海上風電場運行維護的研究與發展

鄭小霞，葉聰杰，符楊

（上海電力學院電力與自動化工程學院，上海 200090）

風電是目前世界上發展速度最快、最具競爭力的可再生能源，與陸地相比，海上風能資源風速更大、湍流度更低，風向更穩定、對環境影響較小，且海上風電場往往靠近能源需求較大的沿海發達城市，海面可利用面積廣闊，不占用土地等的優勢，已逐漸成為未來風電發展的必然趨勢[1-2]。根據“十二五”可再生能源規劃，到2015年我國風電總并網裝機容量將達到1億kW，海上風電累計裝機量500萬kW，規劃到2020年海上風電裝機將達到3000萬kW，海上風電將重點分布在江蘇、山東、上海、浙江、福建和廣東等沿海區域[3-4]。但由于海上風電機組面臨潮汐、臺風、氣流和閃電等惡劣環境，機組容易出現故障且維修較陸上而言難度大，費用高，特別在海況惡劣時，維修人員難以接近，故障無法排除，使得海上風電場的運行維護成本較高。我國海上風電才剛剛起步，缺乏風電場運行維護管理經驗，這些都將無形地增加運營成本。

本文在總結海上風電機組主要部件故障的基礎上，對比了定期維護、停機維護和狀態監測3種維護方案的優缺點，介紹了國內外海上風電場運行維護管理的現狀，并對影響海上風電場運行維護成本的主要因素進行了分析。最后結合我國現狀探討了海上風電場運行維護的發展趨勢。

1 海上風電機組主要部件的故障

海上風電場運行階段會產生很多問題，主要是設備的故障率較高，以發電機、齒輪箱、機械傳動系統、葉片和控制系統等最為常見。

發電機通過轉子的旋轉將機械能轉化為電能，是風力發電機組的關鍵部分。對發電機的機械故障可以通過對發電機的電壓、電流以及對功率的穩定功率譜分析或對發電機的軸承等部位的故障進行監測來進行。對于發電機的特定故障類型，如轉子角誤差、軸承故障、定子匝間短路等故障，國內外也有相應的研究[5]。

從故障引發的停機時間、維護成本以及是否會造成后續故障等角度分析，齒輪箱、機械傳動系統的狀態監測與故障預警也很重要[6]。齒輪箱的高速軸承、中間軸承都可能發生損壞，齒輪猝火問題造成強度不足，也會導致輪齒的斷裂。另外，由于海上風電場所處的環境的特殊性，更需進一步考慮齒輪箱等發熱部件的冷卻方式問題，注意其所需的防腐蝕技術和防鹽霧技術。

由于海上風電機組中的葉片是機組中非常昂貴的部件，同時又因為它裸露在十分復雜的海上環境中，受到由近海風力帶來的氣動載荷、涌浪和潮汐通過基礎和塔架傳遞給葉片的振動疲勞載荷影響，特別是海上鹽霧、高濕熱以及陣風的影響，也十分容易受到損壞，并且海上風機尺寸增大明顯加大了風機遭雷擊的危險，從而產生巨大的損失。現在海上風電的葉片監測主要是針對葉片的防腐、防雷、結冰情況，裂紋、斷層等機械故障，以及異常聲音和排水孔的監測[7]。

風機的控制系統僅占一個風機成本的1%，但是卻有13%的故障和其有關，海上風電場由于在天氣或工具等情況下可能無法到達進行維護，對穩定性的要求也更高，對風機控制系統的要求也相對更高。控制系統按主要故障有被控對象故障、傳感器故障、執行器故障及計算機接口故障等。現在的控制系統故障診斷方法研究最多的是基于解析冗余的，并多采用軟件冗余方法[8]。

海上變壓器也是頻繁出現故障之處，故障的原因有多種因素，大部分是由于變壓器耐鹽霧腐蝕性能差，受海上氣浪沖擊或海水侵入而出現問題。變壓器與機組主開關之間的電纜電纜，由于其彎曲度過小，長期處于疲勞狀態，導致電纜端部套管損壞和絕緣損壞，發生熱冒煙事故[9]。

2 海上風電機組的運行維護方案

現有的海上風力機組運行與維護（O&M）主要包括定期維護（檢察、清潔等）、停機維護（某種程度的故障檢修，如手動重啟或更換主要部件）和狀態監測3種維護方案[10]。定期維護需對機組及其零部件進行周期性的檢查，比如風機聯接件之間的螺栓力矩檢查（包括電氣連接），各傳動部件之間的潤滑和各項功能測試等。其優點為：停機幾率較小，維護可有計劃地執行，且配件的補給比較方便。采用定期維護方案，若設備已處于疲勞和磨損狀態，但需到周期時才能進行更換。也存在使用壽命還未用盡，或經過維修后還可繼續使用的設備，卻被更換的現象，造成不必要的浪費。此外，載重機和維修人員費用占的比例較大。路程較遠，配件、部件及工作人員的輸送費用也非常高，頻繁地往返風電場需要巨額資金。此外，受天氣影響較大，定期維護不適用于海上風電。

