风电场老旧风力发电机组以大代小方案论证

风电场老旧风力发电机组以大代小方案论证

王云

河北大唐国际新能源有限公司

摘要：随着我国风电行业的高速发展，老旧风机服役寿命到期的容量将迎来爆发式增长，存量的老旧风场机组安全隐患多，可靠性和发电效率下降明显，运维难、成本高，收益率低，成为早期投运风机的“通病”，逐年将会不断存在 “老旧小”机组面临延寿或退役的决策。在“双碳”目标利好下，风电增量和存量装机将催生巨大市场。除退役之外，针对“老旧小”风机，目前的升级工作总体分为技改增效和“以大代小”(包括等容更新和扩容更新)两种方式。而“以大代小”的方式更受到业内的追捧，主要优势大幅降低设备风险，增利效果明显，拉动地方税收等，前景十分广阔。

关键词：风力发电；以大代小；升级；风电场

引言

为深入贯彻习近平总书记关于能源安全新战略的重要论述，落实碳达峰、碳中和目标。风电行业首当其冲，发展势头强劲，在高速发展的同时，我们也看到早期建设风场的“老旧小”机组同样也面临着机遇和挑战，借助政策优势，不断寻求新的突破。国家能源局发布文件表示，鼓励并网运行超过15年的风电场开展改造升级和退役。根据实际情况，“以大代小”更新改造重点考虑10年以上机组。据测算，一座5万千瓦的老风电场更新可增容2倍以上，发电量提升4倍以上，前景十分广阔。数据显示，“十四五”末，达到15年运行时间的风电容量将超过4000万千瓦，若这些风电场可以退出，实施“以大换小”，并以1:2进行扩容，将产生8000万千瓦的市场。由此将拉动电力市场新的变革和机遇。

一、风电场以大代小的可行性

运营十年以上风电场，受微观选址不佳、试验机设备设计缺陷偏多、设备老化等原因影响，风机发电能力、等效可利用小时成先上升后下降的趋势。为充分利用当地较好的风能资源，在原场址范围内全面提高项目总装机规模和风电场利用小时数，显著提升风电场经济指标，且有效降低目前存在的运维压力和安全隐患，真正实现老旧风电场提质增效改造。预计未来我国大部分机组运行时间接近寿命期后，均会考虑进行机组改造和更换。同时，在实现碳达峰、碳中和目标，推动新能源高质量发展背景下的实施，具有示范性和先驱性，将会极大地带动和促进当地后续风电事业的发展，为当地风力发电产业的规范化打下良好基础。

二、某风电场风机以大代小应用论证

（一）某风电场实施风机以大代小的必要性

某风电场使用风力发电机组为某公司早期试验产品，采用中速齿轮箱+双馈发电机形式，齿轮箱、发电机、叶片、主轴等大部件均为自主生产，设计缺陷偏多，多年来运行情况来看，存在诸多的问题，例如主齿轮箱为中速齿轮箱，全国仅有48台在运行，行星齿设计缺陷，长时间运行过程后断齿卡死导致箱体开裂。投产至今齿轮箱出现过批量性损坏。且目前仅有一个厂家可以定制生产，后续维修及更换均存在较大困难；采用双馈变频器设计过于紧凑导致长时间运行散热不良，与现场实际工况匹配性差，故障率持续升高，进口备件采购价格居高不下且供货不稳定，维护成本大幅增加。

另外，该项目属于II类风资源地区，每年享受补贴上限为2200小时，但投产至今项目平年均利用小时为1740小时，补贴电价无法全部享受。部分风机机位受矿产、旅游区等诸多限制，对微观选址造成影响，导致风资源较差，远低于区域平均水平，机位年平均风速仅有4.86～6.10m/s，通过对该项目数据统计分析，共6台机组存在效能低下，最低年利用小时仅749小时，远低于风电项目盈亏平衡点。

