建立風電保險風險等級劃分標準研究﹡

文 | 張世惠，張少為，陳靈銳

建立風電保險風險等級劃分標準研究﹡

文 | 張世惠，張少為，陳靈銳

概述

目前國內(nèi)風電項目中產(chǎn)品設計、制造、工程運輸安裝和運行維護的各個環(huán)節(jié)都出現(xiàn)過各類事故，造成設備損毀和人員傷亡。風電場存在上述問題可能是短時間大規(guī)模風電設備應用技術經(jīng)驗不夠成熟等原因?qū)е?。隨著國內(nèi)風電機組逐步出質(zhì)保期，大部件如齒輪箱、發(fā)電機、葉片等出險以及機器整體損毀的幾率將逐年提高。一些風電業(yè)主或制造商購買了運輸和安裝險以及財產(chǎn)一切險、機損險、產(chǎn)品質(zhì)量險等保險，上述問題對于保險公司來講可能會增加賠率，勢必保費提高，甚至不再承保，對于整個行業(yè)發(fā)展十分不利，因此風電風險的識別及其標準的建立十分必要。

中國人保財險有限公司與美國安全檢測實驗室公司(UL)與UL旗下100%所有權的德國風能研究院(UL－DEWI)就建立完成人保財險風電風險評估標準框架進行合作研究，旨在為風電行業(yè)風險評估提供有效工具，做到風電風險評估的統(tǒng)一和有據(jù)可循。本項目深入研究風電行業(yè)保險險種、國內(nèi)外風險評估標準、案例等方面內(nèi)容，旨在建立風電保險風險評估標準。參照執(zhí)行該風險評估標準，可促進保險公司在接入電網(wǎng)運行的風電設備包括風電場，分布式設備和獨立離網(wǎng)運行設備相關保險業(yè)務的開展。

本項目將充分利用UL和UL－DEWI國際品牌及所有的技術、標準規(guī)范和保險行業(yè)評估業(yè)績經(jīng)驗并吸收借鑒國際上先進技術、經(jīng)驗和通行標準規(guī)范，結合中國國內(nèi)風電及人保風險劃分、分析、評估方面的案例、經(jīng)驗和標準規(guī)范，在風險等級評價標準起草編制等方面進行咨詢。

風電風險分析

一、風電風險構成及特點

（一）風電風險構成

風電風險存在于政策、財務、自然災害、技術設計及產(chǎn)品制造質(zhì)量、工程建設、運營和維護以及人身安全等風電項目全過程。自然災害、技術設計及產(chǎn)品制造質(zhì)量、工程建設、運營和維護、以及人身安全等是風電風險的重要組成部分。從風險出險結果考慮，風電風險導致的事故通常是風電設備事故(如部件葉片、齒輪箱、發(fā)電機；結構性以及運輸、環(huán)境)和安全性事故(火災、人身傷亡)。近幾年國外風電事故發(fā)生次數(shù)統(tǒng)計見圖1。

（二）風電風險特點

（1）環(huán)境工況惡劣

風電設備多數(shù)處于“三北”地區(qū)及高原和山區(qū)，環(huán)境工況惡劣，如冬季低溫、雷電、運輸?shù)缆凡睢⑸硥m暴、結冰、地震、山體滑波、暴雨

圖1 各類事故統(tǒng)計分布圖

注：截至2014年3月底的統(tǒng)計，共計1549次事故，資料來源：www.caithnesswindfarms.co.uk (雪)。設備運輸(如葉片超長)、安裝和運行存在多重風險隱患，如果設計制造、運行維護方面風險控制措施不到位，設備損毀風險加大。風電常需進行高空作業(yè)，且地處偏遠，風電機組分布分散，場內(nèi)道路通行困難，給人員安全和設備及時維護帶來風險。

（2）風能資源不確定性

風能資源是隨著年度交替變化的，不同年份發(fā)電量不同，國外已經(jīng)有保險公司承保這種險種。風電場需要更加高精度的風能預測體系，包括年度超長期的預測，以確保風險在可控范圍內(nèi)。