當系統設備發生重大故障導致停機或一些小型的機械或電氣元件有故障（比如電流短路或者開關跳閘等）導致風電場停機時，需要配備專門船只、船員和技術人員赴現場進行停機檢修。如果是齒輪箱等大部件發生故障，還需要動用大型浮吊進行更換，單次吊裝費用高達200多萬元，且造成長時間停機，發電量損失很大。停機檢修缺點為：發生大故障的風險較大，停機檢修所需時間長；不能按計劃進行維修；配件供給比較復雜，需要很長的供應時間。此外，受天氣影響，運行人員對風電機組及時維修的可能性較低，停機加長，發電損失巨大。因而，對于近海風電場而言，停機維修方案是不可行的。

狀態監測是對風電機組主要設備進行實時監測，對各種設備反饋的信號進行實時分析，若發現故障信號，則及時處理。因此，保障設備在限定的疲勞和磨損范圍內工作，一旦達到極限就會被更換。狀態檢測的優點為：部件能最大限度的被利用，停機概率較低，檢修方案可計劃執行，部件供給比較方便。此外，狀態監測可發現極端外部條件下，如因結冰或者海浪導致的風機塔筒振動等，從而可觸發風電機組產生控制保護，避免產生重大損壞。缺點為對部件的剩余使用壽命要有可靠的信息；對狀態檢修的軟硬件要求較高。目前的狀態監測已經從過去的糾錯性維護向預測性維護方向發展。

圖1為3種維護方案的對比圖[11]，橫坐標為維護時間，縱坐標為風電機組狀態。從圖1可看出，定期維護使風電機組的設備狀態一直保持良好狀態。狀態檢修則利用信號處理技術，只有當零部件將要出現故障時才進行維修，因而周期比定期維護的長，但可充分利用設備資源，浪費較小。停機檢修則當系統處于故障后才進行檢修，危險性較大。綜上所述，海上風電機組采用在線維護比較可行。

圖1 三種維護方案對比Fig.1 The comparison of three maintenance schemes

3 海上風電場運行維護管理的現狀

歐洲海上風電項目開發始于20世紀90年代，1991年，世界上第一個海上風電場建于丹麥波羅的海的洛蘭島西北沿海的Vindeby附近，裝機容量為5 MW，隨后，荷蘭、丹麥和瑞典陸續建成了一批海上風電示范工程項目[12]，這些項目的建設和運行為海上風電場的建設、運行和維護積累了豐富的經驗，有專門的海上運行維護船的建造企業，建立了多種海上風電運維管理模型，有專門的咨詢公司給予指導。通過優化運維模式、加強運維管理水平，對提高海上風電機組的可利用率有很大的潛力，這也是為什么歐洲海上風電場一直十分重視運維管理研究的主要原因。

我國海上風電開發還處于起步階段，2007年11月8日，中海油在距離陸地約70 km的渤海灣建成我國第一個海上風電站——中海油綏中36-1風電站，隨后上海東海大橋海上風電場、江蘇如東30 MW海上試驗風電場、江蘇如東150 MW潮間帶風電場一期示范工程陸續建成并投入運行。目前我國海上風電場運行維護管理經驗缺乏，運維困難，運維費用高，已投入商業運行的海上風電場主要的運維模式有出質保后仍由整機廠家負責、由風電場運維人員負責或交由市場上第三方專業公司負責幾種，由整機廠家負責運行維護費用較高且風電場運行商沒有自己的維護技術人員儲備，容易受制于人；由風電場運維人員負責可以培養鍛煉風電場運維相關人員，運行維護費用較低，但由于相關運行維護人員技術水平較低無法保證風電機組的可利用率；而由第三方維護的費用介于兩者之間，可以通過第三方服務公司經過培訓的專業技術人員來保證運維質量和風電機組的可利用率。針對我國海上風電場灘涂和淺水海床多等特點，探索科學、合理、高效、可行的運行維護管理模式，是大規模開發海上風電急需研究的課題。

4 影響海上風電場運維成本的因素

4.1 機組的可靠性

根據歐洲運行經驗，海上風電機組中齒輪箱和發電機故障率較高。相比陸上機組，海上機組的設計和制造并不成熟，現有的海上機組往往是根據海上風況將陸上風電機組的靜態或動態負載成比例放大改造而成的，因而未必是真正適合海洋環境的機組，而在海上環境中必須能忍受在波浪和風的雙重載荷中長期持續的運行、機組剛啟動時扭矩的快速變化和周圍的鹽霧腐蝕等對機組的影響。這些環境條件會導致海上風電機組部件故障率的上升，使得安裝、運行和維護成本相對陸上機組要高出許多。因此，提高機組的可靠性可提高風機的可利用率，降低運行維護成本。

