风电项目后时代技术改造投资机会研究_吕国儿.pdf

01风电项目后时代技术改造投资机会研究http:/ 政策调研 第4期 DOI：10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2023.04.001风电项目后时代技术改造投资机会研究吕国儿1，朱祚民1，刘小龙2，吕联亚1(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311100；2.中国能源工程集团有限公司，上海 200080)摘要：随着我国“双碳”工作的持续推进，风电机组装机规模不断扩大。与此同时，达到运行寿命的老旧风电机组也催生出巨大的改造市场。为给即将急剧扩大的风电技改市场提供关于改造投资机会的指导意见，对10 余家风电场进行调研，将收集到的数据结合行业政策分析讨论，得到风电技改投资的关键点。关键词：风电项目；技术改造；投资机会中图分类号：TM7 文献标志码：A 文章编号：1671-9913(2023)04-01-08Research Based on Investment Opportunities for Technological Innovation in the Post-era of Wind Power ProjectLYU Guoer1,ZHU Zuomin1,LIU Xiaolong2,LYU Lianya1(1.PowerChina Huadong Engineering Co.,Ltd.,Hangzhou 311100,China;2.China State Energy Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200080,China)Abstract:With the continuous promotion of the dual-carbon work in China,the scale of the wind turbine assembly machine continues to expand.At the same time,the old wind turbines that have reached the service life have also created a huge transformation market.In order to provide guidance on the transformation investment opportunities for the rapidly expanding wind power technology transformation market,more than 10 wind farms were investigated,and the collected data were combined with industry policy analysis and discussion to obtain the key points of wind power technology transformation investment.Keywords:wind power project;technical innovation;investment opportunity*收稿日期：2023-02-28 第一作者简介：吕国儿(1984)，男，硕士，高级工程师，主要从事风电土建结构设计研究及项目管理工作。0 引言随着“双碳”工作的推进，风电改造市场将迎来爆发式的增长，服役期满的风机的容量将逐步增加到 2.0 MW，设计地区也将扩大到四川、西藏以外的所有地区。但是目前行业内风电改造概念较为模糊，对何时应该改造、如何改造没有统一的指导意见，部分风电场虽然没有达到使用寿命，但风能利用效率低、维护成本高，如果不进行统一指导，会存在盲目改造、浪费资源的情况。