海上風(fēng)電立體運(yùn)維體系的建立

摘 要：針對(duì)目前海上風(fēng)電運(yùn)維存在機(jī)組出?？蛇_(dá)率過(guò)低的問(wèn)題，本文明確了如何充分利用運(yùn)維船、運(yùn)維母船和直升機(jī)自身的優(yōu)勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)海上空中立體運(yùn)維，并進(jìn)行海上風(fēng)電立體運(yùn)維體系建立研究。分析海上風(fēng)電運(yùn)維特點(diǎn)，構(gòu)建海上風(fēng)電運(yùn)維船、運(yùn)維母船和直升機(jī)運(yùn)維評(píng)估系統(tǒng)模型。基于模型，對(duì)成本、時(shí)間和運(yùn)維能力等指標(biāo)進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)優(yōu)化策略，以期為提高海上風(fēng)電機(jī)組出海可達(dá)率提供幫助。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；直升機(jī)；數(shù)學(xué)模型評(píng)估

中圖分類號(hào)：TM 614" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著全球能源、資源和環(huán)境問(wèn)題出現(xiàn)，特別是全球氣候變化日趨明顯，可再生能源的大力發(fā)展已經(jīng)成為推動(dòng)國(guó)內(nèi)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的重大戰(zhàn)略決策之一。作為風(fēng)電家族的“明珠”，與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電的風(fēng)速更大，風(fēng)向更穩(wěn)定，更靠近傳統(tǒng)電力負(fù)荷中心，地球豐富的海洋資源也為海上風(fēng)電的建立和開(kāi)發(fā)提供了有利條件，還能帶動(dòng)沿海地區(qū)海風(fēng)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。同時(shí)，隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，海上風(fēng)電技術(shù)瓶頸正在被攻克，海風(fēng)造價(jià)逐步降低，已經(jīng)成為全球能源關(guān)注的熱點(diǎn)。

隨著海上風(fēng)電技術(shù)快速發(fā)展，向深遠(yuǎn)海域拓展成為海上風(fēng)電發(fā)展的趨勢(shì)，海上風(fēng)電運(yùn)維也成為制約其發(fā)展的難題之一。不同地理位置對(duì)項(xiàng)目有不同要求，如何充分利用運(yùn)維船、運(yùn)維母船和直升機(jī)自身的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)海上空中立體運(yùn)維成為一項(xiàng)重要課題。

1 海上風(fēng)電運(yùn)維特點(diǎn)

海上風(fēng)電就近消納，不需要特高壓傳輸和額外儲(chǔ)能，利用小時(shí)數(shù)遠(yuǎn)高于陸上風(fēng)電，但隨著海上風(fēng)電向深海地區(qū)的逐步探索和發(fā)展，也面臨更高的挑戰(zhàn)。

首先，更高的技術(shù)難度。海上惡劣的氣候條件使海上風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)期處于高鹽、高濕、高腐蝕、臺(tái)風(fēng)和雷電等環(huán)境[1]，因此設(shè)備的故障率明顯高于陸上風(fēng)電。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海上風(fēng)電機(jī)組的年平均可用率只有70%～90%，遠(yuǎn)低于陸上風(fēng)電機(jī)組95%～99%的可用率[2-3]。

其次，受限的作業(yè)時(shí)間。海上風(fēng)電場(chǎng)大部分位于大陸性氣候和海洋性氣候交替影響的海域，天氣變化和降水變化顯著，嚴(yán)重制約了運(yùn)維作業(yè)時(shí)間，運(yùn)維效率嚴(yán)重下降。

再次，惡劣的運(yùn)維條件。海上風(fēng)電機(jī)組的位置比較特殊，只有通過(guò)直升機(jī)、船舶等海上交通工具才能到達(dá)[4]，而且運(yùn)維施工條件更惡劣。

從次，更高的運(yùn)維費(fèi)用。由于自然條件、氣候環(huán)境以及地理位置等多重因素的限制，海上風(fēng)電的運(yùn)維、交通以及停機(jī)成本較高，后期的運(yùn)維費(fèi)用占總成本的一半以上，遠(yuǎn)超風(fēng)電機(jī)組的設(shè)備成本。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，海上風(fēng)電運(yùn)維成本接近陸上風(fēng)電的2倍，在度電成本中占比高達(dá)25％～40％[5]。

