鄭小霞,葉聰杰,符楊
(上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院,上海 200090)
風(fēng)電是目前世界上發(fā)展速度最快、最具競(jìng)爭(zhēng)力的可再生能源,與陸地相比,海上風(fēng)能資源風(fēng)速更大、湍流度更低,風(fēng)向更穩(wěn)定、對(duì)環(huán)境影響較小,且海上風(fēng)電場(chǎng)往往靠近能源需求較大的沿海發(fā)達(dá)城市,海面可利用面積廣闊,不占用土地等的優(yōu)勢(shì),已逐漸成為未來(lái)風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-2]。根據(jù)“十二五”可再生能源規(guī)劃,到2015年我國(guó)風(fēng)電總并網(wǎng)裝機(jī)容量將達(dá)到1億kW,海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)量500萬(wàn)kW,規(guī)劃到2020年海上風(fēng)電裝機(jī)將達(dá)到3000萬(wàn)kW,海上風(fēng)電將重點(diǎn)分布在江蘇、山東、上海、浙江、福建和廣東等沿海區(qū)域[3-4]。但由于海上風(fēng)電機(jī)組面臨潮汐、臺(tái)風(fēng)、氣流和閃電等惡劣環(huán)境,機(jī)組容易出現(xiàn)故障且維修較陸上而言難度大,費(fèi)用高,特別在海況惡劣時(shí),維修人員難以接近,故障無(wú)法排除,使得海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行維護(hù)成本較高。我國(guó)海上風(fēng)電才剛剛起步,缺乏風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)管理經(jīng)驗(yàn),這些都將無(wú)形地增加運(yùn)營(yíng)成本。
本文在總結(jié)海上風(fēng)電機(jī)組主要部件故障的基礎(chǔ)上,對(duì)比了定期維護(hù)、停機(jī)維護(hù)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)3種維護(hù)方案的優(yōu)缺點(diǎn),介紹了國(guó)內(nèi)外海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)管理的現(xiàn)狀,并對(duì)影響海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)成本的主要因素進(jìn)行了分析。最后結(jié)合我國(guó)現(xiàn)狀探討了海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)的發(fā)展趨勢(shì)。
海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行階段會(huì)產(chǎn)生很多問(wèn)題,主要是設(shè)備的故障率較高,以發(fā)電機(jī)、齒輪箱、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、葉片和控制系統(tǒng)等最為常見(jiàn)。
發(fā)電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵部分。對(duì)發(fā)電機(jī)的機(jī)械故障可以通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)的電壓、電流以及對(duì)功率的穩(wěn)定功率譜分析或?qū)Πl(fā)電機(jī)的軸承等部位的故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)來(lái)進(jìn)行。對(duì)于發(fā)電機(jī)的特定故障類(lèi)型,如轉(zhuǎn)子角誤差、軸承故障、定子匝間短路等故障,國(guó)內(nèi)外也有相應(yīng)的研究[5]。
從故障引發(fā)的停機(jī)時(shí)間、維護(hù)成本以及是否會(huì)造成后續(xù)故障等角度分析,齒輪箱、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警也很重要[6]。齒輪箱的高速軸承、中間軸承都可能發(fā)生損壞,齒輪猝火問(wèn)題造成強(qiáng)度不足,也會(huì)導(dǎo)致輪齒的斷裂。另外,由于海上風(fēng)電場(chǎng)所處的環(huán)境的特殊性,更需進(jìn)一步考慮齒輪箱等發(fā)熱部件的冷卻方式問(wèn)題,注意其所需的防腐蝕技術(shù)和防鹽霧技術(shù)。
由于海上風(fēng)電機(jī)組中的葉片是機(jī)組中非常昂貴的部件,同時(shí)又因?yàn)樗懵对谑謴?fù)雜的海上環(huán)境中,受到由近海風(fēng)力帶來(lái)的氣動(dòng)載荷、涌浪和潮汐通過(guò)基礎(chǔ)和塔架傳遞給葉片的振動(dòng)疲勞載荷影響,特別是海上鹽霧、高濕熱以及陣風(fēng)的影響,也十分容易受到損壞,并且海上風(fēng)機(jī)尺寸增大明顯加大了風(fēng)機(jī)遭雷擊的危險(xiǎn),從而產(chǎn)生巨大的損失?,F(xiàn)在海上風(fēng)電的葉片監(jiān)測(cè)主要是針對(duì)葉片的防腐、防雷、結(jié)冰情況,裂紋、斷層等機(jī)械故障,以及異常聲音和排水孔的監(jiān)測(cè)[7]。