4.2 可利用率高，代價大

與陸上風電相比，海上風電風機的可利用率較低，尤其國內海上風電開發剛起步，基本使用國產樣機，機組運行試驗周期短，沒有很好的試驗和論證，面對復雜惡劣的海上環境，風機的故障率居高不下。在風機保質期內，整機廠商往往通過采取人海戰術配置龐大維護人員，及時處理故障，以維持合同約定的風機可利用率，實際上代價是很大的，然而出質保后，對于運行商而言，也需要相應規模的運維技術力量投入，才能保持高可用率，否則可利用率會明顯降低。

4.3 風電場的可及性

海上風電場的可及性是在保證在經濟和安全上可接受的天氣狀況下，將維護人員和配件運抵機組現場，安全到達機艙對風電機組進行檢修或維護。目前所提出的可用交通工具有很多，包括直升機、專用船舶、氣墊船、水陸兩棲車和拖拉機等，但要結合海上風電場的海況、海上風電場離維護基地的距離、天氣情況以及經濟因素等方面來綜合考慮。就我國而言，目前海上風電開發的主戰場在江蘇沿海，而江蘇沿海寬闊的灘涂及淺水海床，既有臺風等惡劣工況，又有大幅淺灘，使運維通達更為困難。當齒輪箱、發電機或完整機艙等大部件發生故障時，還必需一艘起重船以保證大部件的維護和更換，而且當故障發生時，天氣也要剛好適合。但準備這樣的起重駁船對于以運維為目標的工作而言成本來說價格高昂，所以要綜合考慮使用設備費用和停機造成的發電損失以選擇合適的通達方式，保證總成本最低。

4.4 供應鏈

與飛機檢修和維護的產業供應鏈相比，海上風電機組的供應鏈成熟度相差甚遠[13-14]，在風電機組出現故障時，損壞的零部件和相關材料未必能確保準時供貨。目前海上風電場的備品備件管理模式主要有：主機廠家建立備件庫存模式、發電企業自建備件庫存模式以及第三方集中庫存聯儲模式3種。海上風電場的運營商試圖在靠近風電場的岸上庫存足夠的零部件以備替換之需，也可結合海上風電特點，海陸分庫存放，但考慮到海上的鹽霧、濕度、溫度等的腐蝕影響，備品備件庫和風電場的距離又有一定的要求。同時有必要借助供貨渠道優勢，降低關鍵零部件的采購價格，如果能使機組原始設備制造商們按照定價合約提供所有的支持方案，將會使得運行維護成本更合理化。

5 海上風電場運行維護的發展

5.1 建立海上風電場成本模型和運維優化策略

隨著未來海上風電場離岸距離和海水深度的增加，安裝和運行維護成本都會上升。若能根據風力機的尺寸和可靠性，選擇抵達風電場和維護風電場的方法，通過離岸距離，水深，風電場規模，風/浪等氣候條件等因素建立海上風電場成本模型，可對海上風電場的運行維護提供指導。荷蘭的Delft技術大學和ECN Wind Energy已經針對500 MW的荷蘭海上風能轉換器為案例建立了海上風電場成本的建模。GARRAD HASSAN公司開發的運行維護優化分析工具02M，可以預計海上風電場的可利用率，優化運維策略。針對我國海上風電場建立相應的成本模型和運行維護優化策略，是有效降低運行維護成本的必要手段和發展趨勢。

5.2 利用激光雷達等實現后維護

激光雷達是目前較為成熟的一種遙感技術，它是通過發射脈沖光束，來測量氣象、海浪、潮汐、風速和風向等風電產業需要的數據，可被用于海上風電場的風能資源的評估和運行維護，特別是在功率曲線驗證和尾流監測方面，可對風機功率表現實現快速評估和診斷，從而降低運行維護成本。

5.3 建立風電場遠程運營新模式

目前我國海上風電場在大量規劃和建設，而帶來的問題是高水平運行運維人員相對缺乏，若能借助遠程運營模式，利用采集到的振動監測運行數據，實時診斷分析風電機組的運行狀況，實現設備異常分析及劣化監視報警燈功能，或由公司總部的技術人員為現場故障提供解決方案，制定各種預防性維護策略，可大大減少運行維護的資金和人力投入。

6 結論

我國海上風電才剛剛起步，缺乏風電場運行維護管理經驗，這些都將無形的增加海上風電場的運營成本。結合我國海上風電場的實際，通過優化運維模式，加強運維管理水平，并借鑒國外成功的運營經驗，一定能更好利用海上風能資源，實現我國海上風電產業的崛起。

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