鄭彥春 時(shí)旭航
摘要: 風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源,對(duì)于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)以及低碳能源體系轉(zhuǎn)型至關(guān)重要。分析和研究了漂浮式海上風(fēng)電發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)和潛在的技術(shù),特別是重點(diǎn)探討了信息與通信技術(shù)(Information andCommunication Technology, ICT)和機(jī)器人技術(shù)在漂浮式海上風(fēng)電運(yùn)維中的潛在應(yīng)用,進(jìn)而設(shè)計(jì)了漂浮式海上風(fēng)電運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu),旨在降低運(yùn)維成本和提高運(yùn)營(yíng)安全性。所提出的解決方案涵蓋了浮式平臺(tái)設(shè)計(jì)、數(shù)字孿生形式的遠(yuǎn)程操作、自主水下機(jī)器人等多個(gè)方面。
關(guān)鍵詞: 漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng) 自主系統(tǒng) 數(shù)字孿生 工業(yè)4.0 運(yùn)行與維護(hù)
中圖分類(lèi)號(hào): TP311.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1672-3791(2023)24-0066-04
為了實(shí)現(xiàn)《巴黎協(xié)定》宣布的到2050 年二氧化碳凈零排放目標(biāo),中國(guó)提出了2030 年前“碳達(dá)峰”及2060年前“碳中和”的目標(biāo)。風(fēng)能作為清潔能源,已成為當(dāng)前最有前景的可持續(xù)能源解決方案之一,對(duì)于加快構(gòu)建我國(guó)新型能源體系起到了關(guān)鍵作用。截止到2022年底,我國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到36 544 萬(wàn)kW,其中海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)3 046 萬(wàn)kW,同比增長(zhǎng)15.4%,呈持續(xù)增長(zhǎng)狀態(tài)。現(xiàn)今,我國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)規(guī)模已躍居世界第一[1]。與此同時(shí),世界各國(guó)也相繼制定了不同的海上風(fēng)電目標(biāo):美國(guó)制定了到2030 年部署3 000 萬(wàn)kW 海上風(fēng)電的目標(biāo);德國(guó)、丹麥、比利時(shí)和荷蘭制定了一個(gè)聯(lián)合目標(biāo),即到2050 年四國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到15 000 萬(wàn)kW;挪威政府設(shè)定了到2040 年達(dá)到3 000 萬(wàn)kW 的新海上風(fēng)電目標(biāo)。所有這些計(jì)劃都表明,海上風(fēng)電作為新能源發(fā)電的重要組成部分,處在快速上升發(fā)展期,是未來(lái)高增長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)之一。海上風(fēng)電的規(guī)?;ㄔO(shè)和并網(wǎng)發(fā)電,將對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)提出更多的要求和挑戰(zhàn)。
隨著近海風(fēng)力資源開(kāi)發(fā)的日趨飽和,深遠(yuǎn)海風(fēng)電將成為海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)下一階段開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。一般而言,離海岸的距離與水深成正比,水深的增加將導(dǎo)致固定式海上風(fēng)電基礎(chǔ)的成本更高,投資將更大[2]。因此,漂浮式海上風(fēng)電被視為深遠(yuǎn)海風(fēng)電的解決方案,即每個(gè)風(fēng)電機(jī)組都安裝在浮動(dòng)結(jié)構(gòu)上,并連接到系泊系統(tǒng),通過(guò)錨固裝置與海床連接以起到固定作用。雖然漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)能夠在固定式風(fēng)電機(jī)組不適用的水深中發(fā)電,但其運(yùn)行和維護(hù)是比較難以解決的問(wèn)題。
