摘要:隨著一次能源的不斷開發(fā)，海上風(fēng)電場作為清潔能源的先鋒，在全世界能源轉(zhuǎn)型的地位愈加突出，對海上風(fēng)電場能耗及節(jié)能進(jìn)行研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。本文以福建平潭大練海上風(fēng)電場為例對海上風(fēng)電場主要能耗及節(jié)能措施進(jìn)行了分析。
　　
　　關(guān)鍵詞:海上風(fēng)電場; 能耗; 節(jié)能
　　
　　0 前言
　　
　　風(fēng)力發(fā)電作為清潔能源，具有顯著的社會(huì)和環(huán)保效益，是我國推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型的核心內(nèi)容和應(yīng)對氣候變化的重要途徑，也是我國深入推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命、促進(jìn)大氣污染防治的重要手段。大力發(fā)展海上風(fēng)電對于推動(dòng)我國可再生能源發(fā)展有著重要意義。在世界新能源發(fā)展的大潮流中，節(jié)能是大家共同關(guān)注的熱點(diǎn)問題，也是新能源技術(shù)進(jìn)步的重大標(biāo)志，是實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，從分析研究現(xiàn)有海上風(fēng)電場節(jié)能工作現(xiàn)狀入手，把握節(jié)能工作中存在的問題，并設(shè)法解決，才能推進(jìn)我國海上風(fēng)電的順利開展。
　　
　　1 海上風(fēng)電場主要用能設(shè)備能耗及節(jié)能分析
　　
　　風(fēng)力發(fā)電是將自然界的空氣動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能的過程，期間不消耗水，耗電量有限，且?guī)缀跞縼碓从谧园l(fā)電能。耗電包括風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行和控制用電，升壓變壓器的損耗，場內(nèi)集電線路的線損，升壓站內(nèi)的電氣設(shè)備耗電和主變壓器的損耗，以及維持風(fēng)電場運(yùn)行的監(jiān)控設(shè)備和輔助生產(chǎn)和附屬生產(chǎn)設(shè)施耗電等; 少量耗能品種為柴油、汽油，耗油設(shè)備為運(yùn)維檢修車。
　　
　　以福建省平潭大練海上風(fēng)電場為例，該項(xiàng)目總裝機(jī)規(guī)模為300MW，共布置60臺(tái)5MW風(fēng)電機(jī)組。主要工藝流程為: 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組捕獲風(fēng)力資源將之轉(zhuǎn)換為電能，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出口電壓為0. 69kV，經(jīng)箱變升壓至35kV，由35 kV 集電線路接入風(fēng)電場220kV升壓站的35kV配電裝置，再經(jīng)升壓后由220kV架空線接入電網(wǎng)。經(jīng)計(jì)算，平潭大練海上風(fēng)電場總損耗為2094.98× 104kWh，年發(fā)電量為99896.91×104kWh，風(fēng)電場電能損耗占總發(fā)電量的2.10%。平潭大練海上風(fēng)電場主要電能損耗見表1。 　　從消費(fèi)量來看，平潭大練海上風(fēng)電場節(jié)能的關(guān)注重點(diǎn)為35 kV 集電線路及風(fēng)機(jī)升壓變能耗。下文對35 kV 海底電纜及風(fēng)機(jī)升壓變壓器的節(jié)能做具體分析。
　　
　　1. 1 35 kV 海纜能耗及節(jié)能分析
　　
　　交聯(lián)聚乙烯絕緣( XLPE) 電力電纜具有較好的電性能與物理性能，有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和老化穩(wěn)定性，正常運(yùn)行溫度可高達(dá)90℃，事故短路可高達(dá)250 ℃，能夠輸送較大的負(fù)荷。同時(shí)XLPE 電纜可耐小半徑彎曲，重量輕、安裝簡便及安全可靠，與充油及油紙絕緣電纜相比，其接續(xù)與終端處理也比較容易，因此安裝費(fèi)用較低廉，從安全及環(huán)境保護(hù)來看，交聯(lián)聚乙烯絕緣沒有油料滲漏以及防爆性能較好的優(yōu)點(diǎn)。
