CN110503308A - 一种考虑环境效益的风电场风力发电机组选型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑环境效益的风电场风力发电机组选型方法，包括步骤：S1、资料准备与型式初选；S2、边界条件设定；S3、清单分析；S4、环境效益影响分析；S5、风力发电机组选型。应用本发明方法使得风电场建设过程中对机组选型时，能够对备选风电机组型式方案进行环境效益评估，并将环境效益评价参数作为机型选择的评价指标，使得在风电场机组选型过程中能够考虑风电场对环境的影响，促进风电项目环境效益的提高，进一步保证风力发电这种能源利用型式的绿色、环保特性。
Description
技术领域
本发明涉及风电场评估与设计的技术领域，尤其是指一种考虑环境效益的风电场风力发电机组选型方法。
背景技术
自工业革命以来，人类获取能源的方式主要是依靠化石燃料的燃烧，随着环境污染、全球变暖以及能源短缺的问题日益显著，各国政府与机构均将环境友好、存储量大、开发经济的风能利用作为能源来源的重要形式。风力发电是风能利用的最成熟形式：在风能资源丰富区域竖立风力发电机组，再辅以建设配套设施，实现空气动能-机械能-电能的转换，实现几乎绿色无污染的能源获取。
进入2000年以来，风力发电在全球范围内获得了长足的发展，根据全球风能理事会(GWEC)统计，风电累计装机容量从2001年的23.9GW增长至2018 年591GW，年复合增长率超过20％，另预计2018年～2023年间风电装机容量增长速度在50GW/y以上，至2023年累计装机容量将达到900GW，成为全球能源结构中的重要组成部分。我国风力发电起步稍晚，但自2006年新能源法颁布以来，风电装机容量在我国迎来爆发式的增长，据中国风能协会(CWEA)统计，截止2017年底我国风电装机容量达到18839万千瓦，占全球风电装机的35％左右，跃居全球第一，2017年的新增装机更是达到1996万千瓦，占当年全球新增装机的近40％。
风力发电在运行过程中几乎零排放、零消耗，但是在建设过程中依然需要消耗一定的不可再生资源以及排放温室气体。
风力发电机组是风电项目建设过程中最重要的部件：1、风力发电机组投资占整个风电项目投资的比重往往超过40％(陆上风电场)/30％(海上风电场)； 2、风电场的能量转换过程是：捕获空气动能转换为机械能，最终再转换为电能，风力发电机组是能量转换的最重要部件，直接影响到转换效率与可靠性。可见风力发电机组的选型是风电项目建设过程中十分重要的工作。
风力发电机组选型属于项目方案比较与选择问题，是寻求科学合理考虑经济、技术、环境等因素的项目决策的必要手段，是风电项目投资评估工作的重要组成部分。
目前风力发电机组选型是以经济、技术作为选型依据，即依据拟建区域的风资源条件，以机组安全性为必要条件，风电场经济性为优化目标，选择满足机组安全性前提下的风电场技术经济性最佳的风力发电机组。
已有风电机组选型方法均关注风电项目经济效益与技术安全，以经济、技术指标为选型依据，忽略了风电项目对环境的影响，选型过程中未考虑环境效益指标。随着大规模的风电开发活动日益活跃，其对环境的扰动作用总量也日益显著。因此研究风电机组选型对控制风电开发带来的环境影响具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种考虑环境效益的风电场风力发电机组选型方法，应用该方法使得风电场建设过程中对机组选型时，能够对备选风电机组型式方案进行环境效益评估，并将环境效益评价参数作为机型选择的评价指标，使得在风电场机组选型过程中能够考虑风电场对环境的影响，促进风电项目环境效益的提高，进一步保证风力发电这种能源利用型式的绿色、环保特性。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种考虑环境效益的风电场风力发电机组选型方法，包括以下步骤：
S1、资料准备与型式初选
首先获取风电场场区实测风速资料，依据相关规程规范，对实测数据进行验证、插补、订正等操作，并统计各测风塔处的风况参数；再运用成熟的商业CFD 软件，结合场址范围粗糙度资料、地形数据信息，对风电场场址范围内风资源条件进行评估，获取风能资源图谱、湍流强度图谱、入流角图谱等信息；
