曹 彬,王俊峰,劉 璐
(中節(jié)能風(fēng)力發(fā)電股份有限公司,北京 100082)
長(zhǎng)期以來(lái),以火電為主的電力行業(yè)是我國(guó)碳排放的重點(diǎn)領(lǐng)域[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),2019年電力行業(yè)碳排放量高達(dá)42.27億t,占全社會(huì)碳排放總量的43%[2]。可見(jiàn),電力行業(yè)的低碳轉(zhuǎn)型是中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和的關(guān)鍵[3]。國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)表明,發(fā)展清潔低碳的可再生能源電力是調(diào)整電力能源結(jié)構(gòu),促進(jìn)電力降碳、脫碳最為有效的途徑之一[4-7]。風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔、高效的可再生能源發(fā)電形式,將在中國(guó)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的過(guò)程中發(fā)揮重要作用[8-9]。隨著大型風(fēng)電基地、分散式風(fēng)電及海上風(fēng)電場(chǎng)的興起,風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模將實(shí)現(xiàn)持續(xù)高速增長(zhǎng),在電力能源供給與消費(fèi)中的比重將進(jìn)一步提升。
風(fēng)電作為未來(lái)的主要電力能源形式之一,其平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)將在一定程度上影響全社會(huì)的用電成本。近年來(lái),風(fēng)電場(chǎng)補(bǔ)貼全面取消,降低風(fēng)電的LCOE已成為全行業(yè)共同面臨的重要挑戰(zhàn)。中國(guó)風(fēng)電行業(yè)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,裝備設(shè)計(jì)制造技術(shù)不斷取得進(jìn)步,國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈日臻成熟,推動(dòng)了風(fēng)電機(jī)組設(shè)備成本的顯著降低,長(zhǎng)葉片、高塔筒等技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步提升了風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電能力。從LCOE角度來(lái)看,風(fēng)電行業(yè)總體上已具備平價(jià)上網(wǎng)的能力[10]。但目前降低風(fēng)電LCOE的相關(guān)研究主要聚焦在風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的設(shè)計(jì)制造環(huán)節(jié),風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié)降本增效的研究較為少見(jiàn)。
本文主要針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中資產(chǎn)管理領(lǐng)域存在的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行分析,提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)電場(chǎng)資產(chǎn)管理方法,并結(jié)合具體案例探討了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)電場(chǎng)資產(chǎn)管理方法在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)階段降本增效中的應(yīng)用。
風(fēng)電場(chǎng)的LCOE主要受3方面因素影響:1)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)階段的資源選址;2)工程建設(shè)階段的設(shè)備選型與施工方案;3)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)階段的資產(chǎn)管理[11]。由于近些年風(fēng)電行業(yè)的高速發(fā)展,風(fēng)電業(yè)主為尋求裝機(jī)規(guī)模的快速增長(zhǎng),普遍關(guān)注項(xiàng)目開(kāi)發(fā)與工程建設(shè),對(duì)風(fēng)電場(chǎng)資產(chǎn)管理領(lǐng)域存在的問(wèn)題缺乏系統(tǒng)性的分析,存量風(fēng)電項(xiàng)目LCOE的研究實(shí)質(zhì)上是降低運(yùn)維成本和增加發(fā)電量的降本增效的研究,發(fā)電能力與運(yùn)營(yíng)成本存在一定的挖潛空間。目前,風(fēng)電業(yè)主的資產(chǎn)管理主要存在3類問(wèn)題,下面進(jìn)行詳細(xì)分析。
