大唐山東發(fā)電有限公司新能源分公司 宋金鑫

1 引言

面對當(dāng)前日益嚴峻的能源危機和環(huán)境污染問題，各國都加大了對新型能源開發(fā)和利用形式的研究力度。海洋中風(fēng)力資源豐富，且無須占用陸地，環(huán)境污染少，擾動程度低，因而已成為當(dāng)前國際上爭相開發(fā)利用的熱點。隨著我國海上風(fēng)電裝機容量的持續(xù)增長，也顯現(xiàn)出了海上風(fēng)電運維成本偏高等問題。此外，隨著當(dāng)前海上風(fēng)電開發(fā)正逐步從近海走向遠海、從淺水走向深水，其規(guī)模也在持續(xù)增大，進一步加大了海上風(fēng)電的運維難度。

2 海上風(fēng)電運維現(xiàn)狀

當(dāng)前，我國海上風(fēng)電工程的運行生命周期是25年，其運行方式為：前5年內(nèi)由全機企業(yè)進行技術(shù)運維工作，后20年內(nèi)則需業(yè)主的技術(shù)運維提供商進行運維管理支持。當(dāng)前，海洋風(fēng)能開發(fā)的運行成本相對較高，一般為陸上風(fēng)能發(fā)電工程的運行成本的2倍左右，這主要是由于海洋環(huán)境特殊的特點，設(shè)備在高鹽霧、高溫潮濕的環(huán)境條件下很易遭受污染。另外，運行操作還容易受氣候因子的影響。海上風(fēng)電設(shè)備的安全性還未能得到足夠的證明，運維技術(shù)的主體如整機制造商、技術(shù)運維企業(yè)和開發(fā)商技術(shù)隊伍的專業(yè)化尚有待提升。經(jīng)統(tǒng)計，我國的海上風(fēng)電機組的數(shù)量比較少，所以這類項目的經(jīng)驗比較缺乏。海上風(fēng)電機組的產(chǎn)品設(shè)計和制造周期比較長，成本比較高，所以很容易因為沒有充分地考慮到海上風(fēng)電機組的運行環(huán)境因素，且沒有對海上風(fēng)機樣機進行充分的驗證，從而導(dǎo)致在海上風(fēng)電機組投入運維后，出現(xiàn)了較多的故障，這也加大了運維成本。海上風(fēng)電技術(shù)應(yīng)用如圖1所示。

圖1 海上風(fēng)電技術(shù)應(yīng)用

3 我國發(fā)展海上風(fēng)電存在的問題

3.1 缺少充分的技術(shù)支持

海上風(fēng)力發(fā)電與陸地風(fēng)力發(fā)電相比，在技術(shù)、成本等方面有較大的差異，對于海上風(fēng)電場的建設(shè)、運維、維護和應(yīng)用，還沒有形成一整套完整的經(jīng)驗，迫切需要建立起海上風(fēng)力發(fā)電建設(shè)的技術(shù)規(guī)范體系。在沒有充分的技術(shù)支持的情況下，大規(guī)模開發(fā)海上風(fēng)力發(fā)電是不可能實現(xiàn)的，而且存在著很大的風(fēng)險。這就要求在大規(guī)模啟動海上風(fēng)電市場之前，國家要構(gòu)建出一套比較健全的技術(shù)支撐體系，投入一定的資金用于海上風(fēng)電技術(shù)的研究，并對近海風(fēng)資源、環(huán)境條件進行分析，以及適合我國風(fēng)資源的海上風(fēng)電機組和近海風(fēng)電場建設(shè)等方面的關(guān)鍵技術(shù)進行研究。

3.2 風(fēng)電機組控制系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)薄弱

風(fēng)電機組控制系統(tǒng)是風(fēng)電機組的一個重要組成部分，肩負著對風(fēng)電機組進行監(jiān)控，進行自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，并確保良好的電網(wǎng)兼容性，其主要由監(jiān)控系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、變槳控制系統(tǒng)以及變頻系統(tǒng)等組成。此外，由于風(fēng)電機組的工作環(huán)境比較復(fù)雜，因此，控制系統(tǒng)必須與風(fēng)電機組特性有很高的契合度，因此，如果是普通的自動化企業(yè)，即使能夠研制出樣機也很難證實。由于海洋環(huán)境較為復(fù)雜，這就需要對風(fēng)機的控制系統(tǒng)進行高精度的設(shè)計，我國目前還沒有建立起完全自主的海洋風(fēng)電機組控制系統(tǒng)。