依据风电场风资源条件、施工条件、运输条件等，在市场上主流风电机组型式范围内，参考类似工程经验，初步选定风电场适用的风电机组型式；并针对各风机型式进行风电场布置与配套工程设计，计算风电场上网发电量，复核机组安全性；
S2、边界条件设定
对于风电场而言，环境效益分析划分为生产与运输、建设施工、运行维护和回收报废四个阶段；生产与运输阶段包括风机及其相关设备的生产与运输、电气设备的生产与运输、风电场建设施工过程所需原料的生产与运输；建设施工阶段包括风电场基础设施的建设与安装、道路与厂房建设、风力发电机组的吊装，除此之外还需要考虑工程征地过程中的植被的破坏和后期恢复；运行维护阶段包括机组在运行过程中设备耗电以及运维人员生活耗电，风电机组运维阶段巡检使用交通工具所消耗的燃料油，日常设备消耗的润滑油、润滑脂，风机设备耗损或故障造成的零件更换；回收报废阶段包括风机设备的拆卸、运输等；
S3、清单分析
依据边界条件并结合各方案风电场配套工程设计，对各阶段投入的材料或能量进行统计分类，并列出清单；其中，生产与运输阶段的清单有风机设备的生产与运输，电气设备的生产与运输，建设施工原料的生产与运输；建设施工阶段的清单有建设施工，植被破坏与恢复；运行维护的清单有设备耗电、生活耗电、巡检和运输耗油，设备消耗润滑油、润滑脂，零件更换；回收报废阶段的清单有风机设备的拆卸、运输；
S4、环境效益影响分析
依据清单分析和对应物质的单位能耗指标和单位温室气体排放指标，对不同方案风电场进行环境效益分析，核算得到不同阶段能耗指标和二氧化碳排放，最终得到不同方案风电场总能耗E与总温室气体排放G，风电场总能耗E与总温室气体排放G由以下公式计算得出：
E＝E1+E2+……+E9
G＝G1+G2+……+G9
其中，风机设备的生产与运输的核算为：
式中，E1为能耗，G1为温室气体排放量；n1为原料消耗种类总量；Qi1为第 i种原料消耗量；Ei1为第i种原料的能耗因子；Gi1为第i种原料的温室气体排放因子；
电气设备的生产与运输的核算为：
式中，E2为能耗，G2为温室气体排放量；n2为原料消耗种类总量；Qi2为第 i种原料消耗量；Ei2为第i种原料的能耗因子；Gi2为第i种原料的温室气体排放因子；
建设施工原料的生产与运输的核算为：
式中，E3为能耗，G3为温室气体排放量；n3为原料消耗种类总量；Qi3为第 i种原料消耗量；Ei3为第i种原料的能耗因子；Gi3为第i种原料的温室气体排放因子；
建设施工的核算为：
E4＝Qi4Ei4+Qj4Ej4
G4＝Qi4Gi4+Qj4Gj4
式中，E4为能耗，G4为温室气体排放量；Qi4、Qj4分别为耗电量、耗燃料油量；Ei4、Ej4分别为电力、燃料油对应的能耗因子；Gi4、Gj4分别为电力、燃料油对应的温室气体排放因子；
植被破坏与恢复的核算为：
式中，G5为温室气体排放量；n5为植被破坏种类总量；Qi5为第i种植被破坏总量；Gi5为第i种植被单位固碳因子；Ti5为第i种植被破坏时间；m5为植被恢复种类总量；Qj5为第j种植被恢复总量；Gj5为第j种植被单位固碳因子；Tj5为第j种植被恢复时间；
设备耗电，生活耗电、巡检和运输耗油的核算为：
E6＝Qi6Ei6+Qj6Ej6
G6＝Qi6Gi6+Qj6Gj6
式中，E6为能耗，G6为温室气体排放量；Qi6、Qj6分别为耗电量、耗燃料油量；Ei6、Ej6分别为电力、燃料油对应的能耗因子；Gi6、Gj6分别为电力、燃料油对应的温室气体排放因子；风场运行后耗电来自风场自发电，故Qi6为0；
设备消耗润滑油、润滑脂的核算为：
E7＝Qi7Ei7+Qj7Ej7
G7＝Qi7Gi7+Qj7Gj7
式中，E7为能耗，G7为温室气体排放量；Qi7、Qj7分别为消耗润滑油量、润滑脂量；Ei7、Ej7分别为润滑油、润滑脂对应的能耗因子；Gi7、Gj7分别为润滑油、润滑脂对应的温室气体排放因子；
零件更换的核算为：
式中，E8为能耗，G8为温室气体排放量；n8为更换零件种类总量；Qi8为第 i种零件质量；Ei8为第i种零件的能耗因子；Gi8为第i种零件的温室气体排放因子；
