龙源如东潮间带试验风电场的价值在于,它为海上示范风电场建设建立起了一个产业链条,使中国海上风电规模化开发成为可能。
多年后,回望中国海上风电产业的发展历程,龙源如东潮间带试验风电场是值得人们记住的里程碑事件。这是记者2014年1月13日身处这片试验风电场时的真实所想。
值得一提的是,除了9款机型在试验风电场正常运行以外,又不断有大容量机型在此相继并网发电。这是龙源加码试验海上风电的重要一步,最终目的是借助试验成果,让龙源海上风电能够由潮间带向深海扩展,也让中国海上风电拥有一条健康的产业链条,以及可以看得见的商业未来。
回看试验历程,需要提到一个重要事件:2010年9月28日,在如东环港外滩海堤外侧潮间带区域,30兆瓦潮间带试验风电场建成投产。这是具有标志性的产业链节点试验,它促进了中国潮间带风电施工装备、作业方式、基础形式、机组运维等环节的建立、优化和改进,大幅降低了风电场千瓦造价成本。
这一事件让人想到实施试验项目的组织者。早在2008年5月,龙源就在江苏组建海上风电项目筹建处,2010年3月成立江苏海上龙源公司,专门推进如东潮间带试验风电场项目建设。
可问题是,在潮间带建设风电场全球尚无先例,没有现成的施工技术可以借鉴。潮间带涨潮受淹、退潮见滩,在此区域建设风电场,常规的陆上和水上装备几乎没有使用价值。从一台风电机组立在潮间带的工作流来看,施工装备、施工设计是其中的核心要素,而这两点恰恰是全球风电行业欠缺的。江苏海上龙源公司副总经理高宏飙告诉记者,“在试验项目推进之初,我们有一个基本的判断,潮间带风电场项目就是一个施工决定设计、装备决定施工的项目,也就是说设计再好,施工做不到也白瞎;施工方式再好,装备不给力也没价值”。
正是基于这样的判断和建立产业链的发展思路,就有了后来龙源和三一的合作,造出了水陆两栖专业装备,以及再后来龙源和振华联合成立江苏龙源振华海洋工程有限公司,期望以更强的施工装备推进潮间带风电施工技术进步。
尽管有了专用施工装备,但施工技术试验却很不顺利。
在如东环港风电场升压站,江苏海上龙源公司总经理张钢在和记者谈起机组基础施工时,用“心力憔悴”表达了他当时的心情和压力。
先来看混凝土承台基础,它是潮间带试验风电场最先尝试的基础。当时的装备条件,也只能采取这种基础形式。简单说,这种基础是通过围堰把海水挡在外侧,也就是在潮间带营造陆域工况,这显然要付出比陆上更高的成本。仅从“做成”的角度看,这种形式的基础算是成功的,但从立一台机组花费了约800万人民币的施工成本看,显然很不经济,而且做好这样一个基础至少需要44天的施工时间,效率让人难以接受。
也正因此,“我们尝试多桩导管架基础,这是一个填补国内风电施工技术空白的做法。”高宏飙回忆说,当时遇到两个难题:一个是在“一会儿是海水一会儿是陆地”的环境中,如何对钢结构基础进行防腐?另一个是如何计算风轮旋转给基础角架节点造成的疲劳?这种形式的基础节点很多,一旦节点出现裂纹,海水向里渗透,会产生越腐蚀越疲劳的恶性循环。“在解决关键技术细节问题的过程中,我们的团队特别注重整合全球的技术资源,最终让这些问题得以解决。”高宏飙说。
这种基础带来的改变是,大量的现场工作转为陆上进行,减少了海上作业量,也就减少了海上施工装备的使用费用,13天便可使基础具备机组安装的条件,比混凝土承台基础少用21天。在试验风电场安装的16台机组中,有9台机组采用了多桩导管架基础。
就在试验风电场建设紧锣密鼓之时,江苏海上龙源尝试把欧洲海上风电单桩基础技术引入到试验项目中来,并于2010年8月13日试桩成功。值得说明的是,尽管这种“有过渡段”单桩基础没有得到推广,但却引发了龙源海上风电施工技术创新。
