對(duì)于老風(fēng)電場(chǎng)而言，部分風(fēng)電場(chǎng)未能達(dá)到當(dāng)初方案設(shè)計(jì)的利用小時(shí)數(shù)，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性達(dá)不到投資決策時(shí)的收益率，除風(fēng)速波動(dòng)等自然因素外，主要原因有機(jī)組機(jī)型與風(fēng)資源不匹配導(dǎo)致機(jī)組潛能未被充分發(fā)揮、測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)或軟件計(jì)算不準(zhǔn)確等造成機(jī)位布置偏差較大以及部分老舊機(jī)型運(yùn)維所需要的備品備件短缺等。

在風(fēng)電行業(yè)競(jìng)價(jià)模式開啟的形勢(shì)下，項(xiàng)目資源競(jìng)爭(zhēng)越發(fā)激烈，而這些早期建設(shè)的風(fēng)電場(chǎng)擁有各地區(qū)最好的風(fēng)資源及地形條件，為這些老風(fēng)電場(chǎng)找到經(jīng)濟(jì)合理的技改方案，提高經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)施切實(shí)有效的風(fēng)電場(chǎng)改造，對(duì)業(yè)主來說顯得尤為重要。當(dāng)前，風(fēng)電場(chǎng)技改方案主要有風(fēng)電機(jī)組葉片改造（分為葉根加長(zhǎng)、葉尖加長(zhǎng)、葉片更換）、塔筒改造（分為塔筒上段加高、塔筒下段更換、塔筒整體更換）、整機(jī)改造（分為主機(jī)移機(jī)、主機(jī)整體更換）三種類型。

本文以南方某風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目為例，通過對(duì)各種技改方案作經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析，找到更加合理的風(fēng)電場(chǎng)技改方案，以達(dá)到提高風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量、增加風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)性收益的目的。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)機(jī)位布置圖

圖2 風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際利用小時(shí)數(shù)與可研數(shù)據(jù)對(duì)比

圖3 各臺(tái)機(jī)組年平均利用小時(shí)數(shù)與可研數(shù)據(jù)對(duì)比

項(xiàng)目概況

該風(fēng)電場(chǎng)位于海南省西北部，總裝機(jī)容量99MW，分2期建設(shè)。一期建設(shè)49.5MW，安裝33臺(tái)WTG77-1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，新建一座110kV 升壓站。風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)總面積約11km2。

風(fēng)電場(chǎng)于2008年開工建設(shè)，2009年建成發(fā)電。風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)至今實(shí)際年平均利用小時(shí)數(shù)為1377小時(shí)，可研數(shù)據(jù)為1768小時(shí)，相差391小時(shí)。

由圖3可知，各臺(tái)機(jī)組的年均利用小時(shí)數(shù)與設(shè)計(jì)值均存在一定的差異。其中，22#機(jī)組與設(shè)計(jì)值差異最大，3年平均實(shí)際利用小時(shí)數(shù)僅為1073小時(shí)，為全場(chǎng)機(jī)組利用小時(shí)數(shù)的最低值。因此，本文擬以22#機(jī)組為例進(jìn)行技改經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析。

圖4 WTG77-1.5MW機(jī)組加長(zhǎng)葉片前后功率對(duì)比

圖5 不同年平均風(fēng)速的發(fā)電量提升百分比

表1 葉根延長(zhǎng)與葉尖延長(zhǎng)成本投入對(duì)比

技改方案經(jīng)濟(jì)性分析

風(fēng)電場(chǎng)技改方案主要有風(fēng)電機(jī)組葉片、塔筒、整機(jī)改造等幾種類型，每種可細(xì)分為如下幾種具體技改方案：

（1）葉片技改，分為葉根加長(zhǎng)、葉尖加長(zhǎng)、葉片更換；

（2）塔筒技改，分為塔筒上段加高、塔筒下段更換、塔筒整體更換；

（3）風(fēng)電機(jī)組整體技改，分為主機(jī)移機(jī)、主機(jī)整體更換。

幾種技改方案各有優(yōu)劣，本文以22#機(jī)組技改方案對(duì)各方案做經(jīng)濟(jì)性分析測(cè)算。

一、葉片技改方案分析

葉片技改主要是通過增加葉片的長(zhǎng)度來提升機(jī)組在低風(fēng)速區(qū)間的發(fā)電量，通過這種技術(shù)，便捷、有效地對(duì)老機(jī)組的葉輪進(jìn)行加大，從而令這些機(jī)組能夠發(fā)出更多電量，提高項(xiàng)目收益。

