基于设计要素的风力发电新建项目设计优化申俊民

基于设计要素的风力发电新建项目设计优化申俊民

申俊民

（国家电投集团山西新能源有限公司太原030006）

摘要：文章以“国家电投岚县河口三期50MW风电项目建设工程”为例，从风资源和风机布置对发电量的关系、道路及平台设计、集电线路设计、风机基础及箱变基础设计、升压站设计等方面入手，对风力发电建设项目进行了优化，结果表明有利于提升发电量，降低工程造价，对新建风电项目具有现实可行的指导意义。

关键词：风电项目建设；设计优化

ResearchofNewWindPowerGenerationProjectDesignOptimizationBasedonDesignElements

SHENJunmin

(SPICShanxiNewEnergyCo.,Ltd,Taiyuan030006,China;)

Abstract:Taking"50MWWindPowerProjectConstructionProjectofSPICHeKouThreePhases"asanexample,Thispaperisstartedfromtherelationshipbetweenwindresourcesandwindturbinelayoutonpowergeneration,roadandplatformdesign,collectorcircuitdesign,windturbinefoundationandboxchangebasicdesign,Thedesignoftheboosterstationandotheraspects,optimizethewindpowerconstructionproject.Theresultsshowthatitisbeneficialtoincreasethepowergenerationandreducetheprojectcost,whichhaspracticalandfeasibleguidingsignificanceforthenewwindpowerproject.

Keyword:windpowerprojectconstruction;designoptimization

引言

随着风力发电行业的规模化发展，风电企业间的竞争愈来愈激烈，一些企业在没有充分研究和论证风电场投资和收益的前提下，为了迅速扩张，盲目开工建设，造成项目投资大、收益率低，甚至出现项目投产后就亏损不良局面。当前我国新能源行业即将步入平价上网时期，在失去补贴保障的政策压力下，企业如果仍然继续保持粗犷式的发展模式，不考虑投资和收益，未来的生存难以维系。因此，必须将风电项目的优化设计予以高度重视，降成本、降造价、增发电，提高项目的内部收益率，才能保障企业良性发展。基于此，本文以实际的建设项目“国家电投岚县河口三期50MW工程”为例，重点对风资源、风机布置方案、道路设计方案、风机基础设计方案、升压站设计方案及集电线路设计方案、工程造价进行了技术论证、优化。

1项目概况

国家电投岚县河口三期50MW工程位于山西省吕梁市岚县的河口乡附近的山区，风电场中心坐标为在东经111°33′17.34″，北纬38°29′55.40″，总面积约70平方公里。风电场区域内地形复杂，山势起伏，海拔高度介于1630m～2200m。

2设计优化

2.1风资源复核、风机布置及发电量优化

为了减小设计偏差，项目采用了1：2000的实测地形图，在此基础上进行了工程量优化。根据风电场内的6803#和8788#两座测风塔提供的资料，通过对该测风塔的风速资料进行处理、分析，包括①剔除仪器运行故障数据；②不合理风向数据替换；③缺测数据插补等方式，得出日实测完整年时段的连续各层数据。其中，6803#测风塔实测年，在测风时间段内测风10m、50m、70m、90m高度平均风速调整为为5.84m/s、6.15m/s、6.34m/s、6.42m/s，相应风功率密度分别为220.1W/㎡、240.7W/㎡、260.7W/㎡、267.0W/㎡。8788#测风塔10m、50m、70m、90m高度平均风速调整为4.98m/s、5.88m/s、6.14m/s、6.47m/s，相应风功率密度分别为125W/㎡、218W/㎡、256W/㎡、298W/㎡。

根据风机厂家提供的中标机型（明阳MY145/3000机型，轮毂高度90m），按照以下原则和方法调整风电机组的布置：①风电机组垂直于主导风能方向排列；②尽量减小风电机组之间的相互影响、满足风电机组之间行、列距的要求,在主导风向上要求机组间隔（行距）5～7倍风轮直径，在垂直于主导风向上要求机组间隔（列距）3～5倍风轮直径；③综合考虑风电场地形、地表粗糙度、障碍物等，将其影响降到最低；④充分利用风电场的土地，考虑风电机组之间的相互影响后尽量缩短机组之间的距离，从而减少集电线路的长度；⑤在满足各种约束条件前提下，以整个风电场发电量最大为目标对风电机组进行优化布置。同时充分考虑机位空气密度分布修正、尾流修正、湍流折减、叶片污染折减、功率曲线折减等方面因素，经优化计算，得到17台MY145/3000风电机组的排布方案，实际装机容量51MW，年上网电量为110.977GW•h，年等效满负荷小时数为2176.03h，容量系数为0.248。与可研报告中机型比选方案中17台WTG4-3000机型结果相比，年等效满负荷小时数提高了79.63h。