與陸上風(fēng)電相比,漂浮式海上風(fēng)電的安裝和運(yùn)維成本相對(duì)較高,主要包括用于安裝的服務(wù)車(chē)輛、用于檢查的潛水員、遠(yuǎn)程操作車(chē)輛(ROV)以及用于配電的附加設(shè)備等。為了提升運(yùn)維的質(zhì)量和安全性,同時(shí)降低運(yùn)維成本,漂浮式海上風(fēng)電有必要采用與海上風(fēng)電行業(yè)發(fā)展相關(guān)的先進(jìn)技術(shù)[3]。基于此,本文分析了開(kāi)發(fā)漂浮式海上風(fēng)電面臨的挑戰(zhàn)以及潛在的運(yùn)維技術(shù)。特別是探討了信息與通信技術(shù)(Information and CommunicationsTechnology,ICT)和機(jī)器人技術(shù)在漂浮式海上風(fēng)電運(yùn)維中的潛在應(yīng)用。
1 漂浮式海上風(fēng)電運(yùn)維面臨的挑戰(zhàn)
漂浮式海上風(fēng)電的運(yùn)營(yíng)與維護(hù)是一個(gè)重要的成本驅(qū)動(dòng)因素,占海上風(fēng)電設(shè)施總生命周期成本的很大一部分。造成其運(yùn)行維護(hù)成本高、難度大的原因主要有:(1)海上較難預(yù)測(cè)的天氣條件和惡劣的環(huán)境條件對(duì)維護(hù)和維修構(gòu)成了重大挑戰(zhàn),同時(shí)漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)離海岸進(jìn)一步增加了維護(hù)和維修的難度和成本;(2)漂浮式風(fēng)電機(jī)組、系泊系統(tǒng)及其他組件的維護(hù)需要專(zhuān)業(yè)設(shè)備和技術(shù)才能有效地進(jìn)行[4]。運(yùn)維面臨的挑戰(zhàn)如圖1 所示。
2 漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維賦能技術(shù)
鑒于上述挑戰(zhàn),亟須開(kāi)發(fā)新的策略和技術(shù)以降低漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行和維護(hù)成本,這包括探索提高風(fēng)電機(jī)組和其他部件可靠性和耐久性的新技術(shù),制定更高效、更具成本效益的維護(hù)和維修策略。本文分析和研究了可應(yīng)用于漂浮式海上風(fēng)電的具有高潛力的賦能技術(shù)[5]。如圖2 所示,使用自動(dòng)飛行器和水下機(jī)器人等賦能技術(shù),將有助于推動(dòng)漂浮式風(fēng)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)自主操作和自動(dòng)維護(hù),這也代表了未來(lái)海上風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)方向。
2.1 漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)
隨著海上風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展,漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)也在不斷發(fā)展,尤其是在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)方面。圖2左側(cè)所示的單樁式類(lèi)型是經(jīng)驗(yàn)證的漂浮式海上風(fēng)電基礎(chǔ)的一個(gè)技術(shù)路線(xiàn),其是一種壓載穩(wěn)定的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu),具有良好的水動(dòng)力性能和高穩(wěn)定性[6]。
圖2 中部所示的駁船類(lèi)型是從半潛式模型擴(kuò)展而來(lái)的浮動(dòng)概念。它利用水平面區(qū)域和連接到海床的懸鏈線(xiàn)系泊系統(tǒng),通過(guò)分布式浮力進(jìn)行穩(wěn)定。駁船平臺(tái)的設(shè)計(jì)能吸收波浪荷載并減少浮子運(yùn)動(dòng),其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可以減少總重量和施工、維護(hù)成本。
2.2 遠(yuǎn)程操作
漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程運(yùn)維迫在眉睫,其既關(guān)系到運(yùn)維成本的降低,也關(guān)系到維護(hù)期間的運(yùn)行安全。海上風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)程運(yùn)維主要是指通過(guò)接收并分析來(lái)自傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),構(gòu)建與物理設(shè)備進(jìn)行交換信息的數(shù)字模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行有計(jì)劃的預(yù)防性維護(hù)和疲勞診斷的運(yùn)維技術(shù)。下面探討可應(yīng)用于遠(yuǎn)程控制和操作海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的幾種賦能技術(shù)。