3.3 海上風(fēng)電市場尚不完善

我國有著大量的海洋風(fēng)電資產(chǎn)，無論政府部門還是企業(yè)，對開發(fā)海洋風(fēng)能都顯示出了很大的積極性。但是，當(dāng)前海洋風(fēng)能技術(shù)的不成熟性，也造成了海洋風(fēng)能技術(shù)的不完善。大面積發(fā)展的近海風(fēng)力發(fā)電技術(shù)依然面臨著很大挑戰(zhàn)。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備廠商內(nèi)部也存在著競爭，這不僅會對投資者造成很大的投資風(fēng)險，還會對我國風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生一定的影響。在海上風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，若不能在短時間內(nèi)形成一個成熟的市場，就很難實現(xiàn)規(guī)?；哪繕?biāo)。

3.4 電網(wǎng)的限制

雖然在我國，風(fēng)電裝機容量已經(jīng)有了很大的發(fā)展，但是，在當(dāng)前，由于我國風(fēng)電場并網(wǎng)的前期工作還沒有標(biāo)準化，因此風(fēng)力發(fā)電項目還沒有納入國家電網(wǎng)建設(shè)計劃之中，而且，還缺乏一系列必要的管理辦法和操作規(guī)程，來保證大規(guī)模風(fēng)力的可靠輸送和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[1]。

4 海上風(fēng)電運維管理的核心內(nèi)容

針對海上風(fēng)力發(fā)電運行中所呈現(xiàn)出的操作困難等特征，為提高其運行效率、降低其工作強度、保障其安全性和可靠性，需要明確海上風(fēng)電運維管理的核心內(nèi)容，并采取精細化管理方式來海上風(fēng)電運維工作的高效發(fā)展。

4.1 臺賬管理

在海上風(fēng)電運維管理上，通過構(gòu)建臺賬管理機制，并運用網(wǎng)絡(luò)臺賬、軟件臺賬系統(tǒng)、批量運行臺賬和缺陷控制臺賬系統(tǒng)等手段，以完成對海洋風(fēng)電設(shè)備中各個裝置工作情況的有效把控。通過臺賬查詢，就可以在掌握設(shè)備運行狀況的同時，掌握各種裝置的運行數(shù)據(jù)資料，以便通過這些數(shù)據(jù)資料，制定設(shè)備修理計劃，防止錯失最佳修理時間，減少修理疏漏等問題。

4.2 計劃管理

在海上運維管理中，通過計劃管理，能夠充分規(guī)劃出海維修的時間，并且根據(jù)天氣預(yù)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等數(shù)值，來制定短期計劃、長期的月計劃、年計劃，從而提高工作效率。例如，在制訂年度規(guī)劃的時候，要保證各方面的工作重點能夠有效地結(jié)合起來，保證風(fēng)力發(fā)電機的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)；利用專業(yè)的風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)，進行中短期預(yù)測，進行功率預(yù)測；利用風(fēng)塔的資料來了解風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與波浪的變化規(guī)律，從而達到對風(fēng)力發(fā)電機的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)的目的。

4.3 安全管理

要使安全管理真正起到應(yīng)有的作用，就必須做好工作中的危險點預(yù)控、安全設(shè)施和后勤保障，并通過檢測系統(tǒng)、ICCP 系統(tǒng)和視頻/震動監(jiān)測系統(tǒng)來確保安全管理的實施。利用海纜監(jiān)控系統(tǒng)對過往船舶進行監(jiān)控，保證了船舶在海上航行時的安全、可靠。如目前制約海上風(fēng)力發(fā)電運維管理的主要因素之一就是臺風(fēng)，既要在臺風(fēng)到來前的窗口期內(nèi)，對機組進行全面的檢測，又要對其進行實時監(jiān)測，識別出其影響的大小和范圍。同時，要加強對運維監(jiān)盤的管控，控制其風(fēng)暴模式的觸發(fā)條件，確保在臺風(fēng)過后，風(fēng)機能夠快速恢復(fù)正常。

4.4 體系管理

要想保證海上風(fēng)電機組的運維質(zhì)量，并且能夠降低運維成本，不但要選擇使用經(jīng)過長期運行驗證的海上機組，還可以通過整機廠商展開全面質(zhì)量管理體系的構(gòu)建，及時地發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機組中存在的問題，從源頭和設(shè)計上解決并加快產(chǎn)品的迭代升級速度。此外，要根據(jù)對海上風(fēng)電運維經(jīng)驗的總結(jié)，制定出一套統(tǒng)一的運維作業(yè)標(biāo)準。

4.5 海上風(fēng)電智慧運維平臺

該平臺在運營過程中，利用人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實現(xiàn)對系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)分析、診斷、預(yù)報，并將其排除在萌芽狀態(tài)，減少系統(tǒng)失效帶來的電力損耗和維護費用。能夠?qū)θ~片、變速箱等重要零部件進行智能診斷，為預(yù)見性維修提供了可能；可以通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實現(xiàn)偏航、機組減容預(yù)警等功能，從而可以對機組的運行狀況進行實時的把握，從而提高發(fā)電量。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出包括入侵船舶管理、維護窗口期預(yù)報等在內(nèi)的智能管理功能，保證了船舶的安全運行，提高工作效率。華能海上風(fēng)電智慧運維平臺如圖2所示。