各機(jī)型的理論發(fā)電量與掃風(fēng)面積密切相關(guān)，單純從風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量角度分析，不同機(jī)型的發(fā)電量主要取決于葉片的掃風(fēng)面積，發(fā)電量同葉片掃風(fēng)面積成正比。葉片長(zhǎng)度與發(fā)電量關(guān)系如下：

式中，R為風(fēng)輪直徑。該公式顯示葉片長(zhǎng)度與機(jī)組功率有很大關(guān)系。

在本項(xiàng)目中采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，通過Bladed軟件計(jì)算，通過葉片加長(zhǎng)技術(shù)改造，WTG77-1.5MW機(jī)組功率數(shù)值有明顯提升（如圖4）。

考慮風(fēng)電場(chǎng)年平均風(fēng)速的隨機(jī)性和波動(dòng)性，統(tǒng)計(jì)給出不同年平均風(fēng)速下的發(fā)電量提升對(duì)比結(jié)果，得出22#機(jī)組加長(zhǎng)葉片后的發(fā)電量提升在5%～14%（如圖5）。

葉片延長(zhǎng)根據(jù)不同加長(zhǎng)位置分為葉根延長(zhǎng)、葉尖延長(zhǎng)與葉片整體更換，經(jīng)濟(jì)性是選擇延長(zhǎng)位置或更換的決定性因素。對(duì)葉片葉根延長(zhǎng)、葉尖延長(zhǎng)兩種技術(shù)路線進(jìn)行深入的方案開發(fā)設(shè)計(jì)及樣機(jī)測(cè)試工作表明，相較于葉根延長(zhǎng)方案，葉尖延長(zhǎng)具有更明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和施工便捷性。

對(duì)比葉尖加長(zhǎng)和更換葉片，若采用葉尖延長(zhǎng)方式，成本約為30萬/臺(tái)，若直接更換葉片，則成本約為200萬元/臺(tái)，兩種方案經(jīng)濟(jì)性如表2所示。

通過分析可知，葉尖加長(zhǎng)回收期在7年左右，葉片更換回收期6年左右，因風(fēng)電場(chǎng)已運(yùn)行10年，葉片加長(zhǎng)及葉片更換投資回收期均小于風(fēng)電場(chǎng)剩余可運(yùn)行期年限，因此本項(xiàng)目加長(zhǎng)葉片或更換葉片技改均具有經(jīng)濟(jì)性，在風(fēng)資源條件及風(fēng)電機(jī)組情況允許的情況下，更換葉片成本更低，方案更優(yōu)，能夠帶來更高的收益。

二、塔筒加高技改方案

首先要論證22#機(jī)組塔筒加高技改的可行性，采用激光雷達(dá)進(jìn)行為期75天的測(cè)風(fēng)，激光雷達(dá)在機(jī)位處風(fēng)切變?yōu)?.264，基于該機(jī)位的設(shè)計(jì)年平均風(fēng)速5.26m/s，結(jié)合實(shí)測(cè)風(fēng)切變，推算塔筒加高后，不同高度理論年發(fā)電量如表3所示。

分析可知，隨著輪轂高度增高，利用小時(shí)數(shù)隨之增加。當(dāng)輪轂高度增加到70m、80m、90m，利用小時(shí)數(shù)可分別增加5%、14%、23%。

基于22#機(jī)位不同輪轂高度對(duì)應(yīng)的理論利用小時(shí)數(shù)，增高塔筒可以選擇的方案有：（1）直接加高塔筒；（2）更換塔筒下段；（3）更換整個(gè)塔筒。