为了在有限的风资源内创造最大的价值，项目实施以大代小势在必行。

（二）以大代小方案实施整体原则

按照国家能源局综合司发布的《风电场改造升级和退役管理办法》指导意见，参照规范风电场改造升级工作，充分用好优质风能资源，提升风电场发电能力。综合考虑当地政策要求，同时考虑现场施工规避农田、村庄以及现有设施。明确以大代小方案实施的整体原则为等容量替换、原址重建，其主要优势在于项目核准期限内不涉及变更审批，进一步优化选址规避生态红线，避免村庄建筑的拆迁和移民安置问题，杜绝诱发当地居民与项目之间的矛盾。

另外，对市场知名设备厂商进行调研选取成熟机型，且必须在市场占有一定份额，所选机型涉及叶片、齿轮箱、发电机、主控制系统、变频器等主要部件必须具备普遍适用性。

鉴于以上原则，风电场的生产过程不产生大气、水体、固体废弃物等方面的污染物，也不会产生大的噪声污染。改造不存在制约工程建设的重大环境问题，不会制约当地环境资源的永续利用和生态环境的良性循环，只要采取防、治、管相结合的环保和水保措施，工程建设对环境的不利影响将得到有效控制，具备可行性。

（三）某风电场以大代小项目实施可行性论证

1.某风电场风电机组基本运行情况

风电场投运至今将近8年时间。由于受微观选址不佳、试验机设备设计缺陷偏多、设备老化等原因，风机发电能力、等效可利用小时成先上升后下降的趋势。据统计2019年到2021年SCADA近五年的场平均风速为6.29m/s，近五年平均可利用小时数为1913h。

由上表可得出：

该风电场4#、7#、8#、9#、19#、22#、23#、24#，8台机组年平均风速较低，仅有4.86～6.10m/s，近5年发电量小时数过低，仅1381h，风资源利用率低，故本次计划优先该8台机组进行以大代小风机提效改造。

2.以大代小方案比选

原风电场8台机组继续运行的经济指标较差，因此考虑进行替代性改造，将原有整体或部分风机拆除，并更换为大单机容量的、低风速高效风电机组。

方案一：拆除整体24台风电机组，并在原机位点新建8台GW191-6.0，轮毂高度110m。

方案二：拆除4#、7#、8#、9#、19#、22#、23#、24#，8台风电机组，并在4#、7#、9#原机位点新建3台MySE5.56-193/110双馈机组。

方案三：等容改造12.0MW的容量，拆除综合评估排序后三位的3台（8＃、9＃、23＃）、低效点位4＃以及17＃、21＃点位，共6台原机组，在17＃、21＃点位处新建两台GW191-6.0，轮毂高度110m。

某风电场场址内的空气密度为1.011kg/m³；选取两个区域范围内代表性点位进行分析，机位点Ⅰ 110m轮毂高度处年平均风速为7.855m/s，平均风功率密度为424W/㎡；机位点Ⅱ 110m轮毂高度处年平均风速为6.254m/s，平均风功率密度为242W/㎡；机位点Ⅰ风切变指数为0.0446；机位点Ⅱ风切变指数为0.135；该风电场70m高度平均湍流强度为0.105，湍流随高度的增加而降低，湍流值低于IEC C类（0.12）标准；综合分析110m轮毂高度处50年一遇最大风速为35.68m/s。根据IEC标准，风电场适合选用IEC Ⅲ C类及以上风机。

根据国家能源局有关文件的要求，风电机组应具有功/无功功率控制系统、高/低电压穿越能力、涉网保护功能，同时风电机组电能质量应满足《风电场接入电力系统技术规定》相关要求。

风电机组选择参考测风塔数据，同时为保证效益最大化，在满足机组安全运行的前提下，尽可能选择资源最好的机位进行改造。充分利用场土地和形条件，在满足安全可靠的前提下，恰当选择机组之间的间距，风电机组布置应尽可能垂直于主风能方向，尽量减少尾流影响。考虑场内建设设施如高架输电线路的影响以及原有边坡对机组安全运行的影响，以及风电场的送变电方案、运输和安装条件，力求输电线路长度较短，运输和安装方便，减少风电场配套工程投资。