風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)僅占一個(gè)風(fēng)機(jī)成本的1%,但是卻有13%的故障和其有關(guān),海上風(fēng)電場(chǎng)由于在天氣或工具等情況下可能無(wú)法到達(dá)進(jìn)行維護(hù),對(duì)穩(wěn)定性的要求也更高,對(duì)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)的要求也相對(duì)更高。控制系統(tǒng)按主要故障有被控對(duì)象故障、傳感器故障、執(zhí)行器故障及計(jì)算機(jī)接口故障等?,F(xiàn)在的控制系統(tǒng)故障診斷方法研究最多的是基于解析冗余的,并多采用軟件冗余方法[8]。
海上變壓器也是頻繁出現(xiàn)故障之處,故障的原因有多種因素,大部分是由于變壓器耐鹽霧腐蝕性能差,受海上氣浪沖擊或海水侵入而出現(xiàn)問(wèn)題。變壓器與機(jī)組主開(kāi)關(guān)之間的電纜電纜,由于其彎曲度過(guò)小,長(zhǎng)期處于疲勞狀態(tài),導(dǎo)致電纜端部套管損壞和絕緣損壞,發(fā)生熱冒煙事故[9]。
現(xiàn)有的海上風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行與維護(hù)(O&M)主要包括定期維護(hù)(檢察、清潔等)、停機(jī)維護(hù)(某種程度的故障檢修,如手動(dòng)重啟或更換主要部件)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)3種維護(hù)方案[10]。定期維護(hù)需對(duì)機(jī)組及其零部件進(jìn)行周期性的檢查,比如風(fēng)機(jī)聯(lián)接件之間的螺栓力矩檢查(包括電氣連接),各傳動(dòng)部件之間的潤(rùn)滑和各項(xiàng)功能測(cè)試等。其優(yōu)點(diǎn)為:停機(jī)幾率較小,維護(hù)可有計(jì)劃地執(zhí)行,且配件的補(bǔ)給比較方便。采用定期維護(hù)方案,若設(shè)備已處于疲勞和磨損狀態(tài),但需到周期時(shí)才能進(jìn)行更換。也存在使用壽命還未用盡,或經(jīng)過(guò)維修后還可繼續(xù)使用的設(shè)備,卻被更換的現(xiàn)象,造成不必要的浪費(fèi)。此外,載重機(jī)和維修人員費(fèi)用占的比例較大。路程較遠(yuǎn),配件、部件及工作人員的輸送費(fèi)用也非常高,頻繁地往返風(fēng)電場(chǎng)需要巨額資金。此外,受天氣影響較大,定期維護(hù)不適用于海上風(fēng)電。
當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生重大故障導(dǎo)致停機(jī)或一些小型的機(jī)械或電氣元件有故障(比如電流短路或者開(kāi)關(guān)跳閘等)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)停機(jī)時(shí),需要配備專(zhuān)門(mén)船只、船員和技術(shù)人員赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行停機(jī)檢修。如果是齒輪箱等大部件發(fā)生故障,還需要?jiǎng)佑么笮透〉踹M(jìn)行更換,單次吊裝費(fèi)用高達(dá)200多萬(wàn)元,且造成長(zhǎng)時(shí)間停機(jī),發(fā)電量損失很大。停機(jī)檢修缺點(diǎn)為:發(fā)生大故障的風(fēng)險(xiǎn)較大,停機(jī)檢修所需時(shí)間長(zhǎng);不能按計(jì)劃進(jìn)行維修;配件供給比較復(fù)雜,需要很長(zhǎng)的供應(yīng)時(shí)間。此外,受天氣影響,運(yùn)行人員對(duì)風(fēng)電機(jī)組及時(shí)維修的可能性較低,停機(jī)加長(zhǎng),發(fā)電損失巨大。因而,對(duì)于近海風(fēng)電場(chǎng)而言,停機(jī)維修方案是不可行的。
狀態(tài)監(jiān)測(cè)是對(duì)風(fēng)電機(jī)組主要設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)各種設(shè)備反饋的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析,若發(fā)現(xiàn)故障信號(hào),則及時(shí)處理。因此,保障設(shè)備在限定的疲勞和磨損范圍內(nèi)工作,一旦達(dá)到極限就會(huì)被更換。狀態(tài)檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)為:部件能最大限度的被利用,停機(jī)概率較低,檢修方案可計(jì)劃執(zhí)行,部件供給比較方便。此外,狀態(tài)監(jiān)測(cè)可發(fā)現(xiàn)極端外部條件下,如因結(jié)冰或者海浪導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)塔筒振動(dòng)等,從而可觸發(fā)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生控制保護(hù),避免產(chǎn)生重大損壞。缺點(diǎn)為對(duì)部件的剩余使用壽命要有可靠的信息;對(duì)狀態(tài)檢修的軟硬件要求較高。目前的狀態(tài)監(jiān)測(cè)已經(jīng)從過(guò)去的糾錯(cuò)性維護(hù)向預(yù)測(cè)性維護(hù)方向發(fā)展。