最后，更高的安全風(fēng)險(xiǎn)。海上風(fēng)電運(yùn)維涉及機(jī)械、電力、航空、船舶和海洋等多個(gè)專業(yè)，安全風(fēng)險(xiǎn)管控難度更大。同時(shí)海上風(fēng)電場(chǎng)獨(dú)特的地理位置也導(dǎo)致應(yīng)急響應(yīng)的及時(shí)性難以實(shí)現(xiàn)，應(yīng)急救援機(jī)制和救援手段目前還未成形。

2 模型建立

2.1 影響因素選取

一般情況下，海上風(fēng)電通過(guò)運(yùn)維工作船、運(yùn)維母船和直升機(jī)3種方式開(kāi)展運(yùn)維。由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研可知，直升機(jī)快速、機(jī)動(dòng)且高效，受海況影響較??；運(yùn)維船在自身體積和質(zhì)量的限制下，抗風(fēng)浪能力較弱，受氣候環(huán)境影響較大，出海作業(yè)時(shí)間嚴(yán)重受限；運(yùn)維母船在其安全范圍內(nèi)抗風(fēng)能力較強(qiáng)。綜合考慮交通工具在實(shí)際運(yùn)維中的影響因素，本文主要從風(fēng)力大小來(lái)量化環(huán)境對(duì)交通工具的影響因素。

2.2 評(píng)估模型建立

海上風(fēng)電運(yùn)維船、運(yùn)維母船、直升機(jī)運(yùn)維評(píng)估系統(tǒng)模型建立分別如公式（1）、公式（2）所示。

（1）

式中：Cost為總成本函數(shù)；li為實(shí)際路段的分段；C（li，x）為該路段的成本函數(shù)；參數(shù)i為一個(gè)組成元素為各環(huán)境因素的向量組；x為交通工具的參數(shù)。

（2）

式中：Time為總時(shí)間函數(shù)；li為實(shí)際路段的分段；T（li，x）為該路段的時(shí)間函數(shù)；參數(shù)i為一個(gè)組成元素為各環(huán)境因素的向量組；x為交通工具的參數(shù)。

為了分析各種交通工具的運(yùn)維能力，本文采用構(gòu)造法建立路段成本和時(shí)間函數(shù)，如公式（3）所示。

（3）

式中：Cost是基礎(chǔ)成本；Cwind是取決于風(fēng)力的成本函數(shù)；Time是基礎(chǔ)時(shí)間；Twind是取決于風(fēng)力的時(shí)間函數(shù)；e1代表海上風(fēng)電運(yùn)維船在運(yùn)行中的運(yùn)維系數(shù)；a、b和c分別代表海上風(fēng)電運(yùn)維船、運(yùn)維母船和直升機(jī)；ucb代表直升機(jī)與運(yùn)維母船聯(lián)用成本系數(shù)；uca代表直升機(jī)與海上風(fēng)電運(yùn)維船聯(lián)用成本系數(shù)；ucc代表直升機(jī)與直升機(jī)聯(lián)用的成本系數(shù)；utc代表單位時(shí)間t內(nèi)使用直升機(jī)的獨(dú)立成本系數(shù)；vcc代表一臺(tái)直升機(jī)轉(zhuǎn)到另一臺(tái)直升機(jī)的轉(zhuǎn)換效率；vcb代表直升機(jī)到運(yùn)維母船的轉(zhuǎn)換效率；vtb代表單位時(shí)間t內(nèi)運(yùn)維母船初始狀態(tài)轉(zhuǎn)到運(yùn)維狀態(tài)的轉(zhuǎn)換效率。

3 模型分析

3.1 成本模型

由于運(yùn)維船自身狀態(tài)不同，因此抗風(fēng)能力也各有不同，如單體船比雙體船抗風(fēng)浪能力弱。根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)研分析可知，在無(wú)風(fēng)狀態(tài)下，運(yùn)維船的運(yùn)維成本遠(yuǎn)低于直升機(jī)和運(yùn)維母船，具有顯著的費(fèi)用優(yōu)勢(shì)。但是隨著風(fēng)力增加，運(yùn)維船的成本不斷提高。而直升機(jī)和運(yùn)維母船的抗風(fēng)性較好，成本變化不大。因此建立成本模型時(shí)以風(fēng)力為主要參考指標(biāo)，最終選取如公式（4）～公式（6）所示的成本函數(shù)表示風(fēng)力對(duì)成本的影響。