風(fēng)電產(chǎn)業(yè)是典型的資本密集型產(chǎn)業(yè)[12],風(fēng)險(xiǎn)控制是開(kāi)發(fā)商做出投資決策時(shí)需要考慮的重要因素。由于中國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期時(shí)產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小,市場(chǎng)需求度不高,風(fēng)電機(jī)組等配套基礎(chǔ)設(shè)施存在前期投入成本大、技術(shù)門檻高等瓶頸,風(fēng)電業(yè)主的主營(yíng)業(yè)務(wù)成本中固定資產(chǎn)折舊的占比為70%~80%。風(fēng)電業(yè)主普遍認(rèn)為;風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)資源情況與風(fēng)電機(jī)組設(shè)備選型決定了風(fēng)電場(chǎng)年發(fā)電量,設(shè)備采購(gòu)與施工方案決定了風(fēng)電場(chǎng)工程成本,兩者主要影響風(fēng)電場(chǎng)的LCOE,而運(yùn)營(yíng)階段的設(shè)備運(yùn)檢成本與人工成本對(duì)風(fēng)電場(chǎng)LCOE的影響較少。加之中國(guó)風(fēng)電行業(yè)起步階段以“三北”地區(qū)和東南沿海地區(qū)中高風(fēng)速資源的開(kāi)發(fā)為主[13],風(fēng)電場(chǎng)上網(wǎng)電價(jià)高于項(xiàng)目所在地煤電上網(wǎng)電價(jià),項(xiàng)目收益率較高,因而風(fēng)電業(yè)主對(duì)存量項(xiàng)目的發(fā)電能力挖潛和降低運(yùn)營(yíng)成本普遍不夠重視。
風(fēng)電業(yè)主存量項(xiàng)目的資產(chǎn)管理,主要以發(fā)電設(shè)備管理為核心,重點(diǎn)關(guān)注發(fā)電設(shè)備的定檢維護(hù)、故障排除、缺陷處理、技術(shù)改造等操作環(huán)節(jié),以及時(shí)間可利用率 (time based availability,TBA)、平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間 (mean time between failure,MTBF)、平均檢修時(shí)間 (mean time to repair,MTTR)、平均檢修間隔時(shí)間 (mean time between inspection,MTBI)等關(guān)鍵指標(biāo),圍繞發(fā)電設(shè)備的可靠運(yùn)行組織資金、人員和物料等資源的投入。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,以發(fā)電設(shè)備為核心視角的資產(chǎn)管理方式,能夠較好地保障發(fā)電設(shè)備的安全、穩(wěn)定運(yùn)行[14],但由于缺乏針對(duì)運(yùn)檢策略、技改方案、備件管理等方面的成本及收益的深入分析,資金、人員、物料等關(guān)鍵資源不能按經(jīng)濟(jì)性最佳、性價(jià)比最高的方式進(jìn)行分配和使用,是制約風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)階段LCOE進(jìn)一步降低的主要原因。
從成本收益視角出發(fā)的風(fēng)電場(chǎng)資產(chǎn)管理,需要對(duì)發(fā)電設(shè)備的停機(jī)時(shí)長(zhǎng)、停機(jī)頻次、性能異常等情況進(jìn)行大量的量化分析,準(zhǔn)確定位和評(píng)估設(shè)備的發(fā)電量損失。通過(guò)評(píng)估不同運(yùn)檢策略、技改方案等可以挖掘的損失發(fā)電量,在考慮成本投入的情況下對(duì)比投入產(chǎn)出比,在安全前提下選擇經(jīng)濟(jì)性最佳、性價(jià)比最高的解決方案。因此,從成本收益視角出發(fā)的資產(chǎn)管理,本質(zhì)上是數(shù)字化的資產(chǎn)管理,需要對(duì)設(shè)備運(yùn)行與運(yùn)檢管理數(shù)據(jù)的高效應(yīng)用[15]。風(fēng)電行業(yè)雖然具備良好的信息化基礎(chǔ),但對(duì)于發(fā)電設(shè)備運(yùn)行和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)檢管理數(shù)據(jù)的應(yīng)用和挖掘不夠充分,在區(qū)分電量損失原因、評(píng)估電量損失數(shù)值、分析設(shè)備性能異常、優(yōu)化設(shè)備控制策略等方面仍有一定的提升空間。
近年來(lái),隨著風(fēng)電行業(yè)進(jìn)入平價(jià)時(shí)代,低風(fēng)速區(qū)域被大規(guī)模開(kāi)發(fā),使風(fēng)電場(chǎng)的全生命周期整體收益率呈現(xiàn)下降趨勢(shì),風(fēng)電業(yè)主對(duì)風(fēng)電場(chǎng)LCOE的敏感性逐步提升。同時(shí),風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的成本隨技術(shù)迭代與產(chǎn)業(yè)鏈及供應(yīng)鏈的成熟呈現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì),風(fēng)電場(chǎng)固定資產(chǎn)折舊在風(fēng)電業(yè)主的主營(yíng)業(yè)務(wù)成本中的占比降低,運(yùn)維成本、人工成本的占比相應(yīng)提升,風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)階段的資產(chǎn)管理能力正在成為風(fēng)電業(yè)主的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。