2.2道路及平台设计优化

本期工程项目位于山西省岚县西北部，岚县河口镇东南侧的山脊一带，场址附近有209国道，场内分布多条乡、村道，内外交通较便利。工程大件运输主要通过国道G209进行对外运输。按照就近利旧、避免新建、节约成本的原则，经现场踏勘，东、西两个区域间分布一座其他投资方新建成的风电场，该已投产风电场利用G209国道经X471县道进入到风场山脚下，而本风电场东区也紧邻X471县道，因此初步确定本工程东区风机区域场外道路利用X471县道进场。本风场西区北侧紧邻X471县道，西侧和南侧紧邻009乡道，周边道路条件较好，因此可利用该条道路作为西区场外道路。可确定道路路线为：东区叶片、塔筒、机舱、升压站主变等设备运输由设备厂家经相关高速及省道S46—G209—X471——风场。西区叶片、塔筒、机舱、升压站主变等设备运输由设备厂家经相关高速及省道S46—G209—X471—乡道009—风场。

本工程施工检修道路须沿山脊布置，连接各个风机位，道路设计不仅要参照《厂矿道路设计设计规范》GBJ22执行，同时也要满足风电场风电机组大件运输和施工检修车辆正常通行的要求，技术上必须具备可行，同时兼顾工程的安全可靠、环保美观以及经济合理等因素。另外，风电场施工期间运输量大，运输物件超长、超重，而施工结束后检修期间运输量较小，道路设计考虑永临结合。

风电机组体型尺寸和重量较大，大件设备如机头、叶片、塔架、箱式变压器等均须在指定平台地点一次卸到落地货位，尽量减少二次转运。根据风电机组的尺寸和现场吊装的需要，每台风机位置须设置安装场地，并与场内施工道路相连。本风电场3.0MW风机安装场地面积不小于1800m2，短边不小于35m。平台相对较平坦处，应按尺寸为40m×45m的矩形(含风机基础)考虑；平台地形复杂处，原则应以依照山体地形开挖、面积不大于1800m2、短边不小于35m的原则考虑布置。

经过设计优化后，本工程进场及场内道路全长为22.65km，其中进场道路长3.86km，场内道路长18.79km，全部为新建泥结碎石道路，经过道路优化设计后，避免了部分新修道路，减少了土石方的开挖和回填，优化后的设计方案总造价约1826.98万元，较该项目可研设计方案节省了约17万元，道路单公里造价80.66万元，较可研设计方案节省了约3.16万元/公里。

2.3集电线路设计优化

本期工程采用17台单机容量为3MW的风机，集电线路全线采用架空线路的设计方式，共设2条35kV集电线路。架空线路路径的选择，应尽量选择地势平坦、避开洼地、冲沟、不良地质区域、林木砍伐量较大的区域，特别是针对风电场集电线路，由于风机基本位于山脊上，集电线路路径的选择应该尽量避免在迎风面山坡走线，特别是线路处于舞动严重地区，尽量较少或避免线路与主导风向大于45゜至90゜方向走线；由于风电场常年风速较一般地区大，如果线路产生舞动会产生线路的导线断裂、铁塔螺栓松动甚至产生倒塌等严重事故。综合考虑各方面原因，尽量并入同一走廊，采用多回路同塔（杆）架设。尽可能减少转角个数，缩短线路长度,降低工程造价。

根据升压站35kV出线走廊规划，在出线段采用同塔双回路终端塔出线。根据风机的实际位置，其中1回集电线路分别连接7台3000kW的风电机组，1回集电线路连接10台3000kW风电机组。优化方案线路路径长度约为29km，其中双回路约为11.5km，单回路约为17.5km。集电线路工程量优化对比如下表所示：

2.4风机基础及箱变基础设计优化

风力发电机与箱式变压器组合方式采用一机一变方案，每台风机设一台箱式变压器，共17台。根据国电投典设相关内容，箱变基础拟采用钢筋混凝土箱型基础，基础采用C30钢筋混凝土浇筑，基础下设100mm厚C15素混凝土垫层，基础埋深约1.65m，边坡拟采用1:0.5。

根据现场实际开挖土石比，如果可用土方比较多需要外运，可以采用浅开挖上覆土的设计方案，相应抬高基础底标高，减少土石方开挖量及外运工程量。根据以往经验，风机机组塔筒与基础的连接采用锚栓连接出现安全事故较多，因此建议在具有可靠基础环连接方案的前提下尽量采用基础环连接。