圖1為3種維護(hù)方案的對(duì)比圖[11],橫坐標(biāo)為維護(hù)時(shí)間,縱坐標(biāo)為風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)。從圖1可看出,定期維護(hù)使風(fēng)電機(jī)組的設(shè)備狀態(tài)一直保持良好狀態(tài)。狀態(tài)檢修則利用信號(hào)處理技術(shù),只有當(dāng)零部件將要出現(xiàn)故障時(shí)才進(jìn)行維修,因而周期比定期維護(hù)的長(zhǎng),但可充分利用設(shè)備資源,浪費(fèi)較小。停機(jī)檢修則當(dāng)系統(tǒng)處于故障后才進(jìn)行檢修,危險(xiǎn)性較大。綜上所述,海上風(fēng)電機(jī)組采用在線(xiàn)維護(hù)比較可行。
圖1 三種維護(hù)方案對(duì)比Fig.1 The comparison of three maintenance schemes
歐洲海上風(fēng)電項(xiàng)目開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)90年代,1991年,世界上第一個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)建于丹麥波羅的海的洛蘭島西北沿海的Vindeby附近,裝機(jī)容量為5 MW,隨后,荷蘭、丹麥和瑞典陸續(xù)建成了一批海上風(fēng)電示范工程項(xiàng)目[12],這些項(xiàng)目的建設(shè)和運(yùn)行為海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)、運(yùn)行和維護(hù)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),有專(zhuān)門(mén)的海上運(yùn)行維護(hù)船的建造企業(yè),建立了多種海上風(fēng)電運(yùn)維管理模型,有專(zhuān)門(mén)的咨詢(xún)公司給予指導(dǎo)。通過(guò)優(yōu)化運(yùn)維模式、加強(qiáng)運(yùn)維管理水平,對(duì)提高海上風(fēng)電機(jī)組的可利用率有很大的潛力,這也是為什么歐洲海上風(fēng)電場(chǎng)一直十分重視運(yùn)維管理研究的主要原因。
我國(guó)海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)還處于起步階段,2007年11月8日,中海油在距離陸地約70 km的渤海灣建成我國(guó)第一個(gè)海上風(fēng)電站——中海油綏中36-1風(fēng)電站,隨后上海東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)、江蘇如東30 MW海上試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)、江蘇如東150 MW潮間帶風(fēng)電場(chǎng)一期示范工程陸續(xù)建成并投入運(yùn)行。目前我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)管理經(jīng)驗(yàn)缺乏,運(yùn)維困難,運(yùn)維費(fèi)用高,已投入商業(yè)運(yùn)行的海上風(fēng)電場(chǎng)主要的運(yùn)維模式有出質(zhì)保后仍由整機(jī)廠家負(fù)責(zé)、由風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維人員負(fù)責(zé)或交由市場(chǎng)上第三方專(zhuān)業(yè)公司負(fù)責(zé)幾種,由整機(jī)廠家負(fù)責(zé)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高且風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行商沒(méi)有自己的維護(hù)技術(shù)人員儲(chǔ)備,容易受制于人;由風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維人員負(fù)責(zé)可以培養(yǎng)鍛煉風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維相關(guān)人員,運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較低,但由于相關(guān)運(yùn)行維護(hù)人員技術(shù)水平較低無(wú)法保證風(fēng)電機(jī)組的可利用率;而由第三方維護(hù)的費(fèi)用介于兩者之間,可以通過(guò)第三方服務(wù)公司經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員來(lái)保證運(yùn)維質(zhì)量和風(fēng)電機(jī)組的可利用率。