以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等為代表的新一輪科技革命推動(dòng)了電力行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。數(shù)字化理念和數(shù)字化技術(shù)正在持續(xù)賦能風(fēng)電行業(yè)發(fā)展升級(jí),并與風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)管理深度融合,在風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行與運(yùn)檢管理數(shù)據(jù)被風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng) (supervisory control and data acquisition,SCADA)、能量管理平臺(tái)、區(qū)域集控系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等平臺(tái)大量采集、存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上,其更多地被應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)資產(chǎn)管理中。通過(guò)系統(tǒng)總結(jié)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和企業(yè)具體實(shí)踐,本文提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)電場(chǎng)資產(chǎn)管理方法。
數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)電資產(chǎn)管理方法具備2個(gè)主要特征:1)從成本及收益視角出發(fā),在保證安全生產(chǎn)的前提下尋求存量風(fēng)電場(chǎng)在運(yùn)營(yíng)期間的最優(yōu)投入產(chǎn)出比;2)充分融入數(shù)字化理念,強(qiáng)調(diào)運(yùn)用發(fā)電設(shè)備運(yùn)行與運(yùn)檢管理過(guò)程中形成的數(shù)據(jù)資產(chǎn),從多角度應(yīng)用大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù),重點(diǎn)針對(duì)風(fēng)電機(jī)組損失電量與故障解決方案的經(jīng)濟(jì)性開(kāi)展準(zhǔn)確的量化評(píng)估。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)電場(chǎng)資產(chǎn)管理方法的流程如圖1所示。
圖1 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)電場(chǎng)資產(chǎn)管理方法的流程圖Fig.1 Flow chart of data-driven asset management method for wind farm
數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)電場(chǎng)資產(chǎn)管理方法需要對(duì)運(yùn)營(yíng)風(fēng)電場(chǎng)收益進(jìn)行解構(gòu)。從圖1可以看出:運(yùn)營(yíng)風(fēng)電場(chǎng)收益主要由收入和成本2個(gè)因素決定。收入主要受電量和電價(jià)2個(gè)因素的影響;成本主要受固定資產(chǎn)折舊、生產(chǎn)運(yùn)維成本、人工成本等因素的影響。電量包括實(shí)發(fā)電量與損失電量:實(shí)發(fā)電量指風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際發(fā)電量;損失電量指風(fēng)電場(chǎng)的應(yīng)發(fā)但未發(fā)電量,造成損失電量的原因主要包括電網(wǎng)限電、計(jì)劃停機(jī)、故障停機(jī)、受累停機(jī)、機(jī)組性能損失等。電價(jià)分為保障性收購(gòu)電價(jià)和市場(chǎng)化交易電價(jià)2類。固定資產(chǎn)折舊主要由風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)階段的設(shè)計(jì)施工、設(shè)備采購(gòu)等因素決定,項(xiàng)目進(jìn)入運(yùn)營(yíng)階段后調(diào)整優(yōu)化的可能性極低;由技術(shù)改造、大部件維修、備品備件與耗材、技術(shù)服務(wù)等構(gòu)成的生產(chǎn)運(yùn)維成本,以及人工成本,在項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)階段具備調(diào)整優(yōu)化的空間。
數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)電場(chǎng)資產(chǎn)管理的核心理念是通過(guò)調(diào)整優(yōu)化生產(chǎn)運(yùn)維成本與人工成本的投入,挖掘風(fēng)電場(chǎng)的損失電量,以達(dá)到運(yùn)營(yíng)階段投入產(chǎn)出比的最大化。具體實(shí)踐上,通過(guò)數(shù)字化技術(shù)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,對(duì)造成風(fēng)電場(chǎng)損失電量的原因及其對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失進(jìn)行量化測(cè)算,對(duì)比不同解決方案、成本投入情況下可挖潛的損失電量,選擇經(jīng)濟(jì)性最佳的解決方案,并通過(guò)基于量化分析的后評(píng)估檢驗(yàn)其是否達(dá)到預(yù)期。
