風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)維修綜述與分析

ImadAlsyouf1（瑞典），IdrissEl-Thalji（瑞典）

一、簡(jiǎn)介

風(fēng)能是最具吸引力的可再生能源之一，在世界范圍內(nèi)，近海和海上風(fēng)電場(chǎng)逐漸增加，這一點(diǎn)不足為奇。風(fēng)電場(chǎng)的廣泛發(fā)展及其在風(fēng)力發(fā)電機(jī)大小、季節(jié)性和位置特性上的區(qū)別，提高了壽命周期費(fèi)用，特別是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行和維修費(fèi)用。

運(yùn)行和維修費(fèi)用占風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)壽命周期費(fèi)用的很大一部分，對(duì)近海風(fēng)電場(chǎng)尤其如此。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行和維修費(fèi)用占總成本的1/3。維修費(fèi)用已經(jīng)沖擊制造商，不久將開(kāi)始沖擊用戶(hù)，因?yàn)榇蠊β曙L(fēng)力發(fā)電機(jī)（>1MW）保修期將過(guò)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的計(jì)劃內(nèi)維修費(fèi)用相對(duì)很低，而非計(jì)劃維修費(fèi)用要高，因此制造商已開(kāi)始在設(shè)計(jì)中考慮風(fēng)力發(fā)電機(jī)的可維修性等。設(shè)計(jì)和調(diào)研階段所制定的策略會(huì)對(duì)擁有成本產(chǎn)生顯著影響。急需采取一種對(duì)具體的業(yè)務(wù)變量和目標(biāo)進(jìn)行過(guò)程優(yōu)化的綜合方法。所有的利益相關(guān)者應(yīng)意識(shí)到維修在獲得可持續(xù)和更具競(jìng)爭(zhēng)力能源供應(yīng)中的重要作用。為了能從風(fēng)能中獲得更多的電能，應(yīng)努力注重改善維修措施。筆者對(duì)有關(guān)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)維修的文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)分析，主要目的是學(xué)習(xí)總結(jié)現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的維修實(shí)踐，對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)維修領(lǐng)域的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)分類(lèi)，分析差異、薄弱環(huán)節(jié)和趨勢(shì)并為以后的研究方向提出建議。

二、分類(lèi)方法

筆者以風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的壽命周期階段為基礎(chǔ)，把相關(guān)文獻(xiàn)分為以下幾部分內(nèi)容。

1.設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)

該階段的作用是獲取利益相關(guān)者的需求，它包括系統(tǒng)分析、優(yōu)化和綜合、定義、系統(tǒng)測(cè)試和評(píng)估。該階段著重考慮物流和維修支持要素的提供和獲取。系統(tǒng)壽命周期費(fèi)用的相當(dāng)一部分源于系統(tǒng)早期規(guī)劃和概念設(shè)計(jì)階段期間固有可靠性和可維修性決策結(jié)果。如優(yōu)化設(shè)計(jì)和購(gòu)置費(fèi)用可對(duì)設(shè)備維修費(fèi)用產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，為設(shè)計(jì)出更好基于維修策略的設(shè)備，需要風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主、運(yùn)營(yíng)者和原始設(shè)備制造商三者之間緊密結(jié)合。為了改善風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的成本效率，面向維修、狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和診斷儀器、維修數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、員工安全服務(wù)的設(shè)計(jì)以及測(cè)量和控制系統(tǒng)的集成，都是在該階段應(yīng)提前考慮的重要因素。

2.生產(chǎn)和建設(shè)

該階段關(guān)注風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組件生產(chǎn)、建設(shè)和組裝所要求的所有活動(dòng)和中間過(guò)程。它包括物流、采購(gòu)和庫(kù)存要求、制造、包裝、入庫(kù)、物資調(diào)運(yùn)、運(yùn)輸、通信、數(shù)據(jù)處理和物流管理。所有這些活動(dòng)的實(shí)施應(yīng)以?xún)?yōu)良的質(zhì)量和成本為基礎(chǔ)。通常，質(zhì)量和裝配失誤、安裝誤差、設(shè)計(jì)誤差和操作者誤差是導(dǎo)致系統(tǒng)使用早期階段出現(xiàn)問(wèn)題的原因。一般在保修期內(nèi)原始設(shè)備制造商承擔(dān)較大的責(zé)任。