直升機(jī)： （4）

運(yùn)維船： （5）

運(yùn)維母船： （6）

由上述公式分別得出不同風(fēng)力條件下不同交通工具的成本曲線，如圖1所示。由圖1可知，運(yùn)維母船本身造價(jià)較高，初期成本遠(yuǎn)高于直升機(jī)和運(yùn)維船，而直升機(jī)的基礎(chǔ)成本高于運(yùn)維船。但是隨著風(fēng)力增加，運(yùn)維船的運(yùn)維成本呈快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。當(dāng)風(fēng)力達(dá)到一定數(shù)值后，運(yùn)維船的運(yùn)維成本將超過(guò)直升機(jī)和運(yùn)維母船。因此在未來(lái)計(jì)算運(yùn)維成本的過(guò)程中，可以根據(jù)風(fēng)力來(lái)選擇不同的交通工具，同時(shí)也能根據(jù)公式來(lái)計(jì)算運(yùn)維成本。

在對(duì)成本模型進(jìn)行深入分析后發(fā)現(xiàn)，天氣是影響風(fēng)力的主要因素，因此需要根據(jù)天氣情況對(duì)成本進(jìn)行具體分析。天氣的變化直接影響運(yùn)維船和直升機(jī)的作業(yè)時(shí)間。在惡劣天氣條件下，出于安全考慮，運(yùn)維船和直升機(jī)一般不會(huì)外出作業(yè)，但是運(yùn)維母船基本不受天氣影響。由此可見(jiàn)，即使直升機(jī)的抗風(fēng)能力很強(qiáng)[6-7]，對(duì)雨雪天氣的處理能力也遠(yuǎn)低于運(yùn)維母船。函數(shù)基本符合模型的預(yù)期。因此在海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維的過(guò)程中，需要根據(jù)不同天氣條件來(lái)選擇不同的方式和方法。

3.2 時(shí)間模型

與運(yùn)維船、運(yùn)維母船相比，直升機(jī)具有明顯的速度優(yōu)勢(shì)，尤其是在風(fēng)力增加的過(guò)程中，當(dāng)風(fēng)力等級(jí)小于一定水平時(shí)，直升機(jī)幾乎不受影響，不會(huì)呈現(xiàn)出特別高的增幅。而運(yùn)維船和運(yùn)維母船則恰恰相反。無(wú)風(fēng)情況下，運(yùn)維船和運(yùn)維母船的運(yùn)維時(shí)間要遠(yuǎn)低于直升機(jī)，隨著風(fēng)力增加，其運(yùn)維時(shí)間也在不斷增長(zhǎng)。因此在模型建立中最終選取如公式（7）～公式（9）所示的時(shí)間函數(shù)來(lái)表示風(fēng)力對(duì)時(shí)間的影響。

直升機(jī)： （7）

運(yùn)維船： （8）

運(yùn)維母船： （9）

由上述公式分別得出不同風(fēng)力條件下不同交通工具的時(shí)間曲線，如圖2所示。由圖2可知，理想狀態(tài)下，直升機(jī)巡檢時(shí)間遠(yuǎn)小于運(yùn)維船和運(yùn)維母船。隨著風(fēng)力逐漸增加，直升機(jī)、運(yùn)維船和運(yùn)維母船所需要消耗的巡檢時(shí)間都將增加。天氣對(duì)運(yùn)維船和運(yùn)維母船影響更大，直升機(jī)對(duì)天氣的抵抗能力明顯小于運(yùn)維船和運(yùn)維母船。這與實(shí)際調(diào)研情況相符，基本符合預(yù)期。

3.3 運(yùn)維能力評(píng)估

上述數(shù)學(xué)模型建立是為了對(duì)運(yùn)維船、運(yùn)維母船和直升機(jī)在不同運(yùn)維環(huán)境下的運(yùn)維能力進(jìn)行評(píng)估，以量化其運(yùn)維能力，分別如公式（10）、公式（11）所示。