針對(duì)我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)灘涂和淺水海床多等特點(diǎn),探索科學(xué)、合理、高效、可行的運(yùn)行維護(hù)管理模式,是大規(guī)模開(kāi)發(fā)海上風(fēng)電急需研究的課題。
根據(jù)歐洲運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),海上風(fēng)電機(jī)組中齒輪箱和發(fā)電機(jī)故障率較高。相比陸上機(jī)組,海上機(jī)組的設(shè)計(jì)和制造并不成熟,現(xiàn)有的海上機(jī)組往往是根據(jù)海上風(fēng)況將陸上風(fēng)電機(jī)組的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)負(fù)載成比例放大改造而成的,因而未必是真正適合海洋環(huán)境的機(jī)組,而在海上環(huán)境中必須能忍受在波浪和風(fēng)的雙重載荷中長(zhǎng)期持續(xù)的運(yùn)行、機(jī)組剛啟動(dòng)時(shí)扭矩的快速變化和周?chē)柠}霧腐蝕等對(duì)機(jī)組的影響。這些環(huán)境條件會(huì)導(dǎo)致海上風(fēng)電機(jī)組部件故障率的上升,使得安裝、運(yùn)行和維護(hù)成本相對(duì)陸上機(jī)組要高出許多。因此,提高機(jī)組的可靠性可提高風(fēng)機(jī)的可利用率,降低運(yùn)行維護(hù)成本。
與陸上風(fēng)電相比,海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)的可利用率較低,尤其國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)剛起步,基本使用國(guó)產(chǎn)樣機(jī),機(jī)組運(yùn)行試驗(yàn)周期短,沒(méi)有很好的試驗(yàn)和論證,面對(duì)復(fù)雜惡劣的海上環(huán)境,風(fēng)機(jī)的故障率居高不下。在風(fēng)機(jī)保質(zhì)期內(nèi),整機(jī)廠商往往通過(guò)采取人海戰(zhàn)術(shù)配置龐大維護(hù)人員,及時(shí)處理故障,以維持合同約定的風(fēng)機(jī)可利用率,實(shí)際上代價(jià)是很大的,然而出質(zhì)保后,對(duì)于運(yùn)行商而言,也需要相應(yīng)規(guī)模的運(yùn)維技術(shù)力量投入,才能保持高可用率,否則可利用率會(huì)明顯降低。
海上風(fēng)電場(chǎng)的可及性是在保證在經(jīng)濟(jì)和安全上可接受的天氣狀況下,將維護(hù)人員和配件運(yùn)抵機(jī)組現(xiàn)場(chǎng),安全到達(dá)機(jī)艙對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行檢修或維護(hù)。目前所提出的可用交通工具有很多,包括直升機(jī)、專(zhuān)用船舶、氣墊船、水陸兩棲車(chē)和拖拉機(jī)等,但要結(jié)合海上風(fēng)電場(chǎng)的海況、海上風(fēng)電場(chǎng)離維護(hù)基地的距離、天氣情況以及經(jīng)濟(jì)因素等方面來(lái)綜合考慮。就我國(guó)而言,目前海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)的主戰(zhàn)場(chǎng)在江蘇沿海,而江蘇沿海寬闊的灘涂及淺水海床,既有臺(tái)風(fēng)等惡劣工況,又有大幅淺灘,使運(yùn)維通達(dá)更為困難。當(dāng)齒輪箱、發(fā)電機(jī)或完整機(jī)艙等大部件發(fā)生故障時(shí),還必需一艘起重船以保證大部件的維護(hù)和更換,而且當(dāng)故障發(fā)生時(shí),天氣也要?jiǎng)偤眠m合。但準(zhǔn)備這樣的起重駁船對(duì)于以運(yùn)維為目標(biāo)的工作而言成本來(lái)說(shuō)價(jià)格高昂,所以要綜合考慮使用設(shè)備費(fèi)用和停機(jī)造成的發(fā)電損失以選擇合適的通達(dá)方式,保證總成本最低。