根据地质资料及现场收资情况，风机基础可采用现浇钢筋混凝土圆形扩展基础，天然地基。现浇钢筋混凝土扩展基础底部平面呈半径10.4m的圆形，底板外缘高度1.0m，底板棱台高度1.6m，台柱高度1.1m，台柱直径7m，台柱出露地面0.3m。基础埋深为3.4m，基底下设100mm厚C15素混凝土垫层，承台基坑开挖深度为3.5m，开挖边坡拟采用1：0.5。

2.5升压站改建方案

项目升压站建设方案拟利用原一、二期已建升压站进行改扩建，拟新建一座35kV配电间、一台150MVA的主变压器、一条220kV屋外配电装置和一套40Mvar的无功补偿装置（包括控制楼和电抗器）。由于原升压站周边均为基本农田，实行围墙外扩建方案较为困难，工期以及花费均难以有效控制，因此对于升压站的优化布置拟考虑在原升压站围墙内进行改扩建，达到省时、省事、省钱的目的，提出两个方案。

①原方案：原考虑将本期无功补偿装置布置在一二期装置上部错层布置，经与设备厂家沟通，无功补偿装置的电抗器部分运行过程中振动较大，存在安全风险，不建议架起来错层布置，并且在二层布置建筑物的加盖费用和设备吊装费用相应增加，因此该布置方案不符合实际的经济和安全要求。

②优化方案一：该方案35kV配电间沿原配电间向北扩建，满足配电柜布置要求；主变压器布置在二期变压器北侧，紧邻本期配电间；220kV屋外配电装置利用已预留间隔场地进行扩建。由于无功补偿装置占地较大，配电间周边已无布置空间，因此将该装置布置在原升压站预留给国网公司的配电间隔场地内。该方案满足了围墙内扩建的原则，但相对常规布置增加了无功补偿装置与配电间之间的电缆长度。

③优化方案二：该方案35kV配电间、150MVA主变压器和220kV屋外配电装置的布置与方案一均相同，主要区别在无功补偿装置的布置方案。该方案考虑在不占用预留给国网公司配电间隔的情况下，拟拆除事故油池并布置在一期主变压器南侧位置，节省了事故油管道长度，同时也给无功补偿装置提供了布置空间。拟将无功补偿装置的电抗器部分布置在原事故油池的位置，将无功补偿装置的箱式控制楼布置在本期35kV配电间西侧紧邻北围墙处，并修改了变电区和生活区之间的围栅位置。该方案也满足了围墙内扩建的原则，但相对方案一既拆除了事故油池又增加了无功补偿装置与配电间的电缆长度，工程量较方案一相对较大。

鉴于该升压站已规划350MVA的变电容量，给国网公司预留的配电间隔位置可用性可通过进一步商酌，经综合比较，方案一实施较为便捷且耗费较低，建议方案一作为本工程升压站建设布置方案。

2.6工程概算

根据上述设计优化方案，以及市场价格的选取，优化后工程静态投资为38744.59万元，单位千瓦静态投资7596.98元/kw，工程动态投资39374.84万元，单位千瓦动态投资7720.56元/kw。与可研概算相比，本次优化概算施工辅助工程减少22.05万元，设备及安装工程减少2479.62万元，建筑工程减少73.78万元，其他费用增加4.29万元。工程静态投资共计减少2609.73万元，单位千瓦静态投资减少673.89元/kw，较可研概算节约2786.48万元，造价控制效果显著，工程造价更加具有经济性和合理性。

2.7财务评价

经过本次方案优化设计及投资调整后，与可研报告中各项财务指标相比，年上网电量增加7972.53MWh，总投资降低2783.07万元，销售收入总额（不含增值税）增加8247.44万元，总成本费用降低1950.79万元，发电利润总额增加10847.69万元，项目投资回收期（所得税后）缩减1.04年，项目投资财务内部收益率（所得税后）提高2.07%，项目投资财务净现值（所得税后）增加13924.63万元，资本金财务内部收益率提高8.83%，资本金财务净现值增加808.05万元，总投资收益率提高1.79%，投资利税率提高1.82%，项目资本金净利润率提高7.2%。

3结论及建议

综上可见，在电价不变的情况下，风电项目收益主要取决风场年利用小时数、风电工程造价。提高风电项目收益的主要手段就是根据风场风资源状况优化风机选型，做好风机微观选址优化，使风资源得到最大限度地利用，提高风场年利用小时数，然后通过对风电项目土建、电气、工程征地、施工组织协调等进行全方位优化，在保证安全、质量的前提下，实现进一步控制风电项目工程造价的目的。因此，在当前的形势下，通过对新建项目重新进行优化设计研究，既可大幅度降低工程造价，又能提高内部收益率，从而推动风电项目开发建设良性发展。

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作者简介

申俊民（1974-），男，工程师，主要从事风力发电、光伏发电项目的设计、建设、运行、经营的管理优化研究。