位于西藏的措美哲古風電場,是目前世界上海拔最高的風電項目。該項目創造了雪域高原風電建設史的奇跡,打破了空氣密度低、風能不具利用價值的誤區。
湛藍的天空、連綿的雪山、奔騰的江水、圣潔的雪域高原,長風浩蕩,經年不息。在我國西南邊陲坐落著一個鮮為人知的偏遠縣城——措美,藏語意為“湖的下游”。2021年12月22日,在海拔5000多米的措美哲古鎮,10臺銀白色的風電機組威武矗立,喜馬拉雅北麓的山風呼嘯而至,帶動葉片徐徐旋轉,電流轉瞬間并入西藏電網,送入千家萬戶。截至2022年10月22日,由三峽集團投資的世界海拔最高的風電場,其發電量已突破6000萬千瓦時。該項目為區域內超高海拔的規?;L電開發提供了研究成果和工程借鑒,也將助力西藏雅江中游水風光多能互補基地的建設。
欲善其事,必利其器
青藏高原山脈多東西走向,地勢由西向東降低,地面海拔高程伴隨緯度的升高發生急劇的變化,更加助長了西風的強度和頻次。據氣象數據分析,青藏高原大風季集中在冬春季節,風速高且持續時間長。據評估,西藏風能資源技術開發量達到了6億千瓦,部分高海拔地區年有效利用小時數可達4000小時。然而,由于高原的低氣壓、強紫外線、低空氣密度,風能資源長期以來被認為是“有氣無力”,不具有開發利用價值。
這種刻板的印象缺乏科學驗證。經氣象專家評估,證明在年平均風功率密度400瓦/平方米的風能資源條件下,海拔高度4600米的地區可以與海拔高度1100米的地區獲得同樣的風力發電量。并且,隨著高原型風電機組效率的提升,可開發資源將會更多。
措美哲古鎮風電場就位于喜馬拉雅風帶上,平均海拔介于5000~5065米,風能資源優良。該項目由三峽集團投資、中國電建成都院EPC總承包建設、水電五局、水電六局及中國安能參建,總裝機容量為2.2萬千瓦,項目采用:5臺單機容量2.2兆瓦的東方風電直驅機組,5臺單機容量2.2兆瓦的運達股份雙饋機組,并配套建設1座110kV升壓站。
5000米已經接近超高海拔與極高海拔的臨界點,在如此高的地方建設風電場史無前例,這意味著無經驗可循,無技術可依。由于超高海拔地區大氣壓力和空氣密度只有沿海地區的60%,業內專家向《風能》解釋,這將導致風電機組推力嚴重下降、更容易造成葉片失速,并且對氣動性能優化、電氣部件絕緣及散熱性能提升、高輻射環境下機組防護設計優化等方面提出更大挑戰。
此外,過大的晝夜溫差、雷暴頻次高對風電機組的材料耐疲勞性也帶來很大挑戰。針對高海拔的環境特點,兩家風電設備供應商全力以赴,在機組設備元器件的選擇、電氣設備設計及加工工藝,包括投運后的控制策略,都進行了系統性的技術改造和科技創新。
葉片作為機組的核心部件,也是受環境影響最大的部件。東方風電措美項目機組的主設計師楊奎斌在接受《風能》采訪時表示,面對氣動性能降低和葉片失速等問題,東方風電經過數次仿真及試驗驗證,攻克了基于雷諾數的翼型氣動性能、大厚度翼型等難題;同時創新性地結合超高海拔區域定制化的控制策略及渦流發生器技術,解決了超高海拔地區葉片失速的行業難題,在提高機組發電量5%的同時,也保證了機組的可靠運行。同樣,運達股份也通過建立葉片全尺寸模型,模擬葉片氣動性能,設計了氣動性能優異的特殊翼型,安裝遲氣流分離的渦流發生器,并反復進行設計迭代,在保證發電量的條件下,將載荷降至最小。
超高海拔給風電機組帶來的另一個較大的問題是絕緣與散熱。對此,運達股份技術中心超高海拔機組產品經理于海舒向《風能》介紹,技術中心進行了整機的流場仿真分析,根據分析結果,謹慎選擇了大部件冷卻方式,以及降容設計系數,其目的是避免過度設計增加成本和復雜度。
完成電氣部件設計和生產后,為了驗證相關設計效果,設計工程師對所有電氣大部件進了聯合低氣壓試驗,模擬在6000米海拔上的實際工作狀況,結果一次性通過溫升、耐壓、雷擊沖擊等全部電氣性能測試。而東方風電有大批量海拔在3000~4000米范圍內的高原型機組應用業績,收集了多年來大量電氣系統的運行數據,包括絕緣特性、溫升狀況等,并從繞組耐壓、防電暈、電氣部件間距等方面進行了適應性的設計,通過了低氣壓、工頻耐壓、沖擊耐壓、高低溫試驗等一些列全方位的環境適應性試驗的驗證。