高宏飙解释,欧洲单桩基础大多采用过渡段,即由“钢管桩+过渡段+高强灌浆料连接”组成。必须考虑的风险是,这种单桩基础在2010年批量出现过渡段灌浆连接失效,每基修复费用约为12万欧元。还有一点是,如果推广这种单桩基础,就要从欧洲进口灌浆材料,每基单桩的材料费用在70万元人民币左右。
正是考虑到有过渡段单桩基础的技术风险和成本,“由龙源电力、江苏海上龙源、江苏龙源振华、华东勘测设计院组成的技术团队,开始研究海上风电无过渡段单桩基础的设计和制造技术,与其配套的大型扶正导向架、多功能一体化浅吃水可坐底潮间带风电施工船等相关施工装备也在加紧研制中。”高宏飙这样告诉记者。
实际上,30兆瓦潮间带试验风电场项目建成投产,就已彰显潮间带风电施工技术上的示范性。此后,风电机组运行和维护就成为这座试验风电场的一个重要试验任务。
2009年10月20日是值得记忆的一天,首批2台明阳1.5MW机组(MY1.5-82/65双馈异步电机)并网发电。此后,2台远景1.5MW(海上型EN1.5-82双馈异步电机)、2台联合动力1.5MW机组(UP82双馈异步电机)、2台上海电气2.0MW机组(W2000双馈异步电机)、2台三一电气2.0MW机组(SE9320III-S3绕线转子三相异步发电机)、2台海装2.0MW机组(H93CN-2.0MW异步、双馈绕线式电机)、1台金风2.5MW机组(GW109/2500直驱永磁同步发电机)、2台华锐3.0MW机组(SL30006极双馈感应电机)、1台明阳紧凑型2.5MW机组(SCD2.5/100半直驱永磁同步电机)先后并网发电,也就是说如东潮间带试验风电场项目安装了8个厂家的9款机型、16台风电机组,实际装机容量32兆瓦。
在阅读“风电机组情况”资料时记者注意到,9款机型“型号”表述中惟有远景能源机型强调了“海上型”。其实,参与如东潮间带试验风电场项目的8个厂家无不是为了争夺海上市场而来。“如果开发商同行来这儿了解机组运行和维护情况,即便我们有最看好的机型,也不会只推荐这一家的机组,相对好的机组也会推荐,但也不会害人家。”在如东环港风电场升压站,江苏龙源海上公司总经理助理陈强这样告诉记者,“在所有机型中,远景能源的海上机型发电小时数比较高,而且连续3年都比较稳定。还有一点是,远景机型可靠性比较高,至今没有更换过大部件,实现了无人值守。可以说,在机组免维护方面,远景走在了前边。”
陈强称如东潮间带试验风电场的试验情况“对外公开”,但实际上,这9款机型的运行和维护数据并没有对外公开发布。从机组20年的生命历程看,3年的运行时间还算不上“路遥”,但能看出这些机型的“马力”。
数据显示,从等效满发小时数看,2013年远景1.5MW机型年等效发电小时数为2830小时,比第二名机型高出12%,比末名机型高出30%。值得一提的是,远景机型2011至2013年连续3年发电小时排名第一。从机型利用率看,在3年中,受大部件更换或其他故障影响,有8款机型可利用率年度排名发生过前后名次的变化,而远景机型可利用率在过去的3年时间年年位居第一。
再看机组出质保的情况,截至2014年3月17日,除了远景机组已在2013年9月出质保外,其他7个厂家的机组还未出质保。按照现场人员的说法,是“质保期延长了”。在高宏飙看来,机组出质保是考量机组发电性能的重要指标,更是如东潮间带试验风电场运维管理的试验内容,其中的知识和经验会应用到2012年11月23日投产的如东150兆瓦潮间带示范风电场中。
