摘要:隨著一次能源的不斷開發，海上風電場作為清潔能源的先鋒，在全世界能源轉型的地位愈加突出，對海上風電場能耗及節能進行研究具有很強的現實意義。本文以福建平潭大練海上風電場為例對海上風電場主要能耗及節能措施進行了分析。
　　
　　關鍵詞:海上風電場; 能耗; 節能
　　
　　0 前言
　　
　　風力發電作為清潔能源，具有顯著的社會和環保效益，是我國推進能源轉型的核心內容和應對氣候變化的重要途徑，也是我國深入推進能源生產和消費革命、促進大氣污染防治的重要手段。大力發展海上風電對于推動我國可再生能源發展有著重要意義。在世界新能源發展的大潮流中，節能是大家共同關注的熱點問題，也是新能源技術進步的重大標志，是實施可持續發展戰略的一個關鍵環節，從分析研究現有海上風電場節能工作現狀入手，把握節能工作中存在的問題，并設法解決，才能推進我國海上風電的順利開展。
　　
　　1 海上風電場主要用能設備能耗及節能分析
　　
　　風力發電是將自然界的空氣動能轉化為機械能進而轉化為電能的過程，期間不消耗水，耗電量有限，且幾乎全部來源于自發電能。耗電包括風電機組運行和控制用電，升壓變壓器的損耗，場內集電線路的線損，升壓站內的電氣設備耗電和主變壓器的損耗，以及維持風電場運行的監控設備和輔助生產和附屬生產設施耗電等; 少量耗能品種為柴油、汽油，耗油設備為運維檢修車。
　　
　　以福建省平潭大練海上風電場為例，該項目總裝機規模為300MW，共布置60臺5MW風電機組。主要工藝流程為: 風力發電機組捕獲風力資源將之轉換為電能，風力發電機組出口電壓為0. 69kV，經箱變升壓至35kV，由35 kV 集電線路接入風電場220kV升壓站的35kV配電裝置，再經升壓后由220kV架空線接入電網。經計算，平潭大練海上風電場總損耗為2094.98× 104kWh，年發電量為99896.91×104kWh，風電場電能損耗占總發電量的2.10%。平潭大練海上風電場主要電能損耗見表1。 　　從消費量來看，平潭大練海上風電場節能的關注重點為35 kV 集電線路及風機升壓變能耗。下文對35 kV 海底電纜及風機升壓變壓器的節能做具體分析。
　　
　　1. 1 35 kV 海纜能耗及節能分析
　　
　　交聯聚乙烯絕緣( XLPE) 電力電纜具有較好的電性能與物理性能，有優異的熱穩定性和老化穩定性，正常運行溫度可高達90℃，事故短路可高達250 ℃，能夠輸送較大的負荷。同時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，其接續與終端處理也比較容易，因此安裝費用較低廉，從安全及環境保護來看，交聯聚乙烯絕緣沒有油料滲漏以及防爆性能較好的優點。
　　
　　平潭大練海上風電場集電線路采用35 kV 海纜，型號選用成熟的銅導體3 芯交聯聚乙烯絕緣分相鉛護套鋼絲鎧裝光復合海底電纜。導線考慮負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為導線在20℃時的電阻值，I yx為周圍空氣溫度為20℃時，導線達到容許溫度時的容許持續電流，a = 0. 004，Tav為計算期的平均氣溫。平均溫度為12 ～ 28℃時，可不進行B2的修正。平潭大練海上風電場所處地區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℃導體最大直流電阻Ｒ20為0. 193 Ω/km，海床敷設時載流量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; 項目年損耗時間τ為1 415 h。海纜的附加損耗系數取k為1. 35。根據△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，占整個項目電能年損耗的37%，降低該部分的電能消耗對整個項目的節能意義較大。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。在實際工程中，集電線路海纜路徑采用拓撲結構選擇鏈形和星形混合方案接線，路徑避免迂回; 海上風電場升壓站的選址盡量靠近風機布置的中心位置，同時在每臺箱式變壓器35 kV 海纜接口處朝向集電線路方向設置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能分析
　　
　　目前適合國內需求的35 kV 變壓器一般有S9 型及S11型，考慮到海上風電場設備運行環境較差、鹽霧重，可采用環氧樹脂澆注的干式變壓器。平潭大練海上風電場每臺風機配套安裝1 臺35 kV 升壓變壓器。選用變壓器型號為SCB11－ 5600 /37，額定空載損耗為8. 72 kW/臺，額定負載損耗為36. 32 kW/臺; 額定容量S N為5. 6 MVA; 風機額定功率P 為5000 kW，風電場年運行小時數T 為8 500 h。
　　
　　風機平均負載率β = P/( S N /cosΦ) = 5000 kW/( 5600MVA/1) = 0. 89
　　
　　單臺變壓器年損耗電量: 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臺升壓變損耗為: 60 × E = 60 臺× 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載損耗入手。空載損耗又稱鐵損，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，所以變壓器應選用節能型，如S11 型變壓器，這類型的變壓器采用優質冷軋取向矽鋼片，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，因此推薦采用銅芯變壓器，可減少繞組的阻值。另一方面，如何降低風機的平均負載率也是值得探討的問題，如果只是單純為了降低負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載率，選擇與風機容量相配套的節能型鐵芯變壓器，才能起到節能的效果。
　　
　　2 海上風電場可采取的節能措施
　　
　　2. 1 工藝方案節能措施
　　
　　1) 海上風電機組可以根據地形及風資源分布優化布置，在尾流條件下，盡量集中布置，以提高風電場發電效益，減少占海面積，充分利用海域以及地區風力資源。
　　
　　2) 集電線路根據風機的布置進行優化，減少路徑長度。
　　
　　2. 2 工藝設備節能措施
　　
　　工藝設備中主要耗電設備為風電機組、升壓變壓器、主變壓器、35 kV 海纜。
　　
　　1) 對于風電機組應選擇合適的潤滑油，提高傳動效率;增加對易故障設備的冗余配置，減少風電機海上故障時間。
　　
　　2) 升壓變壓器采用銅繞組，減少設備損耗，條件允許時采用非晶合金的升壓變壓器。
　　
　　3) 主變壓器選用節能低損耗型變壓器，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 輔助系統節能措施
　　
　　1) 配電系統接線可進一步選擇負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) 給排水系統宜增加自動啟停裝置，控制水泵啟停，以達到節能目的; 同時采用變頻調速的方式進行控制。同時應配置太陽能熱水器等裝置，達到有效利用熱能的目的。全部衛生器具應采用節水型產品。
　　
　　3) 通風空調系統宜設置自動控制系統，以便按照環境溫度自動啟停相關設備，達到最佳節能。過渡季節利用室外空氣進行通風換氣，減少空調的使用; 增強采暖建筑保溫措施，提高門窗的氣密性，防止空氣對流傳熱，減少空調使用頻率。
　　
　　4) 建筑設計時可進一步控制建筑形體，選擇合適的保溫材料，充分利用自然光和自然通風，加強綠化等措施。
　　
　　3 小結
　　
　　本文以福建平潭大練海上風電場為例對海上風電場的主要用能設備的能耗及風電場節能措施進行了分析。分析的方法是在主要用能設備能耗的計算過程中尋找影響能耗的關鍵節點，結合實際的工程特征和市場上廣泛采用的設備特點及技術，尋找出切實有效的可以降低能耗的方法。并對海上風電場工藝方案、工藝設備、輔助系統進行節能措施的簡要論述。