　　
　　平潭大練海上風(fēng)電場集電線路采用35 kV 海纜，型號(hào)選用成熟的銅導(dǎo)體3 芯交聯(lián)聚乙烯絕緣分相鉛護(hù)套鋼絲鎧裝光復(fù)合海底電纜。導(dǎo)線考慮負(fù)荷電流引起的溫升及周圍空氣溫度對電阻變化的影響修正公式為: 　　式中，Ｒ20為導(dǎo)線在20℃時(shí)的電阻值，I yx為周圍空氣溫度為20℃時(shí)，導(dǎo)線達(dá)到容許溫度時(shí)的容許持續(xù)電流，a = 0. 004，Tav為計(jì)算期的平均氣溫。平均溫度為12 ～ 28℃時(shí)，可不進(jìn)行B2的修正。平潭大練海上風(fēng)電場所處地區(qū)平潭海域年平均海水表層水溫19. 4 ～ 20. 1℃，可換算35kV 海纜的修正電阻。
　　
　　以35 kV 海纜HYJQ41 － 3 × 95 mm2 為例， 20℃導(dǎo)體最大直流電阻Ｒ20為0. 193 Ω/km，海床敷設(shè)時(shí)載流量I yx為335A; 海纜長度L 為7. 20 km; 電纜平均通過電流為I jf為82. 48A; 項(xiàng)目年損耗時(shí)間τ為1 415 h。海纜的附加損耗系數(shù)取k為1. 35。根據(jù)△A = 3 × I jf2 × Ｒ × τ × k × 10 － 3 = 3 × 82. 482 A× 0. 193 Ω/km × ( 1 + 0. 2 × ( 82. 48A/335A) 2 ) × 7. 20 km ×1415 h × 1. 35 /1000 /10000 = 5. 48 萬kWh; 其他截面電纜同此算法。
　　
　　由此可得35 kV 集電線路海纜能耗量為769. 77 × 10 4kWh，占整個(gè)項(xiàng)目電能年損耗的37%，降低該部分的電能消耗對整個(gè)項(xiàng)目的節(jié)能意義較大。要想有效地降低損耗，除采用渦流損耗小的交聯(lián)聚乙烯絕緣( XLPE) 電纜外，如何減少海纜的長度成為重中之重。在實(shí)際工程中，集電線路海纜路徑采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇鏈形和星形混合方案接線，路徑避免迂回; 海上風(fēng)電場升壓站的選址盡量靠近風(fēng)機(jī)布置的中心位置，同時(shí)在每臺(tái)箱式變壓器35 kV 海纜接口處朝向集電線路方向設(shè)置J 型管，可有效減少每段電纜長度約20 m，從而減少0. 6%的能耗。
　　
　　1. 2 35 kV 箱式升壓變壓器能耗及節(jié)能分析
　　
　　目前適合國內(nèi)需求的35 kV 變壓器一般有S9 型及S11型，考慮到海上風(fēng)電場設(shè)備運(yùn)行環(huán)境較差、鹽霧重，可采用環(huán)氧樹脂澆注的干式變壓器。平潭大練海上風(fēng)電場每臺(tái)風(fēng)機(jī)配套安裝1 臺(tái)35 kV 升壓變壓器。選用變壓器型號(hào)為SCB11－ 5600 /37，額定空載損耗為8. 72 kW/臺(tái)，額定負(fù)載損耗為36. 32 kW/臺(tái); 額定容量S N為5. 6 MVA; 風(fēng)機(jī)額定功率P 為5000 kW，風(fēng)電場年運(yùn)行小時(shí)數(shù)T 為8 500 h。
　　
　　風(fēng)機(jī)平均負(fù)載率β = P/( S N /cosΦ) = 5000 kW/( 5600MVA/1) = 0. 89
　　
　　單臺(tái)變壓器年損耗電量: E = P0 × T + β2 × P k × τ= 8. 72 kW × 8500 h + 0. 89 2 × 36. 32 kW × 1415 h= 11. 48 × 10 4 kWh
　　
　　60臺(tái)升壓變損耗為: 60 × E = 60 臺(tái)× 11. 48 × 10 4 kWh =688. 8 × 10 4 kWh。
　　