與飛機(jī)檢修和維護(hù)的產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈相比,海上風(fēng)電機(jī)組的供應(yīng)鏈成熟度相差甚遠(yuǎn)[13-14],在風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí),損壞的零部件和相關(guān)材料未必能確保準(zhǔn)時(shí)供貨。目前海上風(fēng)電場(chǎng)的備品備件管理模式主要有:主機(jī)廠家建立備件庫(kù)存模式、發(fā)電企業(yè)自建備件庫(kù)存模式以及第三方集中庫(kù)存聯(lián)儲(chǔ)模式3種。海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)商試圖在靠近風(fēng)電場(chǎng)的岸上庫(kù)存足夠的零部件以備替換之需,也可結(jié)合海上風(fēng)電特點(diǎn),海陸分庫(kù)存放,但考慮到海上的鹽霧、濕度、溫度等的腐蝕影響,備品備件庫(kù)和風(fēng)電場(chǎng)的距離又有一定的要求。同時(shí)有必要借助供貨渠道優(yōu)勢(shì),降低關(guān)鍵零部件的采購(gòu)價(jià)格,如果能使機(jī)組原始設(shè)備制造商們按照定價(jià)合約提供所有的支持方案,將會(huì)使得運(yùn)行維護(hù)成本更合理化。
隨著未來(lái)海上風(fēng)電場(chǎng)離岸距離和海水深度的增加,安裝和運(yùn)行維護(hù)成本都會(huì)上升。若能根據(jù)風(fēng)力機(jī)的尺寸和可靠性,選擇抵達(dá)風(fēng)電場(chǎng)和維護(hù)風(fēng)電場(chǎng)的方法,通過(guò)離岸距離,水深,風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模,風(fēng)/浪等氣候條件等因素建立海上風(fēng)電場(chǎng)成本模型,可對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行維護(hù)提供指導(dǎo)。荷蘭的Delft技術(shù)大學(xué)和ECN Wind Energy已經(jīng)針對(duì)500 MW的荷蘭海上風(fēng)能轉(zhuǎn)換器為案例建立了海上風(fēng)電場(chǎng)成本的建模。GARRAD HASSAN公司開(kāi)發(fā)的運(yùn)行維護(hù)優(yōu)化分析工具02M,可以預(yù)計(jì)海上風(fēng)電場(chǎng)的可利用率,優(yōu)化運(yùn)維策略。針對(duì)我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)建立相應(yīng)的成本模型和運(yùn)行維護(hù)優(yōu)化策略,是有效降低運(yùn)行維護(hù)成本的必要手段和發(fā)展趨勢(shì)。
激光雷達(dá)是目前較為成熟的一種遙感技術(shù),它是通過(guò)發(fā)射脈沖光束,來(lái)測(cè)量氣象、海浪、潮汐、風(fēng)速和風(fēng)向等風(fēng)電產(chǎn)業(yè)需要的數(shù)據(jù),可被用于海上風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能資源的評(píng)估和運(yùn)行維護(hù),特別是在功率曲線(xiàn)驗(yàn)證和尾流監(jiān)測(cè)方面,可對(duì)風(fēng)機(jī)功率表現(xiàn)實(shí)現(xiàn)快速評(píng)估和診斷,從而降低運(yùn)行維護(hù)成本。
目前我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)在大量規(guī)劃和建設(shè),而帶來(lái)的問(wèn)題是高水平運(yùn)行運(yùn)維人員相對(duì)缺乏,若能借助遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)模式,利用采集到的振動(dòng)監(jiān)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)診斷分析風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀況,實(shí)現(xiàn)設(shè)備異常分析及劣化監(jiān)視報(bào)警燈功能,或由公司總部的技術(shù)人員為現(xiàn)場(chǎng)故障提供解決方案,制定各種預(yù)防性維護(hù)策略,可大大減少運(yùn)行維護(hù)的資金和人力投入。
我國(guó)海上風(fēng)電才剛剛起步,缺乏風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)管理經(jīng)驗(yàn),這些都將無(wú)形的增加海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)成本。結(jié)合我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際,通過(guò)優(yōu)化運(yùn)維模式,加強(qiáng)運(yùn)維管理水平,并借鑒國(guó)外成功的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn),一定能更好利用海上風(fēng)能資源,實(shí)現(xiàn)我國(guó)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的崛起。
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