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海上风电运维的技术现状和发展综述

日期:2021-09-28    来源:《船舶工程》  作者:万远琛 王凯 初岳峰

国际风力发电网

2021
09/28
08:34
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关键词: 海上风电 风电运维 风电技术

全球海上风电装机量正经历着快速增长,全球风能理事会(GWEC)的统计数据指出,2019年全球海上风电新增装机容量6.1GW。中国可再生能源学会风能专业委员会(CWEA)的统计结果表明,中国海上风电新增装机588台,新增装机容量2.49GW,同比增长50.9%。伴随着海上风电装机量的增长,海上风电运维的需求也随之增大。海上风电机组长期处于恶劣的海洋环境,就机组故障率而言,海上风电明显高于陆上风电。此外,更加复杂的自然条件也给海上风电运维带来更多挑战。未来智慧海上风电场的建设,依赖于良好的运维管理,这就需要科学的运维策略,智能的故障诊断和监测技术以及稳定高效的运维船只等设备的支持。

一、海上风电的发展和特点

目前,为应对全球气候变化,各大主要经济体已制定碳中和目标。碳减排驱动了全球能源结构加速转型,由化石能源时代向着可再生能源时代迈进,能源革命让风电产业迎来了新的发展机遇。

自1991年丹麦投入运行世界第1个海上风电场Vindeby起,海上风电就步入了快速发展的道路。相比陆上风电,海上风能资源更加丰富,海上风电机组无需占用土地资源,距离用电负荷中心更近,且发电利用小时数更高。在风电行业高速发展的背景下,海上风电的发展速度更是领先于行业整体。

海上风电机组正朝着大型化方向发展,平准化度电成本正在降低。叶轮直径更大、功率更大的风机可提供更大的年发电量,从而降低成本。国内外整机厂商对大功率风机的研发正在不断开展,维斯塔斯在2018年9月发布了世界首款10MW风电机组;2019年11月,GE12 MWHaliade-X直驱风机的第1台样机在荷兰鹿特丹安装测试;2020年5月,西门子歌美飒发布了SG14-222型直驱风机,预计将于2024年投入商用,其最大功率达到15MW。另一方面,海上风电的建设选址向着水深更深、离岸更远的海域发展,漂浮式风机日渐增多,这也意味着运维环境将更加恶劣,维护难度随之加大。

中国海上风电呈现出规模化、智慧化、定制化和大型化的发展趋势。未来中国将建成更多的百万或千万千瓦级海上风电场,形成集约化发展优势,力争“十四·五”末期实现平价上网。智慧风电场将搭载智能技术,可实现健康感知,故障检测以及机群智能等功能;整机、塔筒基础、传动链、叶片和偏航系统等子系统拥有独自智能化应用扩展;智慧风电场将集成大数据平台架构、算法、模型,构建电力物联网平台。海上风电将以度电成本为引导,趋于定制化开发,增加上网电量,提高经济效益,控制建设造价,降低运维成本。更多10MW以上的大功率海上风机将投入运营,发电能力进一步提升。

海上风电的发展日新月异,风机的大型化、深水远岸布局以及漂浮式风电机组的运用等,给海上风电运维提出了新挑战,未来智慧海上风电场需要智能高效运维的支持。

二、海上风电运维市场现状和难点

已有的运维数据表明,在同等装机容量下,海上风电的运维成本超过陆上风电的2倍,海上风电的运维成本占其度电成本的1/4以上。我国多数海上风电场的运行年限为25年,在海上风电机组并网发电后,整机厂商将提供为期5年的质保服务。质保期之外,风电机组的运维工作则由风电场投资方或第三方运维服务商承担。

如图1所示,海上风电运维的成本主要包括风电机组运维、运维船维护和保险等。由于投资方对成本的考虑,以及整机供应商之间的“价格战”,海上风电机组的购价格正在不断下降,而这也导致更多廉价部件的使用,使整机配置有所降低,风电机组的质量难以保证。较高的机组故障率和较大的维修工作量是海上风电运维中的最大难点。

图1 海上风电运维成本

国内许多海上风电场采用的是经改造的陆上型风机,而非原厂的海上风机。改造的陆上风机难以长期适应海上的复杂条件,更容易出现故障。由于潮汐等条件的影响,海上风电运维作业存在窗口期制约,海上风电机组可及性较差,不利的气象条件和恶劣海况限制了维护作业时长,也带来更大的安全隐患。

我国在海上风电运维领域缺乏成熟经验,目前采用的运维方法以借鉴陆上风电为主,即主要采取计划检修,并辅以故障检修的运维策略。这一运维模式并不能很好地适应海上风电的运行特点,就海上风电的故障检修而言,运维人员的海上交通受海况影响很大,较大的不确定性可能造成机组的长时间停机,严重影响风场的生产效率。海上风电运维领域亟待解决的关键问题主要有:

⑴完善海上风机运行状态监测系统,运用机组健康诊断技术,实现机组异常识别,预测机组寿命。

⑵进一步优化海上风电场维护策略,规范运维方式,优化运维资源管理方案,合理调配各项运维资源。运维策略的制定应与机组的可靠性数据相结合,尽可能地提升单次出海作业效率,从而避免频繁出海,节省运维费用。

⑶具备容错运行能力的机组,在发生部分故障后一定时长内仍可平稳工作,在海上风电机组故障难以避免的情况下,机组的容错运行功能具有重要的研究价值。

⑷开展海上风电机组多部件故障的相关性研究,分析多机组多部件之间功能和结构的相关性。

三、海上风电运维科技的创新趋势

海上风电的快速发展给运维工作提出了新要求,海上风电运维的创新包括转变运维方式、优化运维策略、改进运维设备、提高故障诊断和监测技术等。海上风电智慧运维体系包含多项智能化技术,通过智能传感技术、边缘计算技术及机器人技术等实现智能感知;通过数据可视化技术、3D建模技术和网络安全技术等实现智能监控;通过模式识别技术、故障预警技术和大数据技术等实现智能分析;借助专家知识库、人工智能技术和数字孪生技术进行智能决策;通过移动互联技术、虚拟现实技术和增强现实技术实现智能辅助。

⒈海上风电运维管理技术

海上风电全生命周期的智慧化,是实现海上风电平准化度电成本最优的关键,海上风电的智慧运维是一项系统工程。

智慧运维体系借助大数据和智能数据技术,基于数据进行运维决策。采用精细的成本管控,通过全生命周期内风机运维成本和收益的实时计算,提升运维管理精细化水平,有效降低运维成本。做好风机部件级离岸测试,打造海上风电“基因工程”,制定合理的运维检修计划,提升机组运行可靠性。根据大部件预警信息,提前锁定区域内大部件吊装船只及大部件备品,缩短大部件故障停机时间。通过故障预警和运检维一体化系统,优化运维计划及运维调度,降低海上风电运维成本。评估海上风场发电性能及电量损失原因,开展控制策略优化技术的研究和应用,进一步提高风机发电量。优化不同海域、不同规模的区域化风场交通运输工具,提升运维效率,降低日常运维交通成本。

科学合理地规划运维时间和路线,采用预运维方式清除故障隐患,降低运维成本,这是海上风电运维模式的发展目标。针对运维路径的规划,应基于风功率预测、运维船舶的可及性、机组运行状态和健康状态,选择安全、便捷、成本最优的运维交通路线。

基于风险的维护方式,能够降低整体的维护难度和生命周期成本,呈现各方均满意的可利用率和机组性能。计划检修结合故障检修的传统运维策略,对人力、物力和财力的消耗很大。随着运维技术的不断进步,以状态检修为主的运维策略成为发展趋势。

状态检修以设备状态为出发点,通过在线监测和离线测量等方式查找潜伏性故障,评估设备状态。状态检修的针对性较强,通过对设备的综合分析,判别是否要对设备进行检修,检修效果也更好。基于状态检修的运维策略可便于统一调度运维资源进行多台机组的检修工作,提高单次出海作业效率,减少出海次数,降低交通成本。状态检修是海上风电运维管理中的重大创新,状态检修的实现需要结合不同海上风电场的特点,监控并分析机组的运行状态,强化零部件生命周期监控以及大型部件的状态监测。

⒉海上风电机组监测和分析技术

海上风电的智能监测包括水下智能监测、结构疲劳和损伤监测、海缆监测以及基础冲刷监测等。智能分析技术涵盖气象预报和预警系统,窗口期管理系统,船舶、航路、人员管理系统以及海上安防系统等。在线监测技术通过多种通信介质,实时传输并可视化观测数据,为数据处理提供便利。水下智能监测借助水下机器人,有针对性地对目标机组水下部分进行检视,可直观地监测基础的整体状态。对支撑结构的疲劳和损伤监测,通过传感器监测结构的变形、应力、位移、振动以及腐蚀状况等数据,并实时传输至监测系统,具体的监测项目以及监测点的布点位置可依据风电场具体的运维和安全评估要求选取。海洋环境参数监测通过传感器和高速传输技术实时获取项目海域数据,包含波浪数据、风数据、海流数据和温盐数据等,为海上风电运维积累背景参数资料。海缆监测通常基于光纤和局部放电的电缆在线监测方法,对海底电缆的运行状态进行安全监控。

海域监测通过对海底电缆周围海域过往船舶进行持续监控,从而减少船舶锚泊引起的电缆破坏。基础冲刷监测通过数据采集设备获得冲刷深度等参数,可与支撑结构响应监测相结合,为海上风电基础结构提供更高的安全保障。

⒊新型风电运维船

海上风电的智能监测包括水下智能监测、结构疲劳和损伤监测、海缆监测以及基础冲刷监测等。智能分析技术涵盖气象预报和预警系统,窗口期管理系统,船舶、航路、人员管理系统以及海上安防系统等。在线监测技术通过多种通信介质,实时传输并可视化观测数据,为数据处理提供便利。