给龙源海上风电发展带来了积极效应。2010年12月6日,国家发改委核准了龙源如东150兆瓦海上(潮间带)示范风电场项目。这项工程分两期实施,一期工程100兆瓦,选用21台西门子2.38MW机组和17台华锐3MW机组,2011年6月21日开工建设,同年年底投产发电;二期工程50兆瓦,选用20台金风2.5MW机组,2012年11月23日投产发电。
值得回味的是,在一期工程开工前,西门子在复核其机组基础参数时发现“疲劳参数”有问题,于是向江苏海上龙源提出质疑,接下来双方深度研讨,还请了来了第三方机构参与论证,结果表明是西门子的基础“疲劳参数”有点水土不服。西门子方面认可了江苏海上龙源的基础“疲劳参数”,并称机组立在如东潮间带的多桩导管架基础上令人放心。
尤其值得一提的是,江苏海上龙源公司在示范风电场选择机位进行新型单桩基础(无过渡段单桩)沉桩试验,历经两次失败后,终于在2011年8月31日试桩成功,钢管桩垂直度偏差为1.3‰,满足垂直误差小于4‰的设计要求,令人惊喜和振奋。
新型单桩基础沉桩成功,与配套施工设备能力的提升密切相关。高宏飙举例,“大型扶正导向架,这是龙源振华研制的配套施工设备,它可以实时监测与校正沉桩垂直度,以实现打桩过程中单桩的有效导向和纠偏,可以做到垂直度误差小于2‰。”在尝试新型单桩基础时,“我们已经有了荷兰IHC公司生产的S-800液压冲击锤,以及‘龙源振华1#’新型多功能安装船等施工配套装备。”高宏飙补充说。
但这并非新型单桩基础施工的核心技术。高宏飙告诉记者,“新型单桩沉桩技术在于用锤的力度,每一锤的用力与地质情况和钢管的垂直度有关,也就是有一个相关性技术模型。”
新型单桩基础的成功为潮间带风电场建设多了一种选择。2011年9月开始,上海同济大学对如东潮间带56台单桩机组进行持续性倾斜监测,结果表明新型单桩基础结构安全可靠,完全满足设计要求。
与欧洲常规单桩基础相比,龙源新型单桩基础施工功效更高,前者需要8.2天才能使基础具备机组安装条件,而后者仅仅需要0.5天。新型单桩基础的优势还在于,除了节省过渡段的灌浆材料、钢材,还减少船舶、起重设备台班费。“综合测算下来,每基节省工程造价约190万。”高宏飙表示,如东潮间带示范风电场56台机组采用了新型单桩基础,节约工程造价10640万元,相当于增加利润10640万元。
由此,不难理解为什么龙源海上风电获得了“海上潮间带风电施工设备”、“钢管桩打桩施工设备”、“钢管桩沉桩施工工艺”等多项国家专利。
比专利更有说服力的是数据。据透露,2013年1至9月,已完整投运的如东潮间带风电场等效利用小时数比相邻陆上环港风电场利用小时数高出14个百分点。需要说明的是,这14个百分点是在如东潮间带风电场机组可利用率比相邻陆上环港风电场机组可利用率低3.5个百分点的情况下的数据。这表明海上风能资源优势明显,发电效益更为显著。
值得关注的是,在如东潮间带,龙源潮间带风电试验仍在继续。如果说2009年6月开工建设的30兆瓦试验项目不算经济账的话,2012年9月开工建设的50兆瓦试验风电场项目在运作模式上有了改变:试验样机机位由江苏海上龙源公司提供,而基础施工、样机吊装、海缆铺设等一切费用则由厂商先期垫资,待试验样机通过一定时间运行以后,再由龙源视情确定是否进行收购。
截至2014年1月16日,2台海装5MW样机、1台东汽5MW样机、1台远景4MW样机都已并网运行,1台明阳6MW紧凑型样机也将在此参与试验。与此前试验不同的是,已在此装机的厂商都不急于通过江苏海上龙源公司的“240”运行节点,而是积极进行各自的测试,为未来匹配更好的产品做准备。
龙源再次为厂商提供了“商演”舞台,至于谁的样机能受到海上风电市场的青睐,时间会给出最好的答案。