在風電場建設之前，風能資源測試位置選擇錯誤、地形影響、計算模型錯誤、儀器誤差等因素，都會導致可行性研究結論風能資源分析錯誤，以至機組選型和財務結論錯誤，最終導致風電財務經(jīng)營風險加大。

（3）產(chǎn)品技術質(zhì)量缺陷

風電主設備即風電機組生產(chǎn)商到2012年發(fā)展到近百家，除風電機組供貨商外，隨之而起的是大量的風電關鍵部件供應商，如葉片、齒輪箱、發(fā)電機、變流器等。風電多數(shù)供貨商及業(yè)主是2006年以后開始搞風電業(yè)務的，技術來源較為復雜，有些技術路線風險很大。風電行業(yè)前幾年超高速的發(fā)展也帶來了產(chǎn)品質(zhì)量風險，各類質(zhì)量事故經(jīng)常發(fā)生(包括運輸、安裝、調(diào)試、運行、維護)。

（4）人為原因

風電場曾多次發(fā)生由于廠家服務人員及業(yè)主現(xiàn)場人員操作不當引起的人員和設備重大事故。因此人員培訓尚有差距，需要提高人員正確處理故障能力及個人安全防護的能力。人為的維護不及時以及備件供應不到位，也是發(fā)生事故的原因之一。

二、風電風險類別及分析

風電企業(yè)風險可能涉及風電政策(包括電價、接入電網(wǎng)及土地等)、技術風險(包括設備設計、制造、試驗認證等) 、自然災害、以及建設和運營風險等。本文將著重在設計、試驗認證、運輸安裝和運行維護方面進行論述。

（一）設計類風險

圖2 到2012底的美國風電缺陷統(tǒng)計圖

風電機組及風電場設計是風電項目風險控制的第一關，從圖2可以看出設計缺陷在各類缺陷中所占比例較高。

風電場設計包括初步設計(包括在可研中，含微觀選址設計、電廠變電系統(tǒng)設計、工程管理設計等)，施工圖設計等。風電機組是最關鍵的設備之一，機組整體設計是風電機組安全和可靠運行的核心技術。風電機組設計包括概念設計、初步設計、詳細設計、工藝設計(組裝、調(diào)試、試驗)等。從結構劃分，風電機組設計包括空氣動力學設計、機械結構動力學設計和電氣設計。

設計風險屬于技術風險，它涉及設計來源、設計方法，包括設計師風險。有些設計缺陷導致的風險是災難性或危險性的，如設備重大損失和人員傷亡事故，設備部件或整機出現(xiàn)批次性故障導致設備損壞長時間停運或部件提前報廢。

我國風電行業(yè)設計技術的來源主要分為三種，第一種采用國外許可證技術轉(zhuǎn)讓，其設計源于國外，第二種采用國外設計公司的設計，包括所謂聯(lián)合設計，第三種是獨立自主設計。這三種設計風險等級不同。每一種的設計來源方的技術水平、經(jīng)驗有所不同，設計帶來的風險就不同。

設計缺陷(設計師)風險：導致災難性或高危險性的設計缺陷主要出現(xiàn)在安全設計方面。設計師由于沒有獲得良好培訓，對標準沒有準確理解或缺乏經(jīng)驗，導致計算錯誤、方法錯誤。這主要涉及極端載荷和疲勞載荷計算等設計參數(shù)。在所有工況下安全策略方面，設計中出現(xiàn)紕漏也是重要的設計風險來源。與重大質(zhì)量控制有關的設計，如工藝設計、材料設計等，也是導致危險性設計缺陷的原因。

