海上風電運維技術現狀及技術發展趨勢

大唐山東發電有限公司新能源分公司 宋金鑫

1 引言

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

2 海上風電運維現狀

當前，我國海上風電工程的運行生命周期是25年，其運行方式為：前5年內由全機企業進行技術運維工作，后20年內則需業主的技術運維提供商進行運維管理支持。當前，海洋風能開發的運行成本相對較高，一般為陸上風能發電工程的運行成本的2倍左右，這主要是由于海洋環境特殊的特點，設備在高鹽霧、高溫潮濕的環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。海上風電設備的安全性還未能得到足夠的證明，運維技術的主體如整機制造商、技術運維企業和開發商技術隊伍的專業化尚有待提升。經統計，我國的海上風電機組的數量比較少，所以這類項目的經驗比較缺乏。海上風電機組的產品設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電機組的運行環境因素，且沒有對海上風機樣機進行充分的驗證，從而導致在海上風電機組投入運維后，出現了較多的故障，這也加大了運維成本。海上風電技術應用如圖1所示。

圖1 海上風電技術應用

3 我國發展海上風電存在的問題

3.1 缺少充分的技術支持

海上風力發電與陸地風力發電相比，在技術、成本等方面有較大的差異，對于海上風電場的建設、運維、維護和應用，還沒有形成一整套完整的經驗，迫切需要建立起海上風力發電建設的技術規范體系。在沒有充分的技術支持的情況下，大規模開發海上風力發電是不可能實現的，而且存在著很大的風險。這就要求在大規模啟動海上風電市場之前，國家要構建出一套比較健全的技術支撐體系，投入一定的資金用于海上風電技術的研究，并對近海風資源、環境條件進行分析，以及適合我國風資源的海上風電機組和近海風電場建設等方面的關鍵技術進行研究。

3.2 風電機組控制系統技術基礎薄弱

風電機組控制系統是風電機組的一個重要組成部分，肩負著對風電機組進行監控，進行自動調節，實現最大風能捕獲，并確保良好的電網兼容性，其主要由監控系統、主控系統、變槳控制系統以及變頻系統等組成。此外，由于風電機組的工作環境比較復雜，因此，控制系統必須與風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，即使能夠研制出樣機也很難證實。由于海洋環境較為復雜，這就需要對風機的控制系統進行高精度的設計，我國目前還沒有建立起完全自主的海洋風電機組控制系統。

3.3 海上風電市場尚不完善

我國有著大量的海洋風電資產，無論政府部門還是企業，對開發海洋風能都顯示出了很大的積極性。但是，當前海洋風能技術的不成熟性，也造成了海洋風能技術的不完善。大面積發展的近海風力發電技術依然面臨著很大挑戰。風力發電設備廠商內部也存在著競爭，這不僅會對投資者造成很大的投資風險，還會對我國風力發電產業的發展產生一定的影響。在海上風力發電領域，若不能在短時間內形成一個成熟的市場，就很難實現規模化的目標。

3.4 電網的限制

雖然在我國，風電裝機容量已經有了很大的發展，但是，在當前，由于我國風電場并網的前期工作還沒有標準化，因此風力發電項目還沒有納入國家電網建設計劃之中，而且，還缺乏一系列必要的管理辦法和操作規程，來保證大規模風力的可靠輸送和電網的安全穩定運行[1]。

4 海上風電運維管理的核心內容

針對海上風力發電運行中所呈現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，需要明確海上風電運維管理的核心內容，并采取精細化管理方式來海上風電運維工作的高效發展。

