1:500带状图测量。

2.3.2场内道路设计优化

（1）场内道路优化过程经风机机位优化布置后，风电场场内道路发生了相应的变化，场内道路的长度较可研有部分增加，但经过优化之后土石方工程量大幅减少。

现场微观选址结合1:2000地形图对场内主线道路、支线道路的路径走向基本选定。工作中针对部分重点段落路线方案进行了重点踏勘。对进场道路，主、支线道路及风机吊装平台进行1：500地形图测设。经过1:500地形图测设及现场放样，对路径进行优化。路径全线范围内做了微调，使路径尽可能的减少对植被的破坏和林地的占用，减少工程量。

（2）场内道路优化结果

表2-2风电场道路工程优化对比总表

由表2-2分析可知，初设阶段场内道路优化的主要成果为工程量的减少，计算采用地形资料较可研阶段精度高，工程量成果中土石方挖方总量较可研阶段减少129500m3，填方总量减少100200m3。在单位公里工程量上，初设阶段实算成果（1:2000地形图计算）较可研阶段估算成果（1:10000地形图估算），单位公里挖方量减少7529m3，土单位公里填方量减少5826m3，经技经计算后，综合造价少于可研阶段，优化成果显著。我院现已根据初设阶段成果开展1:500地形图测量，在完成测量后，在施工图阶段对道路设计方案进一步优化调整，进一步优化减少工程量。

2.4风机基础设计优化及措施

目前建设单位所委托的设计院有施工投产实例的基础型式主要有圆形扩展基础（投产多个）、圆形梁板式基础（投产多个）以及岩石锚杆基础（施工完成待投产），三种基础型式各有优势。就其工程量比较而言，岩石锚杆基础有较为明显的优势，但该种基础型式对场区地质条件要求较高，对工程地质勘察技术深度要求较高等特点。

下面对圆形扩展基础和圆形梁板式基础进行技术对比。

2.4.1技术经济比较

表2-3单台风机主要技术经济对比

2.4.2基础型式推荐结论

根据以上分析可知，圆形梁板式基础比圆形扩展式基础节约造价约18％，但圆形扩展式基础比圆形梁板式基础占地面积小约10％。且圆形梁板式基础比圆形扩展式基础施工周期长，钢筋绑扎复杂，模板用量大，施工成本大于圆形扩展式基础。综上，圆形扩展基础属于传统风机基础形式，施工技术成熟，在大多数风电场广泛应用。圆形梁板式基础演变于圆形扩展基础，能够减少混凝土用量，单个造价较低，但施工较为复杂，施工成本较高，且占地面积大于圆形扩展基础。因此，圆形梁板式基础相比圆形扩展式基础经济性不明显，在施工周期较紧的情况下，不建议采用圆形扩展基础。

3.优化设计初步成效

3.1风电机组选型和布置

本工程经多次研究讨论，风机机组最终选用直驱机型，风机布置也结合各机位轮毂高度处平均风速、平均风功率密度等因素采用2500kW和1500kW混搭的形式，虽然各机位平均尾流损失5.04%与可研阶段持平，但最大7.96%，最小0.37%，较可研最大9.13%，最小0.61%有了一定的优化，经各项综合折减后，本工程初步设计阶段成果为年上网电量约12559.3万千瓦时，风电场工程初步设计报告风电场优化设计239kW.h，年等效满负荷利用小时数约2616.5h，容量系数为0.299，较可研阶段，总体小时数有升高，若按0.2元/kW.h电价保守计算，20年寿命周期经济效益增加约4700余万元，中、长期相对经济效益非常显著。

3.2集电线路

根据项目地区气候及环境因素的特点，结合经济技术比较，该项目采用3回地埋35kV集电线路设计，并合理选型和设置分支箱，最大限度减少支线长度，降低线路故障影响停电时间，直接提高线路安全可靠性。

3.3道路设计

3.3.1进场道路方面

通过多方论证，最终还是确定采用可研进场方案，并仅对局部路段进行了避让性的调整，这也说明设计人员前期做了扎实的工作。

3.3.1场内道路方面

通过优级化场内道路的主要成果为工程量的减少，计算采用地形资料较可研阶段精度高，工程量成果中土石方挖方总量较可研阶段减少129500m3，填方总量减少100200m3。在单位公里工程量上，初设阶段实算成果（1:2000地形图计算）较可研阶段估算成果（1:10000地形图估算），单位公里挖方量减少7529m3，单位公里填方量减少5826m3，经技经计算后，综合造价少于可研阶段约500余万元，优化成果显著。

3.4风机基础

经多次研究讨论，结合该风电场地质和施工条件等特点，最终优化采用了工程量相比较小的岩石锚杆基础，较大限度的降低了风机的安全风险和投资成本，节约投资约50余万元，同时并从施工的角度考虑了难度和进度，有利于工程安全、高质、高效的建设。

结语

风力发电项目建设周期较短，如要充分发挥成本效益和资源有效性，要求我们在前期设计阶段，一定要超前谋划，并结合项目特点，应从变压站模快化设计、机组选型布置、道路、集电线路和风机基础等方面进行全面深入的优化设计，实现节约、高效、高质量发展的目标。风电事业正蓬勃发展，更需要我们无数的工作者坚定信心、奋力开创新能源发展的新局面，为我国新能源电力发展做出更大的努力和贡献。