拆卸、运输的核算为：
E9＝Qi9Ei9+Qj9Ej9
G9＝Qi9Gi9+Qj9Gj9
式中，E9为能耗，G9为温室气体排放量；Qi9、Qj9分别为耗电量、耗燃料油量；Ei9、Ej9分别为电力、燃料油对应的能耗因子；Gi9、Gj9分别为电力、燃料油对应的温室气体排放因子；
S5、风力发电机组选型
依据风电场各选型方案的单位电度能耗Em1、Em2……Emn和单位电度温室气体排放量Gm1、Gm2……Gmn，以综合指标I为最终评价指标，具体如下：
I1＝1
I2＝1/2(Em2/Em1+Gm2/Gm1)
I3＝1/2(Em3/Em1+Gm3/Gm1)
……
In＝1/2(Emn/Em1+Gmn/Gm1)
当I最小时，即认为此机型方案为最佳机型方案。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
本发明针对已有风电机组选型方法主要考虑经济、技术性，而忽略了环境效益的不足，提出一种考虑环境效益的风力发电机组选型方法，应用该方法使得风电场建设过程中对机组选型时，能够对备选风电机组型式方案进行环境效益评估，求取各机型方案的能耗与温室气体排放量，并将环境效益评价参数作为机型选择的评价指标，使得在风电场机组选型过程中能够考虑风电场对环境的影响。
在工程实际应用中与现有方法结合使用，促进风电项目环境效益的提高，进一步保证风力发电这种能源利用型式的绿色、环保特性，为风力发电机组选型提供一定的参考。
附图说明
图1为本发明方法逻辑流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
以我国中部某丘陵风电场为例，应用本发明所提供的风电场风力发电机组选型方法进行风力发电机组选型，风电场拟建设容量为100MW，其流程如图1 所示，具体步骤如下：
S1、资料准备与型式初选
首先，获取风电场场区实测风速资料，依据相关规程规范，对实测数据进行验证、插补、订正等操作，并统计各测风塔处的风况参数；再运用成熟的商业CFD软件，结合场址范围粗糙度资料、地形数据信息，对风电场场址范围内风资源条件进行评估，获取风能资源图谱、湍流强度图谱、入流角图谱等信息。
依据风电场风资源条件、施工条件、运输条件等，在市场上主流风电机组型式范围内，参考类似工程经验，初步选定风电场适用的风电机组型式；并针对各风机型式进行风电场布置与配套工程设计，计算风电场上网发电量，复核机组安全性。
对场区内测风塔实测数据进行验证、插补、订正等操作，并统计各测风塔处的风况参数，确定风电场的风资源特征为适用IEC61400-1第三版本第一修订版IIIB及以上风机；运用商用CFD软件Meteodyn WT软件，结合场址范围粗糙度资料、地形数据信息，对风电场场址范围内风资源条件进行评估，获取风能资源图谱、湍流强度图谱、入流角图谱等信息。
依据风电场风资源条件、施工条件、运输条件等，在市场上主流风电机组型式范围内，参考类似工程经验，初步选定风电场适用的风电机组型式为 MySE2.5-145/90、MySE2.5-145/95、MySE2.5-145/100、MySE2.5-145/130四种机型；并针对各风机型式进行风电场布置与配套工程设计，计算风电场上网发电量如表1所示，机组均满足安全性要求。
表1不同机型发电量参数表
S2、边界条件设定
风机设备生产包括叶片、轮毂、主机、塔筒，并考虑主机装配耗能；电气设备生产包括箱式变压器、大型变压器、1KV电力电缆、35KV电力电缆、集电线路采用电缆和架空线混合方式；建筑施工材料生产包括场内风机基础、电气设备基础、道路修建或改造以及房屋建设过程中消耗的钢筋和混泥土。运输过程全部采用公路运输，使用燃料为柴油。每台风机设备运输需要10辆运输车，耗油量为1L/km，柴油密度为0.9kg/L，运输距离为600km；电气设备和建筑施工材料运输车每车平均载重60t，耗油量为1L/km，柴油密度为0.9kg/L，风机设备和电气设备运输距离为600km，建筑施工材料的运输距离为50km。建设施工阶段主要考虑风电机组吊装、混泥土浇筑、钢筋制安、土方开挖、土方填筑过程中消耗的电力、汽油、柴油，以及施工营地能耗。