3.運(yùn)行和維修

該階段關(guān)注系統(tǒng)如何操作、使用和維修。目的在于持續(xù)維修和技術(shù)支持，使系統(tǒng)能有效獲得其目標(biāo)成本。不少學(xué)者也曾經(jīng)討論過(guò)維修方法及其開(kāi)發(fā)。通常，維修工作旨在最大限度地降低工業(yè)設(shè)備、機(jī)械裝置和裝備等的失效率。這些維修工作可有幾種形式和措施，其中維修措施可分為以下幾種方法。（1）被動(dòng)式方法重點(diǎn)主要在消防、安裝新設(shè)備、為保證生產(chǎn)線的運(yùn)轉(zhuǎn)能力使用庫(kù)存的半成品，以及進(jìn)行全年總體規(guī)劃。（2）預(yù)防性方法是僅僅基于原始設(shè)備制造商和使用統(tǒng)計(jì)方法，以失效數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，模擬關(guān)鍵部件的壽命功能。（3） 預(yù)知性方法是使用計(jì)算機(jī)輔助和維修系統(tǒng)（CMMS），在培訓(xùn)和提高業(yè)務(wù)能力方面進(jìn)行投資，使用狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)以及以可靠性為中心的維修（RCM） 方法，如失效分析，故障模式、影響及危害度分析（FMECA） 和統(tǒng)計(jì)模型。（4） 診斷方法（專(zhuān)家系統(tǒng)） 使用遠(yuǎn)程自動(dòng)診斷技術(shù)。（5）自主性方法是以全員生產(chǎn)維修（TPM）哲學(xué)為基礎(chǔ)，主要取決于對(duì)設(shè)備綜合效率（OEE） 的測(cè)量。（6）精益生產(chǎn)方法重點(diǎn)在于降低能量損失，如高水平的備件庫(kù)存和設(shè)備的持續(xù)修理。（7） 主動(dòng)式方法是協(xié)助改善生產(chǎn)過(guò)程、購(gòu)置新設(shè)備、選擇供應(yīng)商，使用功能組解決生產(chǎn)問(wèn)題，設(shè)計(jì)和改善生產(chǎn)過(guò)程，利用公司的有效信息進(jìn)行維修工作和關(guān)鍵部件的定期計(jì)劃更換。

4.系統(tǒng)報(bào)廢

該階段旨在當(dāng)系統(tǒng)到達(dá)其設(shè)計(jì)壽命或有重大技術(shù)進(jìn)展時(shí)怎樣進(jìn)行處置。它涉及風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目所有可見(jiàn)物的處理，如渦輪機(jī)、塔架、混凝土基礎(chǔ)、變電設(shè)備等達(dá)到設(shè)計(jì)壽命后系統(tǒng)的報(bào)廢。

三、分析討論

筆者參閱的大部分文獻(xiàn)重點(diǎn)介紹改善風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)（尤其是近海）性能所采取的合理維修措施。其中五篇文獻(xiàn)討論了在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)階段考慮維修的重要性，二篇文獻(xiàn)討論了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的生產(chǎn)和構(gòu)建過(guò)程的質(zhì)量，15篇文獻(xiàn)討論了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行和維修。通過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的分析，總結(jié)了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在每個(gè)壽命周期階段面臨的主要挑戰(zhàn)和方法，見(jiàn)表1。

在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)階段，確定設(shè)計(jì)者應(yīng)考慮的以下目標(biāo)是可行的，如改善可靠性、可利用率、可維修性和安全性；降低關(guān)鍵維修費(fèi)用；獲得一種優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。需強(qiáng)調(diào)的是，為了獲得一種優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，采用有關(guān)基于綜合設(shè)計(jì)方法的機(jī)械設(shè)計(jì)的合理維修策略是很重要的。但是，為了設(shè)計(jì)出更好的基于維修策略的風(fēng)電設(shè)備，這要求風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主、運(yùn)營(yíng)者和原始設(shè)備制造商之間應(yīng)密切合作。

