风机排布及安全距离对海上风电场微观选址的影响

导读

随着海上风电事业的蓬勃发展，微观选址成为海上风电场设计建设中的重要环节，越来越受到风电开发商的重视。微观选址的好坏，甚至直接影响到风电场日后的运营效益。

风机排布

1原理及意义

风机从风中吸收能量发电，吹过机组后，风速降低，同时因风轮的扰动而形成湍流。因此，在风机的后方，会形成风速减缓、湍流增加的尾流，类似于船舶后方形成的水流。由于尾流的影响，在第一排之后的风机所面对的风速要小于前方的风机，导致发电量减小；而湍流的增加又会增加风机的疲劳载荷。所以由于尾流的存在，在海上工程完成对相关区域的风速测试后，风电机的排布方式也是重点工作。这既是出于提高发电量的考虑，也是为了使风机能够安全运行。

海上风电场通常规模较大，风机的叶片也较长；加之海面糙度低，湍流不显著，使得低速空气重新获得能量的速度更慢。也就是说，海上的尾流相比于陆上往往传得更远。业内设计了多种模型来预测和分析风电场的尾流，目的是通过改进风机排布以获得更大的能量利用率，减少建设成本。随着海上风电的大规模发展，在未来，不仅风电场内部的尾流效应将得到重视，还将需要考虑相邻风电场之间的尾流传播。

在场址勘测的基础上，需要综合风速风向，选择最合理的风机排列方式，来保证形成规则尾流场，使海上风力发电场的发电量最大化。

2措施与办法

为了让风机发出更多的电量以获得最佳的经济效益，海上风电场布置一般在主风向选取较大值，次风向取最小值，通常沿海岸线方向进行排布。在主风向，风机间距控制在10~15倍风轮直径之间，在次风向控制在6~8倍风轮直径之间。风机排列方式一般为垂直于主风向的矩阵式分布，分为前后两排错开的“梅花型”或者一一对齐的“对行型”。

大型海上风电场受尾流的影响比较大，据估计能造成10%~20%的能量减少。通过合理的风机排布方式，有可能将风电场整体的尾流影响控制在6%以内，单台风机受到的尾流影响不超过8%。

交通安全距离

1原理及意义

海上风电场规模较大，对附近的航道有着不小的影响，不论是在建设期间还是在日后工作周期内，周围的船只航行都会有潜在的危险。

实际上，目前国际国内均无海上风电场与航路安全距离的强制性要求。我国的《福建海事局海上风电场选址通航安全分析技术指南》吸收了国内外海上风电场多年的选址实践经验，参考了相关规范标准，对沿海海上风电场与航路安全距离提出了建议。其对于安全距离概念的定义是：为了防止船舶与海上风电场设施及其基础发生触碰，需在两者之间保持一定的空间距离。海上风电场与航路的安全距离，是指海上风电场场址边界线与航路边界之间在平面上保持一定距离条件下，各类通航风险可控，风电场及周边水域通航安全可以得到有效保障。

确定合理的安全距离是保障船舶航行安全和风电设施自身安全的必要条件。过于倾向航运安全，会造成海上风电开发面积的减小，达不到应有的经济效益；反之，过于强调海上风电产业的发展，采用迫使船舶航路让步的做法，也将埋下安全祸根。

因此，应适当地“压缩”商船航行空间（考虑绝大多数商船的航行习惯和权益的情况下），但并没有改变原有的海上交通模式，仍应关注船舶的航行领域、避让义务和应急操作空间需求，海上风电场的选址应充分考虑并避免制约船舶的这种权利、义务和需求，这是确定安全距离的基本思路。

2措施与办法

确定海上风电场与航路安全距离，应充分考虑《国际海上避碰规则》、船舶操作性能、船舶失控或走锚漂移、海员避让习惯、海上设施保护范围等因素。我们必须明白：船舶受自身的惯性和外部的气象、水文、海况条件以及通航环境其他因素的影响，在海上操纵船舶不象在陆地上驾驶车辆那样想走就走、想停就停、想转就转；船舶避让也必须要有事先判断，避让操作要有提前量，也不能象车辆避让那样来个潇洒的“擦身而过”。在实际工程中，我们主要以以下几个要素作为参考：

1、船舶冲程

船舶冲程包括船舶停车冲程和船舶倒车冲程。一般货船的停车冲程为8~20倍船长，超大型船舶则超过20倍船长。船舶倒车冲程，万吨级货船6~8倍船长，5万吨级货船8~10倍船长，10万吨级货船10~13倍船长，15~20万吨级货船13~16倍船长。船舶排水量越大、船速越快，则冲程越大。由于冲程大，且停车或倒车时船舶保向性差，船舶驾驶员通常不太愿意采用“变速”来避让。

2、船位偏离

这里主要指转向避让导致的船位偏离。采用转向方法来避让来船的，可以说是海上避让的绝招。让路船通常是采取向右转向行动。为避免船位偏离计划航线太多，初期所做的转向角度不会太大，但也会引起船位偏离，相关文献资料中偏离距离按0.3海里计。

3、船舶旋回直径

当向右转向避让效果不理想时，在紧急情况下可能采取右满舵避让，进入船舶旋回。旋回直径跟转舵速度、船速、吃水、纵横倾、水深、风流等因素有关，IMO船舶操纵性标准确定的旋回直径小于5倍船长，当各种不利因素叠加影响时，旋回直径可达7-8倍船长。

依据IMO《关于海上设施和结构周围安全地带和航行安全的决议》，海上人工设施应设置安全地带，海上设施的营运人应采取各种切实有效的措施，防止船舶闯入安全地带。《国际海洋法公约》规定，安全地带从设施周围的外缘每个点开始测量，其延伸至最远500米的距离。目前国内并未对安全地带进行立法，参照海上人工设施安全地带的设置和国外的经验做法，一般应采用500米做为安全地带的宽度。

结语

微观选址工作还应综合考虑输电线路设计，规避礁石、海底障碍物、航标灯、航线及海底光缆、管道等设施，同时为了保证基础类型、工艺的一致性，风机所处位置的水深应避免发生大幅变化。微观选址是一项较为复杂的系统工程，相关领域的研究将随着海上风电场的发展不断深入。