本文依据在建的几个国内风电技改项目概况以及网络问卷的反馈结果，通过梳理国家、行业、企业有关标准和规定要求，整理汇总目前在建项目技术特点及国家地方政策，分析查找国内风电技改不同阶段的重要环节，提出风电技改工程侧重点、流程以及其中蕴含的投资机会1。02http:/电 力 勘 测 设 计第4期1行业调研2021 年 12 月国家能源局出台了风电场改造升级和退役管理办法(征求意见稿)之后，开始组织进行风光项目技改调研，为获取切实可靠的数据，调研型式采用的是问卷调研+实地调研的方式。每一份问卷分为风力发电场与光伏发电场两个部分。1.1 问卷调研为便于结果统计与数据分析，在网络上发布电子调研问卷，如图 1 所示，主要分为四个部分：场址信息、技改意向、风机基础型式和技改资金。?图1 问卷内容大纲问卷发布半年之后，共计收到 12 家单位的反馈。其中包含 10 份关于风电场技改的问卷以及 6 份关于光伏发电场技改的问卷。问卷中的风光电场分布在中国东部、中北部地区。1.1.1 技改意向在调查问卷涉及的风电场里，有四家单位表示近期内可能会进行技改，对比问卷中填写的可研报告数据，在选择近期不技改的风光电场里，后续年份数据的年等效满负荷小时数下降并不明显。相比较之下，建成投入运营时间较长的一些风电场年等效满负荷小时数已经开始逐年降低，维护费用也不断增加，因此考虑进行技术改造。技改意向调查情况如图 2 所示。?765432104426图2 技改意向调查1.1.2 技改方式在对风机机组进行改造上，其中一家风电场选择直接退役，其余选择对风机机组延长寿命、延长风机叶片寿命或进行大幅调整的各有三家。技改方式如图 3 所示。3331?图3 技改方式1.1.3 基础改造方案风机基础技改主要分为三种形式，方案 1，旧基础不拆除，进行加固；方案 2，旧基础部分拆除；方案 3，旧基础全部拆除。四家单位选择选择方案三，其余两种方案各有三家单位。基础改造方案如图 4 所示。03风电项目后时代技术改造投资机会研究http:/ 政策调研 第4期 1.1.4 政策支持方案在政策支持方面，大部分反馈都倾向于直接获得资金补助，同时也都同时选择了低息、专项贷款和双碳绿色基金。政策支持方案如 图 5 所示。1.1.5 问卷调研单位对于风光电站技改的建议和想法1)技改风机基础型式、受力分析与常规风机基础不同，由于目前尚未出台风机改造相关的技术规范，对于技改风机基础的强度、沉降计算只能利用现有规范进行计算，另外辅以有限元软件分析结果。因此希望能够出台新的风机技改规范，明确目前常见的几种技改基础型式的强度、位移计算方法；2)应在风电场技改项目的扩容问题上提供政策支持，以便充分发挥资源、环境、技术的社会效益；3)建议对风电场技改项目提供项目立项、项目核准或备案政策支持，通过合规性调动风光项目后时代技术改造的积极性；4)应出台风场技改实施方案的编制规定、评估规定，明确各类技改项目的审批核准流程；5)风电场技改要统筹结合数字化、智能化、智慧化为代表的“三化”趋势和“智慧+”新生产运营模式；6)建议对风电场技改项目保留上网电价，增补容量电价根据市场变化调节。1.2 实地调研1.2.1 东部沿海某滩涂等容技改项目该风电场 2007 年 6 月首台机组并网发电，2009 年 6 月全部建成并网，至今已运营 13 年。并网发电以来，附近沿海经济区多次围垦，海堤一直向东扩张，致使东部由海洋环境变为陆地，风电场原属于海域项目，通过新的海岸分界线认定后归为陆地项目，海陆相对位置的变化对风资源的影响较大，同时风电场周边新建项目对风速存在影响。项目并网发电以后，周边陆续新建数个项目，东侧三个海上风电场建成投产后，风速逐渐减小，因此考虑技改增效。该技改项目为等容改造工程，是第三批国家特许权招标项目，中标电价为 0.487 7 元/kWh(含税)，补贴小时数为 30 000 h。本项目于2009 年 7 月建成，补贴年限至 2029 年 7 月。考虑本项目计划实施在 2022 年，本次已发补贴小时数按 17 000 h 估算，剩余补贴小时为13 000 h，等效满负荷小时数 2 600 h 左右(考虑限电)，补贴年限不到 5 年，未超过特许权电价补贴年限。