（二）認證與試驗

第三方的試驗、測試和認證是設備制造方、項目業(yè)主方控制設計風險、制造、安裝及運行風險有效的手段之一。通過試驗認證，檢驗設計制造和安裝運行是否與標準、規(guī)范和合同的一致性(合規(guī)性、符合性)。在試驗認證中發(fā)現(xiàn)缺陷或錯誤，及時提出不符合和改進意見并持續(xù)整改，引入風險劃分和評價體系，確保質(zhì)量控制體系的有效性和持續(xù)性，有效消除隱患，預防安全質(zhì)量責任事故發(fā)生。

（三）運輸與安裝

風電設備在運輸、安裝(包括臨時堆放和組裝過程)中，存在設備嚴重損壞(包括設備丟失)和人員傷亡等安全生產(chǎn)事故風險，將給開發(fā)商、制造商等帶來較大的人員和財產(chǎn)損失。

風電設備運輸風險隨著設備單機容量的增加而增大，風電設備外尺寸已經(jīng)超出了公路運輸?shù)南拗?，主要是風電葉片長度超長。盡管生產(chǎn)廠家在風能資源豐富的地區(qū)附近設立了生產(chǎn)工廠，由于風電項目一般都在較為偏遠的地區(qū)，如山脊、戈壁灘、草原、海灘和海島等，為風電項目修筑的臨時道路很難達到要求，因此大大增加了風電設備運輸?shù)娘L險，設備的運輸方案就顯得十分重要。

在選擇風電設備運輸方案時，需要綜合各種因素的影響，要結合風電場所在地獨特的地理環(huán)境及多變的自然天氣，考慮實地操作的技術難度，進行多運輸方案的全面分析比較。為了保證運輸安全，承運單位必須采取一定的措施，除了盡可能利用已有的運輸條件以及固定措施和特殊裝具等防護措施外，還有可能涉及要求業(yè)主方修建新的道路等問題。因此，風電設備運輸風險與運輸承接單位的經(jīng)驗、運輸距離、運輸設備的外形尺寸、道路情況、安全防護措施等因素有關。

在風電設備安裝過程中，主要涉及的風險是高空作業(yè)、大型吊車安全風險，主要出現(xiàn)的災難性事故包括人員墜落身亡、觸電、吊車倒塌致人員傷亡等。臨時堆放和組裝過程曾發(fā)生多起事故，包括塔筒倒塌、滾落、風輪滾落損壞(未使用專用固定裝置)、設備人為破壞和丟失等。

風電場建設施工安裝中安全質(zhì)量風險也是風電保險相關的內(nèi)容。施工方的安全質(zhì)量管理、安全技術措施是否到位，質(zhì)量監(jiān)控是否按照標準、規(guī)范和合同執(zhí)行、工程驗收是否符合要求，都影響工程質(zhì)量和今后風電場運行的安全和穩(wěn)定。風電工程的安全評估及其標準是風電風險評估的重要部分。

（四）運營和維護

風電項目大部分風險出現(xiàn)在運行和維護階段。風電場運行是長期的，按照設計壽命運行生命周期是20年。風電場運維風險包括人員重大傷亡事故以及火災、風電機組整機倒塌等重大設備損壞事故。上述事故屬于災難性的風險，除此之外，設備一般損壞事故包括一般批次性質(zhì)量事故，如齒輪箱、葉片等主要部件多臺損壞，屬于危險性或嚴重性的風險。這些是去除了設計、試驗認證及生產(chǎn)制造階段風險之外，屬于運行維護不到位產(chǎn)生的風險，如圖2所示。

風電場運行維護風險主要是安全管理體系建設不完善或執(zhí)行力不夠；沒有按照要求進行巡視檢查和及時處理缺陷；未按照安全技術措施要求配備安全裝備設施以及對設備進行技術(健康狀態(tài))分析采取技術措施；沒有按照規(guī)定進行安全技術培訓，包括定期和崗前安全技術培訓(包括應急預案、演練等)；沒有按照規(guī)程規(guī)定進行技術監(jiān)督，進行試驗、送檢、及時更換(或加注)消耗品等。