如今,機組運行安全穩定,發電量成績斐然,足以打破行業內在空氣密度低,超高海拔地區不具備開發價值的誤區。
欲登絕頂,莫辭勞苦
措美哲古風電項目所在地雪山湖谷縱橫、大小山脈連綿起伏,常年溫度8.2℃。在條件如此惡劣的地方施工,人員和設備安全、組織調度、運輸吊裝、運營管理等面臨著多重考驗。
從2019年6月項目獲得自治區核準批復,到吊裝,及運維,三峽集團西藏能源投資有限公司山南分公司主管尹舒展就一直奮戰在這個項目上。
談起項目建設時的艱辛,尹舒展向《風能》描述道:“項目所在地距離駐地有100多公里,方圓幾十里渺無人煙,寒風刺骨?,F場交流時,講話者的聲音常常被風吞噬。隨著海拔一點點升高,人體內儲存的氧氣會快速流失,很多人出現不同程度的高原反應,頭疼肚脹、失眠多夢,嚴重的會導致呼吸困難、意識不清,施工人員需要頻繁更換。軍大衣和氧氣瓶成了我們的護身符;沒有餐飲住宿條件,大家喝的是燒不燙的水,吃的是泡不熟的方便面。更沒有手機和網絡信號,僅有一部調度座機可與外界聯系?!?/p>
人有“高反”,機器也會產生高原反應,出現降耗降容的現象。比如起吊機械時,由于氧氣不足燃燒不充分,設備無法達到與平原地區相同的出力效果。面對橫在眼前的重重困難和迫近的并網截止日期,各參建單位都竭盡全力。“氧含量低會嚴重影響作業安全和進度,這要求組織計劃具有嚴密的實操性?!币嬲菇榻B說,每臺風電機組有大大小小140多個部件,分布在全國各地,要統籌考慮各廠家能不能按時供貨,送往西藏。要結合并網節奏,梳理到貨順序,根據天氣情況安排合理的工期。
由于在西藏建設風電場幾乎沒有經驗可循,進藏之路困難重重。需要協調當地交通運輸、市政等各個管理部門,一些超大部件需要交警押運才能通行。安裝環節異常緊張,為了充分利用每天僅有幾個小時低風速的黃金窗口期,建設者們需要凌晨四五點起床,在漆黑的崎嶇山路上顛簸2個多小時才能到達現場。為了搶占一年中的低風速時段,所有設備須在2021年9月底前運抵機位。每次吊裝前,建設單位、制造廠家、設計人員、安裝人員,幾支隊伍嚴陣以待,以便出現問題時能夠及時處理。
幸運的是,最后一臺機組在2021年10月7日成功完成吊裝。此后,機組調試、靜態實驗緊鑼密鼓地開展。并網前兩天,尹舒展帶領參與各方人員20多人,連續奮戰2天2夜幾乎沒合眼,與國網西藏調度中心密切配合,終于安全可靠地實現并網。
2021年12月22日上午10點左右,山南市及措美縣主要負責人、地方能源主管部門負責人親臨現場,當對講機中響起“措美哲古風電場并網正式啟動”的聲音時,5號機組的葉片率先開始旋轉。西藏第一個超高海拔并網風電項目開始發電。
在中控室,山南市主要負責人評價道:三峽集團在措美風電開發建設的一小步,是西藏山南清潔能源發展和進步的一大步。2021年12月29日,措美哲古風電場實現全容量并網。
措美哲古風電場的成功開發建設與安全穩定運行,驗證了超高海拔地區是可以開發風電的,風能資源從技術上是可以突破的。作為國家超高海拔風電科研示范項目,措美哲古風電場對探索解決高海拔風能資源特性、地理特性、氣候特性具有重要意義;對風電場選址、測風、設計、開發建設、運營管理方案以及風電機組設備元器件選擇、絕緣設計、加工工藝、控制策略等也具有重要的實踐價值。據悉,措美哲古風電場是措美縣打造包括風、光、地熱能在內的一體化清潔能源基地的重要一環,總裝機約5萬千瓦的風電二期項目已在實施中。
如今,駐地條件已經改善很多,升壓站內有人24小時駐守,備品備件充足。在通往現場的路上,狐貍、藏野驢、巖羊悠然逡巡。遠處,巨大的風電機組已經縮成小小的剪影,與碧波蕩漾的哲古湖、連綿起伏的雪山,伸手可摘星的夜空融為一體。
評論