4.1 臺賬管理

在海上風電運維管理上，通過構建臺賬管理機制，并運用網絡臺賬、軟件臺賬系統、批量運行臺賬和缺陷控制臺賬系統等手段，以完成對海洋風電設備中各個裝置工作情況的有效把控。通過臺賬查詢，就可以在掌握設備運行狀況的同時，掌握各種裝置的運行數據資料，以便通過這些數據資料，制定設備修理計劃，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，能夠充分規劃出海維修的時間，并且根據天氣預測、數據統計等數值，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，在制訂年度規劃的時候，要保證各方面的工作重點能夠有效地結合起來，保證風力發電機的平穩運轉；利用專業的風功率預測系統，進行中短期預測，進行功率預測；利用風塔的資料來了解風力發電機的轉速與波浪的變化規律，從而達到對風力發電機的平穩運轉的目的。

4.3 安全管理

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

4.4 體系管理

要想保證海上風電機組的運維質量，并且能夠降低運維成本，不但要選擇使用經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量管理體系的構建，及時地發現風電機組中存在的問題，從源頭和設計上解決并加快產品的迭代升級速度。此外，要根據對海上風電運維經驗的總結，制定出一套統一的運維作業標準。

4.5 海上風電智慧運維平臺

該平臺在運營過程中，利用人工智能、大數據等技術，實現對系統運行的數據分析、診斷、預報，并將其排除在萌芽狀態，減少系統失效帶來的電力損耗和維護費用。能夠對葉片、變速箱等重要零部件進行智能診斷，為預見性維修提供了可能；可以通過大數據分析技術，實現偏航、機組減容預警等功能，從而可以對機組的運行狀況進行實時的把握，從而提高發電量。在此基礎上，開發出包括入侵船舶管理、維護窗口期預報等在內的智能管理功能，保證了船舶的安全運行，提高工作效率。華能海上風電智慧運維平臺如圖2所示。

圖2 華能海上風電智慧運維平臺

5 海上風電技術發展趨勢

5.1 機組功率容量趨向大型化

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

5.2 碳纖維葉片逐步成為必要選擇

海洋風力發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。玻纖在大塑性復面板材料刀片生產中，其性能上的缺陷已逐步暴露出來。為確保葉片在風荷載作用下不與塔發生碰撞，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化設計

在陸上風力發電機組的設計中，降噪是一個值得重視的問題。但是，海上風力發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勢進行優化，高翼尖速度、小槳葉面積將會對風電機組的結構和傳動系統產生一定的影響。

5.4 變槳速風機成為主流技術

采用高翼尖速度槳形葉片的結構，可以有效地提高風扇的起動風速，同時也增加了空氣動力的損耗。利用變螺距的設計方法，可以較好地解決這一難題。可保證風扇在接近額定轉速時的最高轉速運行。并且在強風條件下，將風能的利用率最大化。并且保護風電機組設備，確保其安全運轉。常規的定槳失速式風機因其風能利用率低而得到廣泛應用。

5.5 新型海上風力發電機逐步發展

選用結構簡單，效率高的發電機。直接驅動的同步環、永磁直接驅動的直接驅動電機將在海上風力發電領域獲得持續發展。在此基礎上，通過對發電機的性能進行優化，以滿足近海風力發電的需求，將是今后研究的一個新方向。

5.6 海洋環境下風機其他部件的研制

海上風力發電的龍頭開發企業都在積極地布局在深海地區的海上風力發電市場，為中期在深海地區的海上風力發電打下基礎，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，海上風力發電的發展多以浮式風力發電為基礎。在海上作業時，應考慮到在海水中、高潮汐濕度條件下，風機部件的耐蝕性能。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，使其位于下層平臺上，使其與水面保持在一定的高度。控制系統應具有岸上復位、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 結語

從全球的角度來看，在深遠海風電技術應用、風電場建設等領域，我國尚無成熟經驗。風能發展規劃的執行，經濟和法律方面存在不確定因素。對此，在海上風電運維管理工作中，應完善管理體系，技術人員應加強技術創新，優化機組選型及設計，并充分借助信息化技術的優勢，構建海上風電智慧運維平臺。由此可見，風力發電是我國新能源發展的重點，智慧運維也將成為我國今后風力發電的主要發展方向。