2.2.1 數(shù)字孿生
數(shù)字孿生是物理資產(chǎn)或系統(tǒng)的數(shù)字副本,其功能是反映其相應(yīng)孿生系統(tǒng)的鏡像。數(shù)字孿生反映物理資產(chǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),以預(yù)測(cè)資產(chǎn)或系統(tǒng)的未來(lái)行為。數(shù)字資產(chǎn)與實(shí)物資產(chǎn)的雙向通信為風(fēng)電場(chǎng)管理提供了可靠的解決方案。它可用于跟蹤設(shè)備從建模到處置的全生命周期,以估計(jì)風(fēng)電機(jī)組的剩余使用壽命[7]。
數(shù)字孿生技術(shù)已在其他行業(yè)中廣泛應(yīng)用,特別是在制造業(yè)中。在漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)中,數(shù)字孿生技術(shù)可用于遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控風(fēng)電機(jī)組,以進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)及檢查間隔優(yōu)化。圖3 顯示了數(shù)字風(fēng)電機(jī)組(右側(cè))的設(shè)計(jì)如何盡可能類(lèi)似于實(shí)際的風(fēng)電機(jī)組(左側(cè)),它代表海上風(fēng)電場(chǎng)的物理資產(chǎn),可用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和決策改進(jìn)。
2.2.2 傳感器系統(tǒng)
數(shù)字孿生的實(shí)施依賴(lài)于傳感器系統(tǒng)。近年來(lái),傳感器系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)量顯著增加。而風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行和性能由用于特定用途的各種傳感器進(jìn)行監(jiān)控。例如:渦流傳感器用于觀察軸的潤(rùn)滑間隙;位移傳感器用于監(jiān)測(cè)風(fēng)塔和風(fēng)艙的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;基于激光雷達(dá)的風(fēng)速傳感器用于風(fēng)速觀測(cè)以預(yù)測(cè)發(fā)電量;加速度計(jì)用于監(jiān)測(cè)風(fēng)塔搖擺、風(fēng)艙旋轉(zhuǎn)和齒輪箱振動(dòng);振動(dòng)信號(hào)和溫度傳感器的歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可用于預(yù)測(cè)潛在齒輪箱故障。
綜上,傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電場(chǎng)的數(shù)字孿生具有重要的作用,基于它,可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、發(fā)電功率預(yù)測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)等功能。因此,為了優(yōu)化生產(chǎn)效率,漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)必須配備能夠現(xiàn)場(chǎng)處理數(shù)據(jù)的智能傳感器,并且從傳感器接收到的數(shù)據(jù)需要自動(dòng)集成到通信系統(tǒng)的數(shù)字框架中,以用于提供決策支持。
2.2.3 物聯(lián)網(wǎng)
工業(yè)4.0 是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng),或者在工業(yè)環(huán)境中使用互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)和協(xié)議實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)互聯(lián)的。在第四次工業(yè)革命中使用的許多技術(shù),例如機(jī)器人,已經(jīng)存在很長(zhǎng)時(shí)間了?,F(xiàn)今,“處處通萬(wàn)物”的可能性使工業(yè)自動(dòng)化達(dá)到了一個(gè)新的水平。這些通信技術(shù)通常被稱(chēng)為物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT),而用于工業(yè)用途的則稱(chēng)為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(Industrial Internet of Things,IIoT)。