综合以上因素，通过利用率、功率曲线、湍流、气候等因素影响测算风电场上网电量折减系数取78%，对上述三种方案进行论证：

方案一：新建8台GW191-6.0，轮毂高度110m，预计上网电量159408MWh，年等效满负荷小时数为3321h，但涉及16台状态较好机组，投产年限未达极限，存在投资额增高，收益回报周期延长情况。

方案二：经计算风电场改造方案拟安装3台单机容量为5560kW的MySE5.56-193型风力发电机组，110m轮毂高度，平均尾流影响2.4%；除尾流和空气密度折减影响后，风电场其它综合折减系数为78%。经计算预计项目年上网发电量为54892.41MWh，年等效满负荷小时数为3291h。

方案三：经计算风电场改造方案拟安装2台单机容量为000kW的GW191-6.0型风力发电机组，110m轮毂高度，平均尾流影响2.4%；除尾流和空气密度折减影响后，风电场其它综合折减系数为78%。经计算预计项目年上网发电量为36380.88MWh，年等效满负荷小时数为3031h。

综合根据营业收入、营业成本、财务费用、营业税金及附加、增值税返还等各指标，考虑原项目投资成本预测（即原机组折旧损失计入运营期），方案二更具备投资价值。

3.风电场剩余固定资产及拆除风机处置方案

拆除8台机组相关设备，确有使用价值的转为备品备件留用，其余参照固定资产报废相关规定进行处理。现阶段，工程投资中未考虑风机处置收益。拆除设备初步方案如下：

鉴于目前设备运行年限逐渐增长，设备老化及损耗现象越来越突出，且存在备品备件老型号停产、采购价格高昂且采购困难等问题，故考虑将替换下相关设备检测验收留存，包括：变频器、交换机、主控PLC、风扇、偏航及变桨减速机、传动链（主轴、齿轮箱）及其部件、发电机、变桨电机、驱动器、编码器、油泵、风速风向仪、叶片、箱变等。

三、以大代小项目改造结论

该风电场工程的建设符合可持续发展的原则，是国家能源战略的重要体现。项目建成后，改建工程项目每年可提供上网电量为5489万 kWꞏh，按火力发电标煤消耗量 315g/(kWꞏh)计，每年可节约标煤 1.7万 t。相应每年可减少多种大气污染物的排放，其中减少二氧化硫(SO2)排放量约 324.5t，一氧化碳(CO)约 4.5t，碳氢化合物(CnHm)1.8t，氮氧化物(以 NO2计)184.4t，二氧化碳(CO2)4万t，还可减少灰渣排放量约0.5万t。

本着合理利用资源、提高能源利用效率的原则，严格依据国家合理用能标准和节能设计规范进行设计。从风电场微观选址、风电场总体布置和设计方案比选、风力发电机组选型以及相关耗能设备的选择设计上均应贯彻“节能、生态、经济”的设计理念，在设计方案选择、设备及材料选取时充分考虑节能、生态环保要求，尽可能减少新增加排放，达到风电场建设目的.

结束语

由于早期风电项目所在地风资源较优，在单机容量变大、风场规模扩增的情况下，老旧风机“以大代小”改造后将继续受益于优质风资源，可提升风电场利用小时数、降低土地成本、降低运维成本，有望助力老旧风电场经济性改善，并带动风电运营商业绩提升。有望迎来装机容量与利用小时的双重增长，运营效率有望大幅提升，加快科技创新，实现老旧风机退役后绿色循环可持续发展，助力风电产业良性循环发展。

参考文献

【1】贾蓉.在役风电场机组“以大代小”评价方法.科技创新与应用,2022（87）

【2】付雪娇.风电机组状态参数预测与运行状态评估方法研究.沈阳工业大学，2022

【3】史春城.基于大数据分析的风电机组健康诊断研究. 现代工业经济和信息化,2022