技改后剩余 13 000 h 小时维持原电价，其余按平价处理。433?7896543211111078654442 图4 基础改造方案 图5 政策支持方案04http:/电 力 勘 测 设 计第4期原工程共安装 134 台单机 1.5 MW 的风力发电机，总装机容量 201 MW，技改工程安装3.0 MW 及以上的风力发电机组，总装机容量维持原数据不变。考虑到新机组尺寸、荷载均远大于旧机组，因此需要对原风机基础进行改造。原计划借鉴海上风电项目导管架型式，部分组件在工厂完成加工之后运输到施工现场进行拼接以适应安装条件较差的安装环境。如图 6 所示，在旧风机圆盘式扩展基础周围打入钢柱、以圆筒形导管架作为斜撑连接新风机塔筒、钢柱。图6 旧基础改造-导管架型式由于导管架方案存在以上限制条件，同时考虑到技改项目施工工期较紧，需要在年底之前完工，最终考虑在圆盘形基础上浇筑新的八边形筏板基础，使得改造后的基础在保证承载能力的前提下能够满足征地范围的限制。风机基础三维效果如图 7 所示。图7 风机基础三维效果图(覆土)实施本项目升级改造产生的现金流量减去现机组继续运营至 2029 年情形下产生的现金流量，得到增量投资的增量现金流量，由此计算的增量资本金收益率和增量全投资收益率，见表 1 所列。表1 增量资本金收益率和增量全投资收益率项 目财务指标运营期/a20增量资本金收益率/%7.75增量全投资收益率(税前)/%7.82增量投资的增量资本金内部收益率和全投资税前收益率均为 7%以上，大于长期贷款利率 4.9%，从这个角度看，项目是可行的。将“固定资产净值计入本项目运营成本，从正常运营期开始按新资产折旧年限 20 年计算摊销，每年分摊 2 249 万元”的方案与东台一期继续运营至 2029 年两个情形下的资本金净现值进行对比，见表 2 所列。表2 两个情形净现值对比项 目净现值/(万元，折现率8%)实施本项目35 836现机组继续运营至2029年19 191差 值16 645本项目升级改造后的资本金净现值为35 836 万元，若不延寿到期后拆除，净现值为19 191 万元，净现值差值为 16 645 万元。因此实施本项目升级改造，按本方法分析经济效益也是合适的。1.2.2 西北某技改增容项目该项目旧风机均为 1.5 MW，改造前存在的问题有：风机技术落后，设备老化，原风机分别于 2007 年、2009 年投运，存在设备老旧、隐患较多，且较目前主流的高塔筒、长叶片、大容量风机性能差距大；风机可靠性差，安全质量隐患多；老旧风机置换，可实现发电量效果大幅度提升。“老旧风电项目技改升级”政策的提出，表现了国家在碳中和背景下，大大05风电项目后时代技术改造投资机会研究http:/ 政策调研 第4期 图8 一期风电场基础剖面图4?2?3 5003 50076764001002002 0009002 0002 0542 0541 570?R=2500 mm?50?PVC?0.000?2.400?C10?2.101 0008 00016 0008 0002502001 8002 0001 4007002 1004004 6001 8002 000200250150?4.2001 0001 0000.000?1.500?2 400?图9 二期风电场基础剖面图因风机单机容量由原来的 1.5 MW 提升到6.25 MW，风机荷载变化大，原风机扩展基础不能满足基础脱开要求及承载力要求。此外，由于风机荷载变化较大，原扩展基础的底板配筋抗弯强度不能满足规范上计算的输入性要求，故无法加固利用；改造工程量比新建工程量仅略少，但是工作量更多，比如施工工艺更复杂，检测检验复杂得多，因此不采用对原基础进行加固改造的方案，本次改造风机均为原址拆除风机基础并重建。原一、二期及扩建项目原 68 个机位，扣除全部位于生态环保线范围内的机位，考虑机组安全间距、尾流影响等因素，等容更新102 MW 风电项目选用机位 17 个，风机额定容提升了在制定可再生能源政策上的关注度和及时性。