工業(yè)4.0 框架內(nèi)的通信系統(tǒng)在促進(jìn)所有資產(chǎn)之間的互連方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用,從而實(shí)現(xiàn)無(wú)須人工干預(yù)的自動(dòng)集成。此外,數(shù)字孿生平臺(tái)中的通信系統(tǒng)必須在所有相關(guān)利益相關(guān)者之間執(zhí)行互操作性,其中特定數(shù)據(jù)可以跨部門(mén)進(jìn)行交換。AAS 語(yǔ)境下的溝通模式有3 種:(1)被動(dòng)型,采用XML 和JSON 等統(tǒng)一文件格式的文件交換模式;(2)被動(dòng)型,采用MQTT 和OPC-UA 等API 的服務(wù)器-客戶(hù)機(jī)通信模式;(3)主動(dòng)型,通過(guò)具有共享語(yǔ)法和語(yǔ)義基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)化接口進(jìn)行對(duì)等交互。根據(jù)工業(yè)4.0 標(biāo)準(zhǔn),主動(dòng)式AAS 對(duì)于集成組件和利益相關(guān)者之間的自主通信至關(guān)重要。基于物聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)和運(yùn)維的互聯(lián)互通,對(duì)于提高風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維效率和降低成本具有重要作用。
2.3 海上機(jī)器人
幾十年來(lái),海上機(jī)器人一直是海上作業(yè)的主力。相較于潛水員,在支援船上配備有訓(xùn)練有素的操作員的海上機(jī)器人可以更便宜、更有效地執(zhí)行更深的水下任務(wù)。對(duì)于漂浮式海上風(fēng)電的運(yùn)行與維護(hù)而言,由于海上機(jī)器人不僅可以降低漂浮式海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行與維護(hù)成本,而且還可以提高生產(chǎn)效率,因此海上機(jī)器人技術(shù)在漂浮式海上風(fēng)電中將具有重要的意義。
2.3.1 水下自主機(jī)器人
目前正在開(kāi)發(fā)用于水下檢查、維護(hù)和維修的水下自主機(jī)器人。水下機(jī)器人由機(jī)械臂組成,可以永久停留在海床上,其完全自主或由操作員遠(yuǎn)程進(jìn)行控制。它的整個(gè)身體包含電池、燈、傳感器和工具模塊,并通過(guò)配備的傳感器對(duì)水下結(jié)構(gòu)物進(jìn)行環(huán)境調(diào)查。水下自主機(jī)器人為海底的維護(hù)提供了可靠的技術(shù)和方法,即可以為海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商提供替換潛水員進(jìn)行水下檢查、維護(hù)和維修的能力,從而以最小化的風(fēng)險(xiǎn)、時(shí)間和費(fèi)用完成運(yùn)維工作。除此之外,還有一種被稱(chēng)為“藍(lán)眼”的水下無(wú)人船,具有燈光、聲吶、攝像頭、定位系統(tǒng)和水下檢查傳感器等功能,也可用于漂浮式海上風(fēng)電的運(yùn)維。
2.3.2 自主水面船舶
自主水面船舶是指在使用方面實(shí)現(xiàn)一定程度自主的船舶,一般會(huì)與水下機(jī)器人協(xié)同執(zhí)行海上風(fēng)電運(yùn)維任務(wù),其是一種更為安全、效益更高的海洋監(jiān)測(cè)運(yùn)維技術(shù)。除了用于記錄海洋學(xué)數(shù)據(jù)、導(dǎo)航珊瑚礁和采集水樣外,該技術(shù)還可用于檢查漂浮式海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)和監(jiān)測(cè)水面系泊纜,執(zhí)行海上風(fēng)電場(chǎng)資產(chǎn)完整性檢查,收集和實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù),提供運(yùn)維分析報(bào)告等。整體而言,該技術(shù)用于進(jìn)一步改進(jìn)運(yùn)維技術(shù)方案和維護(hù)計(jì)劃,不斷提升決策分析能力具有重要作用。
2.4 海上儲(chǔ)能
不斷變化的海上天氣條件導(dǎo)致海上風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量具有大幅波動(dòng)的特點(diǎn),從而造成電網(wǎng)的不穩(wěn)定。采用電池等儲(chǔ)能系統(tǒng)有助于緩解風(fēng)力發(fā)電的間歇性。儲(chǔ)能系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)供需的最佳協(xié)調(diào),從而減少電力輸出的可變性并穩(wěn)定電網(wǎng)。用于海上風(fēng)電場(chǎng)的儲(chǔ)能解決方案包括:電池、超級(jí)電容器、飛輪儲(chǔ)能、油氣儲(chǔ)能、氫氣儲(chǔ)能、氨基儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能。根據(jù)研究,鋰離子電池和壓縮空氣儲(chǔ)能是最有前景的儲(chǔ)能技術(shù),可以滿(mǎn)足海上能源解決方案的需要。