建筑施工阶段造成的植被破坏排放面积为临时征地和永久征地总和，其中临时征地占用一年后进行恢复，永久征地占用21年，破坏植被主要为农田，恢复植被为草地。本风电场临时征地面积为82.9hm2，永久征地面积为3.6hm2。运行维护阶段主要考虑机组在运行过程中设备消耗的电力和运维人员消耗全部来自自风场，约占发量的3％，风电场设备润滑油20年平均跟换7次，润滑脂平均3个月更换一次，风场道路为 64km，风场运行人员平均每10天对所有风机巡检一次，汽车耗油量为0.07L/km，汽油密度取0.78kg/L。单台风力发电机组在20年运行周期平均更换1个叶片和 15％的零部件。回收处理是一个复杂的过程，风机及电气设备全部拆卸，地基保留原地，拆卸后的风机及电气设备的大部分金属材及叶片材料均可回收再利用。本文假设回收后的材料全部用于重新冶炼，用作下一生产过程，暂不考虑其能耗及排放。风设备机回收阶段拆卸消耗等于吊装过程中材料消耗和主机装配过程的材料耗能，电气设备回收阶段拆卸消耗约为施工建设阶段材料消耗的10％，回收阶段运输耗能与生产过程运输耗能相等。
S3、清单分析
依据边界条件并结合各方案风电场配套工程设计，对各阶段的投入的材料或能量进行统计分类，并列出清单。
S4、环境效益影响分析
依据清单分析和对应物质的单位能耗指标和单位温室气体排放指标，对不同风电机组选型方案风电场进行环境效益分析，核算得到不同阶段能耗指标和温室气体排放，最终得到不同风电机组选型方案风电场总能耗E与总温室气体排放G。表2为MySE2.5-145/90选型方案清单与各段能耗和温室气体排放核算表。表3为各选型方案能耗E与温室气体排放G列表。
表2 MySE2.5-145/90选型方案清单与各段能耗和二氧化碳排放清单核算表
表3不同风电机组选型方案能耗与温室气体排放
| 方案 | 能耗/GJ | 温室气体排放/tCO<sub>2</sub> |
| MySE2.5-145/90 | 1460000 | 54460.4 |
| MySE2.5-145/95 | 1501600 | 56570.5 |
| MySE2.5-145/100 | 1538700 | 58419.3 |
| MySE2.5-145/130 | 1781000 | 69825.1 |
S5、风力发电机组选型
依据风电场各选型方案的单位电度能耗Em1、Em2……Emn和单位电度温室气体排放量Gm1、Gm2……Gmn，以综合指标I为最终评价指标，不同机组选型方案评价指标I如表4所示。
表4不同风电机组选型方案评价指标
由上表可知，方案一(MySE2.5-145/90)的最终评价指标I最小，方案最优，即从环境效益角度考虑，此风电场应该选择MySE2.5-145/90型号风机。
以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种考虑环境效益的风电场风力发电机组选型方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、资料准备与型式初选
首先，获取风电场场区实测风速资料，依据相关规程规范，对实测数据进行验证、插补和订正操作，并统计各测风塔处的风况参数；再运用CFD软件，结合场址范围粗糙度资料和地形数据信息，对风电场场址范围内风资源条件进行评估，获取风能资源图谱、湍流强度图谱和入流角图谱信息；
依据风电场风资源条件、施工条件和运输条件，初步选定风电场适用的风电机组型式；并针对各风机型式进行风电场布置与配套工程设计，计算风电场上网发电量，复核机组安全性；
S2、边界条件设定
对于风电场而言，环境效益分析划分为生产与运输、建设施工、运行维护和回收报废四个阶段；生产与运输阶段包括风机及其相关设备的生产与运输、电气设备的生产与运输、风电场建设施工过程所需原料的生产与运输；建设施工阶段包括风电场基础设施的建设与安装、道路与厂房建设、风力发电机组的吊装，除此之外还需要考虑工程征地过程中的植被的破坏和后期恢复；运行维护阶段包括机组在运行过程中设备耗电以及运维人员生活耗电，风电机组运维阶段巡检使用交通工具所消耗的燃料油，日常设备消耗的润滑油、润滑脂，风机设备耗损或故障造成的零件更换；回收报废阶段包括风机设备的拆卸、运输。