風電場運行維護中葉片、機械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)的維護檢查如果不能按照規(guī)定完成或存在缺陷未及時處理的話，出現(xiàn)風險的幾率就會增加。

葉片出現(xiàn)的早期損傷，由于處于高空，不容易被發(fā)現(xiàn)。風險有可能涉及設計、制造及工藝、運輸安裝以及運行和維護。如果技術監(jiān)督及時發(fā)現(xiàn)隱患并改正或改造，風險就會降低，雷擊就是葉片損壞的重要原因之一。

對于齒輪箱風險，最重要的問題是及時、及早發(fā)現(xiàn)問題，如微觀裂紋、微點蝕等，這些容易導致嚴重磨損或斷齒，以及軸承損壞。這些故障最有可能的原因是潤滑油失效(是否定期化驗或按期更換)或長期缺少，還有軸對中及振動問題，包括高速軸制動或發(fā)電機電磁力矩反向傳動到高速軸而產(chǎn)生的損壞。

火災風險：近幾年風電火災風險呈上升趨勢，主要風險是電氣火災和機械剎車長時間制動導致高熱和機艙大幅擺動潤滑油濺出起火，還有人為動火操作違章所致。火災是災難性的，常導致重大人員、財產(chǎn)損失。

產(chǎn)能風險：風電場風能資源隨不同年份呈周期性變化。理論上，每年的變化是可以預測的。此外，由于葉片污染或磨損，氣動性能會有所下降；隨著地形或植物、建筑物的改變，風電場氣流改變或切變改變，也會影響偏航正確性，從而影響發(fā)電量。風電場運維質(zhì)量優(yōu)劣直接影響風電場發(fā)電量，包括管理、設備健康狀況、備件和檢修質(zhì)量等。

風電風險識別劃分標準及方法

風電風險識別評估劃分標準，應廣泛依據(jù)行業(yè)公布的標準、法規(guī)、規(guī)范所確定的通用風險識別方法，將這些標準、規(guī)范與風電設備的風險評價結合起來，需要將風電場建設運營過程可能出現(xiàn)的風險進行界定、歸類、分析統(tǒng)計，并由不同的關聯(lián)方討論達成共識后，上升成為行業(yè)標準，供行業(yè)應用。采用國際標準《系統(tǒng)可靠性分析技術——失效模式與影響分析》（IEC60812 Analysis techniques for system reliability -Procedure for failure mode and effects analysis (FMEA)）中風險值(RPN) 概念，對風電設備風險等級進行判定。風險值 (RPN) 包含了風險嚴重程度(S)、風險出現(xiàn)概率(P) 、風險降低措施(D) 三個方面的評價指標。

根據(jù)《機器安全－風險評估》（ISO/ TR14121-1-2007 Safety of machinery-Risk assessment-Part 1∶ Principles; ISO/TR14121-2-2007 Safety of machinery-Risk assessment -Part 2∶ Practical guidance and examples of methods）、故障樹型分析法 (FTA)（IEC 61025-2006 Faulty Tree Analysis）等國際標準，從系統(tǒng)的失效現(xiàn)象出發(fā)，分析系統(tǒng)的動作原理、運行條件、運行環(huán)境等因素，查找失效原因及造成系統(tǒng)失效的可能部位。在進行故障樹分析系統(tǒng)失效現(xiàn)象時，將系統(tǒng)失效不斷向下展開，直到無法繼續(xù)展開為止，從而找到失效的底層要件，以及不同層面事件的邏輯關系。分析失效后對系統(tǒng)造成的影響程度，以及系統(tǒng)內(nèi)的檢測裝置、隔離裝置、保護裝置是否足夠，從而決定是否需要進行系統(tǒng)的安全改造。

根據(jù)圖3，葉片損壞率是最高的，且危險性較高甚至是災難性的，可能導致機組完全損壞而報廢。齒輪箱等機械傳動部件也有較高風險出險概率，包括批次性損壞風險。電氣等部件其危險性相對低，但出險風險頻次相對較高。