（10）

（11）

式中：li為實(shí)際路段的分段；x為交通工具的參數(shù)；ci為成本約束；ti為時(shí)間約束。

3.3.1 無(wú)人為約束運(yùn)維能力評(píng)估

無(wú)人為約束時(shí)，設(shè)定ci=Ccon，即為可承受的最大成本，ti=Tcon為可接受的最長(zhǎng)時(shí)間。

根據(jù)環(huán)境情況將一段運(yùn)行路段分為4段，分別代表不同的環(huán)境參數(shù)，數(shù)字越大，代表相應(yīng)的等級(jí)越高，環(huán)境越惡劣。將路段參數(shù)帶入數(shù)學(xué)模型，可得出不同路段的巡檢選擇方案，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

從上述解決方案可知，雖然存在誤差，但誤差在允許范圍內(nèi)，基本能達(dá)到預(yù)期效果。

3.3.2 有人為約束運(yùn)維能力評(píng)估

在實(shí)際的作業(yè)過(guò)程中，往往存在一些特定的人為約束，本文引入成本約束cri和人為時(shí)間約束tri來(lái)代表人為時(shí)間約束，分別如公式（12）、公式（13）所示。

（12）

（13）

人工約束模型主要用于解決一些現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。例如，當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷時(shí)，巡檢任務(wù)必須在較短時(shí)間內(nèi)完成。在這種情況下，需要添加人工時(shí)間約束，以找到新的成本的最小值，時(shí)間成本是在允許的范圍內(nèi)提供更多有用的參考方案。

以應(yīng)急搶險(xiǎn)為例，巡檢任務(wù)必須在短時(shí)間內(nèi)完成，因此設(shè)置人為時(shí)間約束tri并使tri=ti/2，則得出的解決方案見(jiàn)表2。

比較表1和表2可知，在相同的作業(yè)環(huán)境下，添加人工約束后得到的解決方案不盡相同。

4 結(jié)語(yǔ)

從模型可知運(yùn)維船、運(yùn)維母船和直升機(jī)在不同作業(yè)條件下有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。從成本角度分析，理想情況下運(yùn)維船優(yōu)勢(shì)明顯，隨著風(fēng)力等級(jí)增加，運(yùn)維船的成本快速增加、安全性能快速下降，風(fēng)力等級(jí)增加到一定程度時(shí)，直升機(jī)將成為更好的選擇。從時(shí)間角度分析，直升機(jī)具有明顯的效率優(yōu)勢(shì)，但受天氣影響較大，當(dāng)環(huán)境條件影響飛行安全時(shí)，運(yùn)維母船可以作為有力補(bǔ)充。因此，不同海域、不同規(guī)模的區(qū)域化風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)建立直升機(jī)與船舶有效協(xié)作的海上空中立體運(yùn)維體系，以提高機(jī)組出?？蛇_(dá)率，降低運(yùn)維交通成本。

參考文獻(xiàn)

[1]高晨，趙勇，汪德良，等.海上風(fēng)電機(jī)組電氣設(shè)備狀態(tài)檢修技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2022（增刊1）：30-42.

[2]Chen G，Zhao Y，Wang D L，et al.Research status and prospect"of condition based maintenance technology for offshore wind turbine" electrical equipment[J].China electrotechnical society，2022（增刊1）：30-42.

[3]時(shí)智勇，王彩霞，李瓊慧.“十四五”中國(guó)海上風(fēng)電發(fā)展關(guān)鍵問(wèn)題[J].中國(guó)電力，2020，53（7）：8-17.

[4]Shi Z Y，Wang C X，Li Q H.Key issue of china’s offshore wind" power development in the 14th Five-Year Plan[J].Electric power，2020，53（7）：8-17.

[5]劉永前，馬遠(yuǎn)馳，陶濤.海上風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)管理技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J].全球能源互聯(lián)網(wǎng)，2019（2）：127-137.

[6]Liu Y Q，Ma Y C，Tao T.Review on maintenance management" technology for offshore wind farms[J].Journal of global energy Inter-connection，2019（2）：127-137.

[7]史香錕，賈愛(ài)慶，陳忠良，等.海上風(fēng)電運(yùn)維管理系統(tǒng)的研究與建議[J].能源與節(jié)能，2021（1）：131-134，142.