塔筒的結(jié)構(gòu)分布示意圖如圖6所示。

表2 22#機(jī)組葉片技改經(jīng)濟(jì)性一覽表

表3 22#機(jī)組不同高度發(fā)電量

圖6 WTG77-1.5MW塔筒結(jié)構(gòu)示意圖

基于機(jī)組安全余量，通過載荷計(jì)算及強(qiáng)度分析以確定各方案的可行性與合理性。

（一）直接加高塔筒

直接在塔筒上段、中段之間加高5m，使塔筒總高度達(dá)70m。直接加高塔筒的工作量最少，但需要結(jié)合塔架極限載荷數(shù)據(jù)對(duì)塔筒進(jìn)行加載計(jì)算。結(jié)果顯示，若直接加高塔筒至70m，塔壁實(shí)際翹曲強(qiáng)度已超出機(jī)組設(shè)計(jì)要求，此外，塔門的極限強(qiáng)度已經(jīng)超出機(jī)組安全運(yùn)行范圍。因此，直接加高塔筒方案從安全性上已不可行。

（二）更換塔筒下段

對(duì)原有的塔筒模型進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，塔筒下段由原來的15m更換成20m，并根據(jù)新的塔筒模型進(jìn)行相關(guān)的載荷計(jì)算、強(qiáng)度分析等。分析顯示，在保證基礎(chǔ)安全余量的前提下，通過更換最下段塔筒實(shí)現(xiàn)加高塔筒至70m是可行的，但塔筒的安全余量有限，若加高至80m或90m，均超過了機(jī)組塔筒及基礎(chǔ)的安全余量。

（三）更換整個(gè)塔筒

在直接加高塔筒或更換塔筒某一節(jié)均不可行的情況下，考慮更換整個(gè)塔筒從而加高塔筒至80m、90m。在機(jī)組安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，原有塔筒基礎(chǔ)需重新設(shè)計(jì)和更換。更換高塔筒技改經(jīng)濟(jì)性如表4所示。

由表4可知，加高塔筒至70m、80m、90m的成本回收期都在12年以上。其中，加高塔筒至80m及以上需更換整個(gè)塔筒及底部基礎(chǔ)，成本投入高，由于風(fēng)電場(chǎng)已投產(chǎn)運(yùn)行10年，按照風(fēng)電機(jī)組20年的壽命期來看，靜態(tài)回收成本時(shí)間已超過機(jī)組20年的設(shè)計(jì)壽命。

因此在項(xiàng)目風(fēng)切變?yōu)?.264的條件下，不建議采用塔筒加高的技改方式來提升機(jī)組產(chǎn)能。

三、機(jī)位轉(zhuǎn)移技改方案

基于風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際情況和選取的備用機(jī)位點(diǎn)（B01、B02），計(jì)劃將22#機(jī)組移至備用機(jī)位，備選機(jī)位B01、B02所在位置如圖7所示。

對(duì)兩種方案分別進(jìn)行產(chǎn)能計(jì)算。根據(jù)前期測(cè)量得到的備用機(jī)位點(diǎn)坐標(biāo)信息，采用商用的微觀選址計(jì)算軟件推算備用機(jī)位B01、B02的風(fēng)資源，并結(jié)合22#機(jī)組近幾年的實(shí)際利用小時(shí)數(shù)情況，評(píng)估相關(guān)機(jī)位點(diǎn)利用小時(shí)數(shù)如表5所示。

由表5可知，機(jī)組移至備用機(jī)位B01、B02的理論年利用小時(shí)數(shù)較原有機(jī)位可分別增加307h和320h，具有較大的利用小時(shí)數(shù)提升空間。

結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)地形、道路和施工條件，在不考慮惡劣天氣無法施工和各種不可抗力的條件下，移機(jī)所需投入成本分別為230萬元、300萬元，主要包括：基礎(chǔ)及基礎(chǔ)環(huán)、箱變基礎(chǔ)、集電線路、檢修道路、拆機(jī)、運(yùn)輸、人工及吊裝費(fèi)。不同移機(jī)方案的收支表如表6所示。