針對風電風險的識別劃分標準，我們需要考慮如何進行故障風險級別設定和判定標準，以及哪些措施可以抑制風險的發(fā)生。風險值 (RPN) 的表征考慮了諸多因素，重要的兩方面是本身風險嚴重程度和防范措施的實施有效性。我們需要根據(jù)不同部件或總成的風險類別、事故概率和嚴重性，對應不同的安全技術措施是否在設計、制造、運輸、安裝和運維各個過程中采用和實施，進行風險判定。有必要將上述方面的評判內(nèi)容編制成核查表，從而給不同相關方使用、辨識和共識。

事故統(tǒng)計報告：為了風電行業(yè)持久健康發(fā)展，目前國內(nèi)行業(yè)協(xié)會在政府支持下定期(每年)發(fā)布《全國風電設備運行質(zhì)量狀況調(diào)查報告》等風電設備質(zhì)量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和事故調(diào)查報告，以及發(fā)電數(shù)據(jù)和限電情況。這些報告是分析風電故障頻次、機組質(zhì)量重要和權威的數(shù)據(jù)。對于不同機型、部件等，分析報告可以給出不同風險出現(xiàn)概率的分析結果。

根據(jù)不同年份的調(diào)查結論，不同部件或故障缺陷的出險風險概率有可能是不同的，那么根據(jù)風險概率的結論，以及不同現(xiàn)場采取的措施及其有效性，就可以定義出該風電場某個風險等級。風險等級的高低還與歷史數(shù)據(jù)、安全記錄有關，包括管理體系的運作有效性。通過全國風電指標的發(fā)布，采取對標分析的方法，也是評判風電場風險水平等級的一種方法。

風電風險管控措施

圖3 截至2012底美國風電結構故障統(tǒng)計圖

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表1 德國2011年風電索賠情況一覽表

隨著風電行業(yè)的高速發(fā)展，近幾年在機組可靠性、風電場安全生產(chǎn)方面，出現(xiàn)了上述各類問題和風險。這些問題和風險可以通過人為干預以及技術防范措施得到有效控制，包括政府的政策法規(guī)、技術標準的修訂和完善，以及各風電企業(yè)的有效執(zhí)行。

一、安全風險管理系統(tǒng)

風電項目的風險管理應貫穿于風電場整個壽命周期，包括規(guī)劃設計階段、工程實施階段、運行維護階段等。風電場應建立安全評價體系，包括安全管理體系、安全培訓、安全技術措施等。定期對風電場出現(xiàn)的典型事故案例進行分析，查找原因，提出防范風險的措施并落實。

風電場應建立設備健康狀態(tài)管理系統(tǒng)，通過采用狀態(tài)監(jiān)控手段，對設備的健康狀態(tài)進行評價，并定期召開技術分析會，對設備出現(xiàn)缺陷進行剖析、提出消除方案。在風電場以設備狀態(tài)為設備風險管理的基礎上，建立設備可靠性管理系統(tǒng)，對風電場設備可靠性數(shù)據(jù)及時記錄和分析。

二、安全風險技術系統(tǒng)措施

（一）風電機組安全控制措施

風電機組的安全風險控制中，設備安全風險控制和人員安全風險控制是最重要的兩個環(huán)節(jié)。風電機組設備安全風險控制功能需要在機組設計中確定，如風電機組安全控制功能。根據(jù)國際或國內(nèi)有關標準規(guī)定，風電機組在外界出現(xiàn)超出風電機組設定極限工況情況下以及機組本身出現(xiàn)運行故障時，機組應有2套獨立制動系統(tǒng)使機組安全可靠停止運行。在機組生存極限條件內(nèi)，機組應保證不會損壞。