在未来的后市场服务模式中，通过老旧风机置换，可实现风电装机和发电量倍增效果，全场年等效满负荷小时数预计可以达到 2 200 h以上。改造大幅提高了老旧风场资源的利 用率。技改后总装机容量 102 MW，其中一期规模 45 MW，二期规模 45 MW，扩建规模12 MW。图 8、图 9 为原一、二期风电场基础剖面图。改造机型采用 17 台 6.25 MW 机型。叶轮直径 182 m，轮毂高度 110 m。通过计算分析，原基础无法加固改造，需原址拆除风机基础并重建。改造的机位中，风机基础均采用现浇钢筋混凝土扩展基础。对于需要改造的风机，原基础通过控制爆破的方式进行拆除。06http:/电 力 勘 测 设 计第4期量选择 6.25 MW 级，具备同容量替换改造条件；比对三年平均风速、三年平均发电量，改造前年平均满负荷上网小时数约 1 677 h，改造后年平均满负荷上网小时数约 2 379 h。按目前在建项目、主流风机厂家报价进行调研，本项目改造成本按增量法计算，本工程静态投资46 344.62 万元，单位静态投资 4 361.85 元/kW；动 态 投 资 46 797.69 万 元，单 位 动 态 投 资4 404.49 元/kW。项目投资财务内部收益率(所得税后)6.27%，资本金财务内部收益率 9.02%，具有较好的盈利能力和偿债能力，总的财务指标较好，具有财务可行性。2 技改方案及后处理2.1 技改方案2.1.1 旧风机基础全部拆除以目前比较常见的圆盘形风机桩基础为例，开挖至原基础埋深深度，凿除整个承台混凝土，拆除钢筋(对桩基础，可保留旧基桩)；之后在原风机基础外圈浇筑一圈新的灌注桩，旧桩基通过接桩的方式与新基础承台连接；最后安装新锚栓笼，绑扎钢筋，搭设模板并浇筑一个新的承台，如图 10 所示。?5%5%7 00020 0006 0007 000?PHC?图10 方案1旧基础全部拆除2.1.2 旧风机基础部分拆除将旧基础斜面一定高度以上的混凝土及钢筋拆除，让原来的风机基础形成一个承载平台。在新旧混凝土的交界面上安装预应力锚栓并凿毛植筋加强粘结。在原风机基础外圈做一圈灌注桩(或 PHC 桩)，在原风机基础上放置新锚栓笼，绑扎钢筋，搭设模板，最后重新浇筑一台风机基础，如图 11 所示。?7 00020 0006 0007 000?图11 方案2旧基础部分拆除2.1.3 旧风机基础不拆除对原风机基础进行钻孔，打入锚杆，灌浆锚固。旧基础侧面、顶面、斜坡面植入钢筋，原锚栓笼(基础环)加强连接，绑扎新钢筋，搭07风电项目后时代技术改造投资机会研究http:/ 政策调研 第4期 设模板，浇筑新基础。新基础采用八边形伐板式基础，基础外圈设置承台梁作为新增桩基的承台梁使用，新基础中墩高度满足锚栓的最小高度要求，如图 12 所示。图12 方案3旧基础不拆除2.2 老旧风机组件的处理 一台风力发电机组通常包括转动部、机舱、塔筒、基础以及变压器和并网线缆等部件组成。退役后的风力发电机组需要得到妥善处置，否则会对当地的生态环境造成严重危害。目前，直接更换机组是国内较为可行的方法。该方式将老旧机组拆解，满足使用要求的零部件作为备品备件，将判定翻新后性能无法达到使用要求的材料应该再分类回收。其部件材料构成通常包括钢、铸铁、复合材料、铜、木材、混凝土等。2.2.1 混凝土、钢材、电气部件的回收对旧风机基础可以使用人工风镐拆除、大型机械破碎拆除、炸药爆破拆除、胀裂剂静力破碎拆除和绳锯切割等方法拆除。破碎后的混凝土可以和渣土作为填料使用在吊装平台上，也可以破碎加工后重新用于混凝土材料的生产。风电机组拆除后的钢材经分类后应加以回收，情况较好的钢材清洗处理后可用于原址新风电机组，其余钢材可联系钢材回收厂家处理。发电机可先拆解成零散部件，然后根据不同材料成分分类为钢材、铝材、铜材以及包含稀土元素的部件(如永磁铁)并分类回收。若发电机拆解后的部件较多，处理困难，也可直接联系发电机厂商，将发电机运至厂家回收处理。2.2.2 复合材料的回收风机叶片主要由玻璃纤维和环氧树脂制成。