實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)電場(chǎng)資產(chǎn)管理方法應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備檢查驗(yàn)收、技術(shù)改造方案優(yōu)化等業(yè)務(wù)場(chǎng)景中,可以通過(guò)合理的成本投入有效降低風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)階段的LCOE。下文對(duì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)電場(chǎng)資產(chǎn)管理方法在不同應(yīng)用場(chǎng)景下應(yīng)用的2個(gè)典型案例進(jìn)行具體闡述。
某風(fēng)電場(chǎng)裝有33臺(tái)單機(jī)容量為1500 kW的風(fēng)電機(jī)組,于2014年底并網(wǎng)發(fā)電。為檢查驗(yàn)收該風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),在2020年風(fēng)電機(jī)組設(shè)備出質(zhì)保前,采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)電場(chǎng)資產(chǎn)管理方法分析了全場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備存在的主要問(wèn)題,并通過(guò)有針對(duì)性的技術(shù)改造和變槳控制策略調(diào)整,減少了風(fēng)電機(jī)組故障停機(jī)頻次和時(shí)長(zhǎng),優(yōu)化了風(fēng)電機(jī)組功率曲線,每年減少電量損失約700萬(wàn)kWh,有效降低了風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)階段的LCOE。
通過(guò)對(duì)全場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備20個(gè)月內(nèi)故障停機(jī)頻次和時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn),變槳系統(tǒng)故障、變流器系統(tǒng)故障及發(fā)電機(jī)系統(tǒng)故障在全場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組中普遍存在,且3類故障導(dǎo)致的停機(jī)頻次和停機(jī)時(shí)長(zhǎng)均約占到全場(chǎng)累計(jì)值的80%(如圖2~圖4所示),是造成風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量損失的關(guān)鍵因素之一。通過(guò)對(duì)故障原因的進(jìn)一步分析,鎖定了變槳通信滑環(huán)、變流器定子接觸器及發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)扇3個(gè)具體故障點(diǎn)位。針對(duì)上述故障點(diǎn)位開(kāi)展技術(shù)改造,大幅減少了全場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的故障停機(jī)頻次和時(shí)長(zhǎng),降低了人工成本投入,提升了全場(chǎng)發(fā)電量。
圖2 按風(fēng)電機(jī)組統(tǒng)計(jì)的故障停機(jī)頻次和時(shí)長(zhǎng)Fig.2 Frequency and duration of failure shutolown counted by wind turbines
圖3 按故障類型統(tǒng)計(jì)的故障停機(jī)頻次Fig.3 Frequency of failure shutdown counted by fault types
圖4 按故障類型統(tǒng)計(jì)的故障停機(jī)時(shí)長(zhǎng)Fig.4 Duration of failure shutdown counted by fault types
全場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備20個(gè)月內(nèi)采用變槳控制策略優(yōu)化前的典型功率曲線如圖5所示。
圖5 變槳控制策略優(yōu)化前風(fēng)電機(jī)組的典型功率曲線Fig.5 Typical power curve before pitch control strategy optimization of wind turbines