S3、清单分析
依据边界条件并结合各方案风电场配套工程设计，对各阶段投入的材料或能量进行统计分类，并列出清单；其中，生产与运输阶段的清单有风机设备的生产与运输，电气设备的生产与运输，建设施工原料的生产与运输；建设施工阶段的清单有建设施工，植被破坏与恢复；运行维护的清单有设备耗电、生活耗电、巡检和运输耗油，设备消耗润滑油、润滑脂，零件更换；回收报废阶段的清单有风机设备的拆卸、运输；
S4、环境效益影响分析
依据清单分析和对应物质的单位能耗指标和单位温室气体排放指标，对不同方案风电场进行环境效益分析，核算得到不同阶段能耗指标和二氧化碳排放，最终得到不同方案风电场总能耗E与总温室气体排放G，风电场总能耗E与总温室气体排放G由以下公式计算得出：
E＝E1+E2+......+E9
G＝G1+G2+......+G9
其中，风机设备的生产与运输的核算为：
式中，E1为能耗，G1为温室气体排放量；n1为原料消耗种类总量；Qi1为第i种原料消耗量；Ei1为第i种原料的能耗因子；Gi1为第i种原料的温室气体排放因子；
电气设备的生产与运输的核算为：
式中，E2为能耗，G2为温室气体排放量；n2为原料消耗种类总量；Qi2为第i种原料消耗量；Ei2为第i种原料的能耗因子；Gi2为第i种原料的温室气体排放因子；
建设施工原料的生产与运输的核算为：
式中，E3为能耗，G3为温室气体排放量；n3为原料消耗种类总量；Qi3为第i种原料消耗量；Ei3为第i种原料的能耗因子；Gi3为第i种原料的温室气体排放因子；
建设施工的核算为：
E4＝Qi4Ei4+Qj4Ej4
G4＝Qi4Gi4+Qj4Gj4
式中，E4为能耗，G4为温室气体排放量；Qi4、Qj4分别为耗电量、耗燃料油量；Ei4、Ej4分别为电力、燃料油对应的能耗因子；Gi4、Gj4分别为电力、燃料油对应的温室气体排放因子；
植被破坏与恢复的核算为：
式中，G5为温室气体排放量；n5为植被破坏种类总量；Qi5为第i种植被破坏总量；Gi5为第i种植被单位固碳因子；Ti5为第i种植被破坏时间；m5为植被恢复种类总量；Qj5为第j种植被恢复总量；Gj5为第j种植被单位固碳因子；Tj5为第j种植被恢复时间；
设备耗电，生活耗电、巡检和运输耗油的核算为：
E6＝Qi6Ei6+Qj6Ej6
G6＝Qi6Gi6+Qj6Gj6
式中，E6为能耗，G6为温室气体排放量；Qi6、Qj6分别为耗电量、耗燃料油量；Ei6、Ej6分别为电力、燃料油对应的能耗因子；Gi6、Gj6分别为电力、燃料油对应的温室气体排放因子；风场运行后耗电来自风场自发电，故Qi6为0；
设备消耗润滑油、润滑脂的核算为：
E7＝Qi7Ei7+Qj7Ej7
G7＝Qi7Gi7+Qj7Gj7
式中，E7为能耗，G7为温室气体排放量；Qi7、Qj7分别为消耗润滑油量、润滑脂量；Ei7、Ej7分别为润滑油、润滑脂对应的能耗因子；Gi7、Gj7分别为润滑油、润滑脂对应的温室气体排放因子；
零件更换的核算为：
式中，E8为能耗，G8为温室气体排放量；n8为更换零件种类总量；Qi8为第i种零件质量；Ei8为第i种零件的能耗因子；Gi8为第i种零件的温室气体排放因子；
拆卸、运输的核算为：
E9＝Qi9Ei9+Qj9Ej9
G9＝Qi9Gi9+Qj9Gj9
式中，E9为能耗，G9为温室气体排放量；Qi9、Qj9分别为耗电量、耗燃料油量；Ei9、Ej9分别为电力、燃料油对应的能耗因子；Gi9、Gj9分别为电力、燃料油对应的温室气体排放因子；
S5、风力发电机组选型
依据风电场各选型方案的单位电度能耗Em1、Em2……Emn和单位电度温室气体排放量Gm1、Gm2……Gmn，以综合指标I为最终评价指标，具体如下：
I1＝1
I2＝1/2(Em2/Em1+Gm2/Gm1)
I3＝1/2(Em3/Em1+Gm3/Gm1)
……
In＝1/2(Emn/Em1+Gmn/Gm1)
当I最小时，即认为此机型方案为最佳机型方案。
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