風電機組的安全控制功能應根據(jù)ISO/ IEC以及GL等國際通行標準，審查機組設計是否滿足標準中有關內(nèi)容的要求。有關安全控制功能方面的風險評估，可參考國際標準ISO 13849（ISO 13849-1∶ 2006 Safety of machinery-Safety-related parts of control systems-Part 1∶ General principles for design）以及IEC 61508（IEC61508-2010 ed2.0 Functional Safety of electrical/ electronic/programmable electronic safetyrelated systems）等有關風險評估規(guī)定。安全功能控制系統(tǒng)風險評估中，應考察機組安全鏈設計是否達到所需安全性能水平，安全監(jiān)測控制系統(tǒng)水平以及執(zhí)行機構如變槳系統(tǒng)是否符合安全控制性能的要求，包括變槳備用電源的監(jiān)視檢測。

表2 風險值設定表示例

表3 核查表示例

根據(jù)風電機組結構和設計，可以依據(jù)ISO13849劃分風電機組安全控制功能的風險等級。不同的規(guī)范可能存在風險等級設計方法的不同。

（二）事故原因分析和診斷平臺建立

風電機組出現(xiàn)故障失效或是否存在潛在失效缺陷，需要分析和診斷才能判定故障及故障產(chǎn)生的原因，通常采用在線診斷設備和離線設備兩種方法。風電機組事故發(fā)生后，查找原因和采取改進措施是降低風電場風險的必要手段。判定故障通常有如下幾種方法：

機械和電氣系統(tǒng)在線狀態(tài)分析系統(tǒng)：目前市場上有一些狀態(tài)監(jiān)視和報警系統(tǒng)在風電機組上應用，主要是振動狀態(tài)監(jiān)測。國家標準已要求2MW以上單機容量風電機組應安裝該系統(tǒng)，國外有的保險商將狀態(tài)監(jiān)測作為承保的必選項。

專業(yè)實驗室：有些故障需要在事故發(fā)生后現(xiàn)場查勘或取樣，送回實驗室做試驗，如材料理化試驗。通過試驗可以判定損壞的性質(zhì)如極限強度或疲勞強度破壞。通過實驗室試驗，可以判定事故的原因，如產(chǎn)品工藝問題或材質(zhì)問題等。

專家診斷平臺：有些故障的判定需要有一定技術水平和經(jīng)驗的專家，方能準確給出事故的原因。根據(jù)專家的技術經(jīng)驗，建立專家診斷平臺，是有效判定風險和有效實施改進措施的途徑之一。

（三）統(tǒng)一風電風險評價標準建立

除上述ISO/IEC等通用機器安全控制標準外，風電標準如IEC61400系列以及國家標準都在不同程度上涉及安全風險評估方面，如整機或部件，安全及其安全功能方面的評價標準要求。國際上一些國家標準或行業(yè)區(qū)域、企業(yè)也有一些標準涉及到人員安全、運維要求、防火規(guī)程等安全風險內(nèi)容。

由于上述標準涉及風險內(nèi)容分散在不同標準中，存在相互的一致性和完整性問題，有些內(nèi)容也沒有得到關注，因此需要編制行業(yè)系列風電風險等級評判標準。該標準將有利于中國保險及風電行業(yè)標準水平的提升，有利于引入和指導第三方風險評估機構參與風險的評價。

結論

在中國人保財險公司災害研究基金的支持下，UL/DEWI正在進行風電風險保險劃分標準的深入研究，并已取得了階段性的成果。本文依據(jù)國內(nèi)、外風能方面保險風險有關標準、本課題研究的部分成果、已有的經(jīng)驗和技術、以及國內(nèi)、外的風險案例，對風電風險識別、劃分的方法和標準進行了論述，這些風險涵蓋了設計、技術來源、制造、運輸、安裝、自然災害、運行、維護等風電所涉及的諸多方面。

（作者單位：張世惠、張少為：美國UL公司；陳靈銳：PICC中國人民財產(chǎn)保險股份有限公司）

﹡本文受中國人民財產(chǎn)保險股份有限公司災害研究基金項目資助。