由表6可知，對(duì)機(jī)組進(jìn)行移機(jī)的理論回收周期在10～12年左右，移機(jī)方案回收成本時(shí)間已接近或超過機(jī)組20年的設(shè)計(jì)壽命。

圖7 22#機(jī)組及備選機(jī)位點(diǎn)位置示意圖

表4 22#機(jī)組塔筒技改經(jīng)濟(jì)性一覽表

表5 22#機(jī)組移機(jī)成本及利用小時(shí)數(shù)提升一覽表

表6 不同移機(jī)方案靜態(tài)收支一覽表

四、更換機(jī)組技改方案

因本項(xiàng)目投產(chǎn)時(shí)間較早，單機(jī)容量較小、風(fēng)輪直徑較小、輪轂高度較低，捕風(fēng)能力較弱，發(fā)電量較低，進(jìn)行“上大壓小”技改，拆除老舊機(jī)組，安裝容量大的國(guó)內(nèi)主流風(fēng)電機(jī)組，可以降低維修成本，同時(shí)提升風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量。

在22#基礎(chǔ)原位置替換安裝單機(jī)容量2.2 MW、風(fēng)輪直徑131 m、輪轂高度90m 的WTG131-2200-90型機(jī)型（機(jī)型安全性已經(jīng)得到風(fēng)電機(jī)組廠家確認(rèn)）。

根據(jù)項(xiàng)目公司統(tǒng)計(jì)的風(fēng)電場(chǎng)凈資產(chǎn)情況，截至2017年底，擬拆除的22#機(jī)組剩余資產(chǎn)價(jià)值為818.23萬元。將剩余資產(chǎn)價(jià)值計(jì)入更換機(jī)組方案項(xiàng)目靜態(tài)投資，則原址更換與B01點(diǎn)更換靜態(tài)投資分別為1778萬元及1953萬元；原項(xiàng)目按更換后機(jī)型考慮機(jī)組折舊、運(yùn)維等費(fèi)用。

根據(jù)風(fēng)資源分別計(jì)算現(xiàn)有方案與新方案的利用小時(shí)數(shù)。原址新建可提升1365小時(shí)，在B01點(diǎn)可提升1402小時(shí)。

由表7可知，對(duì)機(jī)組進(jìn)行移機(jī)的理論回收周期在16～17年之內(nèi)，由于風(fēng)電場(chǎng)已運(yùn)行10年，成本回收期超過機(jī)組運(yùn)行年限。因此，更換風(fēng)電機(jī)組方案在本風(fēng)電場(chǎng)不具有經(jīng)濟(jì)性。

表7 22#機(jī)組整機(jī)更換經(jīng)濟(jì)性一覽表

結(jié)論與建議

本文以南方某風(fēng)電場(chǎng)為例，采用實(shí)際風(fēng)速、發(fā)電量等數(shù)據(jù)，重點(diǎn)從葉片技改到提升塔筒高度和機(jī)組移位角度分別進(jìn)行了技術(shù)論證和經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，葉片技改方案中的更換葉片方案成本最優(yōu)，效果最明顯，通過技改約6年即可收回成本，具有較強(qiáng)的盈利能力。

需要注意的是，在技改中，除了需要考慮成本，更重要的是安全可靠性。不管哪種技術(shù)方案，都要進(jìn)行嚴(yán)格、科學(xué)的荷載分析、安全分析等，在提高機(jī)組發(fā)電量的同時(shí)能夠確保機(jī)組安全平穩(wěn)運(yùn)行，不增加機(jī)組的安全風(fēng)險(xiǎn)、也不能減損風(fēng)電機(jī)組的壽命。

另外，每個(gè)風(fēng)電場(chǎng)情況各異，南方與北方、平原與山區(qū)、沿海與內(nèi)陸項(xiàng)目差異性很大，本文風(fēng)電場(chǎng)具有一定特殊性，該技改結(jié)果不一定適用于其他風(fēng)電場(chǎng)，在實(shí)際分析時(shí)必須具體項(xiàng)目具體分析，找到適宜的技改方案。