水下智能监测借助水下机器人,有针对性地对目标机组水下部分进行检视,可直观地监测基础的整体状态。对支撑结构的疲劳和损伤监测,通过传感器监测结构的变形、应力、位移、振动以及腐蚀状况等数据,并实时传输至监测系统,具体的监测项目以及监测点的布点位置可依据风电场具体的运维和安全评估要求选取。海洋环境参数监测通过传感器和高速传输技术实时获取项目海域数据,包含波浪数据、风数据、海流数据和温盐数据等,为海上风电运维积累背景参数资料。

海缆监测通常基于光纤和局部放电的电缆在线监测方法,对海底电缆的运行状态进行安全监控。海域监测通过对海底电缆周围海域过往船舶进行持续监控,从而减少船舶锚泊引起的电缆破坏。基础冲刷监测通过数据采集设备获得冲刷深度等参数,可与支撑结构响应监测相结合,为海上风电基础结构提供更高的安全保障。

目前全球共投入使用400余艘风电运维船,新型海上风电运维船尺寸更大,可搭载更多仪器设备和零部件,具有良好的乘坐舒适性,航速更快,人员转移的安全性更高,抗风浪能力更强。专业的风电运维船有多种类型,特制的船头不仅可供运维人员从风机底部爬梯登陆,还可降低船体的摇晃。风电运维船的主要类型包括单体船、双体船、三体船、小水线面双体船、表面效应船和小水线面三体船等,各种类型运维船的典型参数如表1所示。

表1 不同类型运维船典型参数

根据我国不同海域海上风电项目的特点,有针对性地选择不同形式的运维船。江苏沿海项目多坐落于潮汐带水域,作业水位0~20m,风速3m/s~7m/s,波高0.5m~4.6m,已建成风场离岸距离3km~50km,波浪平均周期3.1s,此海域适合采用双体船、小水线面双体船以及居住船等。福建、广东以及浙江沿海海域海况复杂多变,岛礁、暗礁多,涌浪大,水流急,风浪大,水深10m~50m,年平均风速8.0m/s,平均波高2.0m,已建成风场离岸距离3km~30km,此海域项目离岸较近,可选用抗风浪能力强、航速快的小水线面双体船、表面效应船和小水线面三体船等。渤海和北黄海区域的海况优于多风的福建以及处于潮汐带的江苏沿海,但该海域冬季会出现海冰,运维船舶需在艏部增设B级冰区加强的破冰装置,并增加保暖防冻设备。图2为2020年7月18日交付的“雄程天威1”双体运维船,该船搭载了先进的舰船低压直流综合电力技术,这是此项技术在民船领域的首次应用。

图2 “雄程天威1”风电运维船

除常规的运维船外,运维母船是新的发展趋势,典型的母船可供超过40人居住,可运载零部件,自持力超过1个月,具备优良的靠泊性能,搭载波浪补偿悬梯及动力定位系统。但其造价和运营成本较高,目前应用相对较少。图3为乌斯坦建造的“WindeaLeibniz”运维母船,该船在船首航行状态下航速为13.9kn,而船尾航行状态可达到12.1kn,独特的设计使船只更加灵活,运维作业效率更高,燃油经济性更佳。若要进行齿轮箱、发电机和叶片等大型部件的更换,则需使用自升式运维船,其搭载了较大型的起重机,可在40m水深条件下作业,适用于深水远岸风机的运维作业。

图3 “Windea Leibniz”风场运维船

图4 “海电运维801”号自航自升式运维船

图4为“海电运维801”号自航自升式运维船,该船由福建马尾造船股份有限公司建造,桩腿长95m,最大作业水深50m,最大起重高度120m,配备DP1动力定位系统,以及4套全回转推进器,可装载2套8MW海上风机的叶片和机舱。

⒋智能运维机器人

严苛的海洋环境给海上风电运维作业带来了诸多不便,为了提高运维便利性,降低运维人员的安全风险,机器人和无人机等设备得以应用,机器人系统也是海上风电智慧运维的关键组成部分。图5为机器人“BladeBUG”,该型机器人是针对海上风机叶片的检修而设计,具有履带和6只爬行足,每只足的末端有真空粘合装置,可牢固吸附于叶片表面,并进行灵活的爬行动作。以机器人代替人力进行运维作业,可降低运维事故风险,提高检测效率和精度,节省维修成本。据估计,未来良好的机器人系统可帮助风电项目在其生命周期内节省3300万美元。欧洲首个海上风电运维机器人测试中心已于2020年在葡萄牙建立,该中心致力于恶劣环境下机器人运维作业的相关研究。

图5 “BladeBUG”运维机器人

四、结束语

海上风电的运维模式正朝着数字化、智能化和精准化的方向发展,海上风电智慧运维旨在促进项目全生命周期内运维成本的降低和发电效率的提升,最终实现海上风电场运营效益的提高。随着全球海上风电行业的蓬勃发展,从运维策略到运维技术的海上风电运维创新也将全方位持续进行。


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