在生產(chǎn)和建設(shè)階段，需強(qiáng)調(diào)的是，消除制造、庫(kù)存和建設(shè)質(zhì)量問(wèn)題是主要挑戰(zhàn)。這是因?yàn)橐陨线^(guò)程是在運(yùn)行和建設(shè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)期間通常出現(xiàn)維修問(wèn)題的根源。這一點(diǎn)可以通過(guò)改善整個(gè)供應(yīng)鏈的質(zhì)量控制程序來(lái)達(dá)到。

表1

在運(yùn)行和維修階段，面臨的挑戰(zhàn)來(lái)自于各種不同的維修方法。對(duì)于預(yù)防性方法，通常這些工作是根據(jù)原始設(shè)備制造商的推薦來(lái)進(jìn)行規(guī)劃的。主要目標(biāo)是怎樣合理規(guī)劃維修工作，如使維修規(guī)劃和系統(tǒng)季節(jié)運(yùn)行規(guī)劃同步。對(duì)于預(yù)知性方法，主要挑戰(zhàn)有：測(cè)算狀態(tài)監(jiān)測(cè)的附加值，證實(shí)投資狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)是可行的；開(kāi)發(fā)預(yù)測(cè)部件剩余壽命的算法；開(kāi)發(fā)在日常工作中協(xié)助操作者制定成本效率決策的應(yīng)用軟件；把狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成到近海風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中；把故障預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集成到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以實(shí)施狀態(tài)維修策略；在公共平臺(tái)中，簡(jiǎn)化和重新安排系統(tǒng)；優(yōu)化維修計(jì)劃，使維修更有效。對(duì)于診斷方法（專(zhuān)家系統(tǒng)），主要挑戰(zhàn)是使用智能化的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲得和交換數(shù)據(jù)。對(duì)于自主性方法，主要目標(biāo)是怎樣獲得和計(jì)量生產(chǎn)損失。成功做到這些，可以呈現(xiàn)資金和生產(chǎn)損失的低效之處，幫助決策者認(rèn)清維修的作用，鼓勵(lì)他們投資新技術(shù)。對(duì)于主動(dòng)性方法，重點(diǎn)在于改進(jìn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，集成風(fēng)力發(fā)電機(jī)測(cè)量系統(tǒng)和維修監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，獲得更好的運(yùn)行和維修構(gòu)造法，從整體上優(yōu)化維修策略，即避免局部?jī)?yōu)化。這需要開(kāi)發(fā)基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和從風(fēng)力發(fā)電機(jī)中獲得的數(shù)據(jù)及信號(hào)的新的數(shù)據(jù)處理算法。此外，對(duì)于采集和交換運(yùn)行和維修數(shù)據(jù)，還需要工業(yè)合作伙伴之間密切合作。

在最后的報(bào)廢階段，重點(diǎn)在于考慮風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境方面的問(wèn)題。如在出現(xiàn)故障之前可進(jìn)行多少次大修是一個(gè)相關(guān)的問(wèn)題，實(shí)踐中必須考慮其技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益。

四、結(jié)語(yǔ)

作為支撐功能的維修，在獲得和維持競(jìng)爭(zhēng)力優(yōu)勢(shì)方面具有重要作用。所有利益相關(guān)者應(yīng)認(rèn)清維修在獲得可持續(xù)性和具競(jìng)爭(zhēng)力能源供應(yīng)中的作用，這是很重要的。風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主、運(yùn)營(yíng)者和原始設(shè)備制造商之間應(yīng)密切合作，設(shè)計(jì)出更好的基于維修的風(fēng)電設(shè)備。還需要更多的研究如何以高效率和有效的方式，把這些措施應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。對(duì)于采集和交換運(yùn)行和維修數(shù)據(jù)，還需要工業(yè)合作伙伴之間密切合作。將來(lái)必須建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正確的維修策略，并提供安全、可持續(xù)性和具競(jìng)爭(zhēng)力的能源供應(yīng)。