經(jīng)分析發(fā)現(xiàn):全場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的功率曲線普遍存在異常,10 min平均風(fēng)速為10 m/s及以上的情況下,風(fēng)電機(jī)組無(wú)法穩(wěn)定保持在額定功率。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘,風(fēng)電機(jī)組各硬件設(shè)備無(wú)異常,進(jìn)一步檢查風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng),判斷變槳控制策略存在缺陷。通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組變槳控制策略進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化,解決了其功率曲線異常的問(wèn)題,在投入部分人工成本進(jìn)行變槳控制參數(shù)調(diào)整的情況下,使全場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組在高風(fēng)速條件下的發(fā)電性能恢復(fù)到正常狀態(tài),大幅提升了風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量。
某風(fēng)電場(chǎng)裝有30臺(tái)單機(jī)容量為1500 kW的風(fēng)電機(jī)組,于2006年并網(wǎng)發(fā)電。近年來(lái),風(fēng)電機(jī)組頻報(bào)齒輪箱油溫高的故障,檢查發(fā)現(xiàn),部分齒輪箱散熱器堵塞嚴(yán)重,加之風(fēng)電機(jī)組投運(yùn)時(shí)間已接近15年,因此,該風(fēng)電場(chǎng)提出針對(duì)全場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組開(kāi)展更換大功率散熱器的技術(shù)改造方案。通過(guò)調(diào)取風(fēng)電機(jī)組SCADA、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等平臺(tái)數(shù)據(jù),采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)電場(chǎng)資產(chǎn)管理方法優(yōu)化技術(shù)改造方案,對(duì)6個(gè)月全場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組因齒輪箱高溫故障造成的發(fā)電量損失進(jìn)行了準(zhǔn)確測(cè)算,結(jié)果如圖6所示。依據(jù)測(cè)算結(jié)果優(yōu)化了技術(shù)改造方案,減少了技術(shù)改造涉及的風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù),從而節(jié)約技術(shù)改造投入約175萬(wàn)元。
圖6 各風(fēng)電機(jī)組因齒輪箱高溫故障造成的發(fā)電量損失情況Fig.6 Loss of power generation of each wind turbine caused by high temperature fault of gearbox
通過(guò)對(duì)圖6的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn):全場(chǎng)共有9臺(tái)風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)過(guò)齒輪箱高溫故障,造成的損失電量共計(jì)93萬(wàn)kWh。深入分析發(fā)現(xiàn):損失電量最多的5臺(tái)風(fēng)電機(jī)組總損失電量為87萬(wàn)kWh,占全場(chǎng)因齒輪箱高溫故障導(dǎo)致?lián)p失電量的93.5%。通過(guò)優(yōu)化技術(shù)改造方案,對(duì)損失電量最多的5臺(tái)風(fēng)電機(jī)組開(kāi)展更換大功率散熱器的技術(shù)改造,對(duì)其他風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行散熱器清洗,從而節(jié)約了技術(shù)改造投入,解決了風(fēng)電場(chǎng)故障問(wèn)題,同時(shí)有效控制了風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)階段LCOE的增加。
本文提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)電場(chǎng)資產(chǎn)管理方法,該方法是數(shù)字化理念、數(shù)字化技術(shù)與傳統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)管理經(jīng)驗(yàn)相融合的風(fēng)電場(chǎng)新型運(yùn)營(yíng)方法,在風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備檢查驗(yàn)收、技術(shù)改造方案優(yōu)化等領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。基于風(fēng)電行業(yè)良好的信息化基礎(chǔ),隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展,發(fā)電設(shè)備故障預(yù)警、設(shè)備異常識(shí)別等技術(shù)將更多應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)資產(chǎn)管理領(lǐng)域,數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)電場(chǎng)資產(chǎn)管理方法將更加豐富、高效,并將創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。