玻璃纤维增强塑料又称为玻璃钢(FRP)，是不可降解材料，对于风机拆解过程中拆除的叶片，利用常规的焚烧处理不仅效率低下，对环境的污染也非常严重。对于玻璃钢废料的回收和利用，目前国内主要的处理方法主要有物理回收法、能量回收法和化学回收法。1)物理回收法物理回收法主要是将FRP材料机械粉碎后，将其粉末作为复合材料的填料进行资源的回收利用。主要的处理过程分为清洗分拣、初步切割、二次破碎、筛分和制粉，如图 13 所示。?6001000mm?PVC?图13 物理回收处理流程采用物理破碎方法回收叶片从技术可行性和实用性上最为可取，能较好地回收一般方法难以处理的热固性复合材料，在处理过程中不会对环境造成污染，处理后的物料也能高08http:/电 力 勘 测 设 计第4期效回收利用。目前在公园走道/围栏、景区木制房屋上应用广泛，相较于一般的木材，回收复合材料制成的围栏及地板有很好的强度和耐 用性2。2)化学回收法化学回收法是将玻璃钢废弃物初步粉碎后，通过化学方法将粉末转化为可回收物质，主要方法有热解法、水解法和氨解法等，处理流程为清洗分拣、初步切割、化学降解、脱水干燥后制成改性塑料，如图 14 所示。?Catalyst soulutionSwellingRuptureSoluble polymerInsoluble polymer?图14 化学回收处理流程化学回收法覆盖面广，适用于所有废弃复合材料，而且可以将原风机叶片中的热固性复合材料转化为热塑性复合材料，具备可循环率高、社会价值高及利用率高的优点，但同时化学降解法的回收成本明显高于其他方法，且国内目前没有用化学法大规模处理废弃风电叶片的案例2。3)能量回收法能量回收法是将玻璃钢废材在焚烧炉内燃烧，利用燃烧产生的热量进行发电、供热。与前两种回收处理方式相比，能量回收法的优点是技术难度低，可有效降低回收处理的成本，相对直接掩埋的方式对环境破坏更小，但仍会产生大量有毒废气，对环境有很大的影响2。3 结论1)目前风电行业技改前景广阔，随着我国风电快速发展，老旧风机服役寿命到期的容量将迎来爆发式增长，预计“十四五”期间累计退役机组容量将超过 120 万 kW，全国改造置换机组需求将超过 2 000 万 kW。江苏、浙江地区目前政策上不支持新建陆上风电场，但允许对老旧风电场进行技术改造以达到增效目的，考虑到大量沿海风电场运营时间已接近 15 年期限，同时受到附近后续新增风电场及其他建筑物的影响，发电小时数、风资源利用效率下降明显，将催生出庞大的技改风电场投资机会。2)随着老旧风电机组的大量退役，对于退役风机的处理将产生大量市场，目前对混凝土、钢材、电子元器件均能有效回收，但风机叶片(FRP 材料)的回收仍缺少大规模处理的经验。如果回收风机叶片，目前的主流方式是物理回收和化学回收，其中物理回收成本较低，适用于成规模处理退役风机叶片，随着越来越多的风电场面临退役，拆解下的风机叶片也将催生出庞大的处理市场。同时化学回收法(溶解法、热解法、超临界流体法等)也具有可循环率高、社会价值高及利用率高的优点，若能有效降低处理成本，也能获得很大的市场空间，这方面具备一定的科研价值。3)针对目前主流的三种风机基础技改模式，对于江浙地区的技改项目，受到征地方面的制约较大，因此部分拆除或者不拆除旧基础的方案比较适用，相比之下北方地区技改项目在征地方面较为容易，适合将旧风机基础全部拆除或者在新的机位上重新建造风机基础。参与课题研究的成员有：吴芳和(华东勘测设计研究院有限公司)；马雪(西南电力设计院有限公司)；罗筱锋(中南勘测设计研究院有限公司)；韩永兴(陕西省电力设计研究院有限公司)；彭烁君(水电水利规划设计总院)；王蒙(国核电力规划设计研究院有限公司)；刘博(西北勘测设计研究院有限公司)；李艳(山东电力工程咨询院有限公司)。参考文献1 钟财富，韩雪，时璟丽，等.我国风电机组退役改造置换的需求分析和政策建议J.风能，2021(1)：66-67.2 任伟伟.风电机组拆除回收及扩展整改J.橡塑技术与装备，2015(16)：104-105.(编辑 陈荣荣)