圖2 華能海上風(fēng)電智慧運維平臺

5 海上風(fēng)電技術(shù)發(fā)展趨勢

5.1 機組功率容量趨向大型化

國外近海風(fēng)電機組的單機容量從20世紀九十年代的500.0～600.0kW 上升至現(xiàn)在的2.0～3.5MW。ENERCON 是世界知名的鳳凰發(fā)電機生產(chǎn)商，目前已開發(fā)出6.0MW 直接驅(qū)動的鳳凰發(fā)電機。而現(xiàn)在，很多企業(yè)都將10.0MW 的海上風(fēng)力發(fā)電機放在了自己的日程上。這一切都表明，近海風(fēng)力發(fā)電機組仍將朝著大容量的方向發(fā)展。

5.2 碳纖維葉片逐步成為必要選擇

海洋風(fēng)力發(fā)電機具有最大的單容量，其出力大小與其葉片長度的平方成比例，對其體積和質(zhì)量提出了更高的要求。因此，對刀片的加工材料，如強度、剛度等都有了新的要求。玻纖在大塑性復(fù)面板材料刀片生產(chǎn)中，其性能上的缺陷已逐步暴露出來。為確保葉片在風(fēng)荷載作用下不與塔發(fā)生碰撞，需要葉片有一定的剛性。在既減重又能保證其強度和剛度的同時，采用碳纖維推進強化是一種行之有效的方法。

5.3 高翼尖速度有利于機組優(yōu)化設(shè)計

在陸上風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計中，降噪是一個值得重視的問題。但是，海上風(fēng)力發(fā)電站離人們居住的地方很遠。就能夠更好地利用空氣動力的優(yōu)勢進行優(yōu)化，高翼尖速度、小槳葉面積將會對風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)和傳動系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響。

5.4 變槳速風(fēng)機成為主流技術(shù)

采用高翼尖速度槳形葉片的結(jié)構(gòu)，可以有效地提高風(fēng)扇的起動風(fēng)速，同時也增加了空氣動力的損耗。利用變螺距的設(shè)計方法，可以較好地解決這一難題?？杀ＷC風(fēng)扇在接近額定轉(zhuǎn)速時的最高轉(zhuǎn)速運行。并且在強風(fēng)條件下，將風(fēng)能的利用率最大化。并且保護風(fēng)電機組設(shè)備，確保其安全運轉(zhuǎn)。常規(guī)的定槳失速式風(fēng)機因其風(fēng)能利用率低而得到廣泛應(yīng)用。

5.5 新型海上風(fēng)力發(fā)電機逐步發(fā)展

選用結(jié)構(gòu)簡單，效率高的發(fā)電機。直接驅(qū)動的同步環(huán)、永磁直接驅(qū)動的直接驅(qū)動電機將在海上風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域獲得持續(xù)發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，通過對發(fā)電機的性能進行優(yōu)化，以滿足近海風(fēng)力發(fā)電的需求，將是今后研究的一個新方向。

5.6 海洋環(huán)境下風(fēng)機其他部件的研制

海上風(fēng)力發(fā)電的龍頭開發(fā)企業(yè)都在積極地布局在深海地區(qū)的海上風(fēng)力發(fā)電市場，為中期在深海地區(qū)的海上風(fēng)力發(fā)電打下基礎(chǔ)，同時也為其提供試驗示范場址的儲備。由于受到海底水深的影響，海上風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展多以浮式風(fēng)力發(fā)電為基礎(chǔ)。在海上作業(yè)時，應(yīng)考慮到在海水中、高潮汐濕度條件下，風(fēng)機部件的耐蝕性能。塔筒中有升降機和升降機的維修需求。變壓器及其他電氣裝置可以安裝在機艙內(nèi)，使其位于下層平臺上，使其與水面保持在一定的高度?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)具有岸上復(fù)位、重啟的功能，并有備用電源，同時具備冗余方案，以備必要時，將槳葉置于一個安全的停機位置。

6 結(jié)語

從全球的角度來看，在深遠海風(fēng)電技術(shù)應(yīng)用、風(fēng)電場建設(shè)等領(lǐng)域，我國尚無成熟經(jīng)驗。風(fēng)能發(fā)展規(guī)劃的執(zhí)行，經(jīng)濟和法律方面存在不確定因素。對此，在海上風(fēng)電運維管理工作中，應(yīng)完善管理體系，技術(shù)人員應(yīng)加強技術(shù)創(chuàng)新，優(yōu)化機組選型及設(shè)計，并充分借助信息化技術(shù)的優(yōu)勢，構(gòu)建海上風(fēng)電智慧運維平臺。由此可見，風(fēng)力發(fā)電是我國新能源發(fā)展的重點，智慧運維也將成為我國今后風(fēng)力發(fā)電的主要發(fā)展方向。