此外,解決電力振動(dòng)的另一個(gè)潛在的解決方案是實(shí)施電網(wǎng)形成變流器。這些先進(jìn)的電力電子設(shè)備主動(dòng)控制產(chǎn)生的輸出功率的電壓和頻率,有助于電網(wǎng)的穩(wěn)定。隨著先進(jìn)控制策略的發(fā)展,如預(yù)測(cè)風(fēng)速變化和實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行以保持穩(wěn)定功率輸出的預(yù)測(cè)控制算法,也可以有效地將功率波動(dòng)和相關(guān)振動(dòng)降至最低。
3 全自主海上風(fēng)電運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)
全自主海上風(fēng)電運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)包括感知層、通信層、應(yīng)用軟件層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層,如圖4 所示。
3.1 感知層面
無(wú)人值守?zé)o人機(jī)和自主水面船舶系統(tǒng)遠(yuǎn)程部署到海上,搭載高清相機(jī)、多波束等多種載荷按預(yù)先設(shè)定的任務(wù)開(kāi)展作業(yè)。任務(wù)完成后返回自動(dòng)充電,無(wú)須人工搬運(yùn)和干預(yù),實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)化作業(yè)。
3.2 通信層面
遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)根據(jù)離岸距離和數(shù)據(jù)傳輸量等需求,靈活配置 4G/5G、衛(wèi)星通信、北斗、微波等通信手段。無(wú)人機(jī)與自主水面船舶作業(yè)獲取的數(shù)據(jù)通過(guò)其自帶的無(wú)線(xiàn)通信模塊實(shí)時(shí)回傳至智能機(jī)場(chǎng)和智能船塢,并由遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)中繼轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)方的指揮中心,解決了數(shù)據(jù)時(shí)效性問(wèn)題。
3.3 應(yīng)用軟件層面
指揮中心可遠(yuǎn)程設(shè)定巡檢任務(wù)及航線(xiàn),實(shí)時(shí)監(jiān)控遠(yuǎn)程設(shè)備的位置、行動(dòng)軌跡、周邊狀態(tài)等信息;并采用邊云協(xié)同的方式,基于邊云數(shù)據(jù)庫(kù)和目標(biāo)庫(kù),利用 AI智能算法自動(dòng)開(kāi)展缺陷目標(biāo)識(shí)別,輔助人工篩查,所有數(shù)據(jù)最終匯入數(shù)據(jù)處理與管理平臺(tái)。
3.4 業(yè)務(wù)應(yīng)用層面
由數(shù)據(jù)處理與管理平臺(tái)向海上風(fēng)電管理部門(mén)的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)推送數(shù)據(jù),輔助海上風(fēng)電的日常運(yùn)維和管理。
4 結(jié)語(yǔ)
本文列出了漂浮式海上風(fēng)電運(yùn)行和維護(hù)面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn),而這些問(wèn)題和挑戰(zhàn)將推動(dòng)海上風(fēng)電行業(yè)朝著完全自主的運(yùn)維方向發(fā)展,從而降低運(yùn)維成本和最大可能提高運(yùn)維的安全性。此外,為了充分展示漂浮式海上風(fēng)電運(yùn)維自主性的潛力,本文提出了一系列已在其他行業(yè)成熟應(yīng)用的支持技術(shù),并在研究其在海上風(fēng)電行業(yè)改進(jìn)和應(yīng)用時(shí),提出了未來(lái)努力的方向和建議,包括技術(shù)路線(xiàn)、操作和維護(hù)的各個(gè)方面,如新穎的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程操作和船舶維護(hù)。在工業(yè)4.0 背景下,借助ICT、大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)以及云計(jì)算等互聯(lián)技術(shù),逐步實(shí)現(xiàn)運(yùn)維的自主性、智能化,提升漂浮式海上風(fēng)電的運(yùn)維決策水平,進(jìn)而提高海上風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行的性能、效率和安全可靠性,從而推動(dòng)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的快速穩(wěn)健高質(zhì)量發(fā)展。
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