　　因此，要降低箱式升壓變壓器的損耗，就要從變壓器的空載損耗和負(fù)載損耗入手?？蛰d損耗又稱鐵損，是由鐵芯的渦流損耗及漏磁損耗組成，是固定不變的部分，大小隨矽鋼片的性能及鐵芯制造工藝而定，所以變壓器應(yīng)選用節(jié)能型，如S11 型變壓器，這類型的變壓器采用優(yōu)質(zhì)冷軋取向矽鋼片，由于“取向”處理，使矽鋼片的磁性方向接近一致，以減少鐵芯的渦流。負(fù)載損耗又稱線損、銅損，與變壓器自身的繞組及通過的電流大小有關(guān)，因此推薦采用銅芯變壓器，可減少繞組的阻值。另一方面，如何降低風(fēng)機(jī)的平均負(fù)載率也是值得探討的問題，如果只是單純?yōu)榱私档拓?fù)載率而選用大容量的變壓器，僅僅是減少了變壓器的線損，但并沒有降低變壓器的鐵損。所以合理控制變壓器的負(fù)載率，選擇與風(fēng)機(jī)容量相配套的節(jié)能型鐵芯變壓器，才能起到節(jié)能的效果。
　　
　　2 海上風(fēng)電場可采取的節(jié)能措施
　　
　　2. 1 工藝方案節(jié)能措施
　　
　　1) 海上風(fēng)電機(jī)組可以根據(jù)地形及風(fēng)資源分布優(yōu)化布置，在尾流條件下，盡量集中布置，以提高風(fēng)電場發(fā)電效益，減少占海面積，充分利用海域以及地區(qū)風(fēng)力資源。
　　
　　2) 集電線路根據(jù)風(fēng)機(jī)的布置進(jìn)行優(yōu)化，減少路徑長度。
　　
　　2. 2 工藝設(shè)備節(jié)能措施
　　
　　工藝設(shè)備中主要耗電設(shè)備為風(fēng)電機(jī)組、升壓變壓器、主變壓器、35 kV 海纜。
　　
　　1) 對于風(fēng)電機(jī)組應(yīng)選擇合適的潤滑油，提高傳動(dòng)效率;增加對易故障設(shè)備的冗余配置，減少風(fēng)電機(jī)海上故障時(shí)間。
　　
　　2) 升壓變壓器采用銅繞組，減少設(shè)備損耗，條件允許時(shí)采用非晶合金的升壓變壓器。
　　
　　3) 主變壓器選用節(jié)能低損耗型變壓器，以提高變壓器效率。
　　
　　4) 35 kV 海纜在條件允許情況下考慮三芯電纜，如采用單芯電纜建議采用銅絲鎧裝，減少附加損耗。并考慮J 型管引上口方向，減少電纜長度。
　　
　　2. 3 輔助系統(tǒng)節(jié)能措施
　　
　　1) 配電系統(tǒng)接線可進(jìn)一步選擇負(fù)荷中心作為供電中心，減少電纜長度。所選擇燈具宜采用LED 燈具降低能耗，對走道、戶外燈照明宜采用聲光控制。
　　
　　2) 給排水系統(tǒng)宜增加自動(dòng)啟停裝置，控制水泵啟停，以達(dá)到節(jié)能目的; 同時(shí)采用變頻調(diào)速的方式進(jìn)行控制。同時(shí)應(yīng)配置太陽能熱水器等裝置，達(dá)到有效利用熱能的目的。全部衛(wèi)生器具應(yīng)采用節(jié)水型產(chǎn)品。
　　
　　3) 通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)宜設(shè)置自動(dòng)控制系統(tǒng)，以便按照環(huán)境溫度自動(dòng)啟停相關(guān)設(shè)備，達(dá)到最佳節(jié)能。過渡季節(jié)利用室外空氣進(jìn)行通風(fēng)換氣，減少空調(diào)的使用; 增強(qiáng)采暖建筑保溫措施，提高門窗的氣密性，防止空氣對流傳熱，減少空調(diào)使用頻率。
　　
　　4) 建筑設(shè)計(jì)時(shí)可進(jìn)一步控制建筑形體，選擇合適的保溫材料，充分利用自然光和自然通風(fēng)，加強(qiáng)綠化等措施。
　　
　　3 小結(jié)
　　
　　本文以福建平潭大練海上風(fēng)電場為例對海上風(fēng)電場的主要用能設(shè)備的能耗及風(fēng)電場節(jié)能措施進(jìn)行了分析。分析的方法是在主要用能設(shè)備能耗的計(jì)算過程中尋找影響能耗的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際的工程特征和市場上廣泛采用的設(shè)備特點(diǎn)及技術(shù)，尋找出切實(shí)有效的可以降低能耗的方法。并對海上風(fēng)電場工藝方案、工藝設(shè)備、輔助系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能措施的簡要論述。