海上風電場的風機安裝與維護策略

中能建華南電力裝備有限公司 余金峰

海上風電因其在高效能源產出和空間使用上的優勢，已經在一些國家被視為實現清潔能源目標的關鍵。但與此同時，海上風電場的建設和運營也帶來了諸多技術挑戰，尤其是在風機的安裝和維護方面。這些挑戰不僅涉及技術問題，還有經濟和環境的考量。

1 海上風電場概述

海上風電場是指在近?；蛏詈^域設置的風力發電設施，利用海洋上相對穩定和持續的風速來產生電能。與陸地風電相比，海上風電場因其特有的地理位置，通?？梢垣@得更高的風速和更為連續的風力資源，從而實現更高的能量捕獲效率。然而，該技術也面臨著海洋環境的挑戰，如鹽霧腐蝕、海浪沖擊和臺風威脅，這些因素使得海上風電場的設計、安裝和維護都比陸地風電場更為復雜和具有挑戰性。

2 風機安裝策略

2.1 選址與基礎設計

在海上風電場的風機安裝策略中，選址與基礎設計是關鍵環節。首先，進行選址時需要考慮風資源的充足性、水深、海底地質條件，以及與陸地電網的距離和連接可行性。經過綜合評估后選擇的合適位置，將直接影響后續風機的功效和投資回報率。其次，在基礎設計方面，必須考慮到海洋環境中的各種挑戰，如海流、波浪、鹽霧腐蝕等。目前，常見的基礎結構有單樁基礎、重力式基礎和夾層基礎等，其選擇取決于海底地質和水深。在確保穩固性的同時，基礎設計還需考慮施工的可行性和經濟性，以及對海洋生態環境的影響。這一環節要求工程師準確分析風機荷載，確保風機在各種惡劣環境下的穩定性，同時要兼顧項目的整體經濟效益（如圖1所示）。

圖1 海上風電場風機安裝流程

2.2 安裝設備與方法

2.2.1 浮吊與船舶選擇

選擇合適的浮吊和船舶是風機安裝中較為關鍵的一步。浮吊需要有足夠的起重能力來承載風機組件的重量，特別是主軸、葉片和機艙。此外，考慮到海上環境的挑戰，如風速和波浪，浮吊應該有良好的穩定性和可靠性。同時，根據不同的風電場地點和深度，浮吊的操作深度也需要進行選擇[1]。為了在海上風電場進行風機安裝，需要特殊的船舶，如安裝船或風電安裝平臺。這些船舶通常配備有強大的起重機、穩定系統和大量的儲存空間，其設計應確保風機部件在運輸和安裝過程中不受損害。

2.2.2 動態定位系統

動態定位系統（DPS）是一個由電腦控制的先進系統，主要利用船舶的推進器自動維護其位置和航向。在海上風電場風機安裝過程中，DPS 的作用不可或缺。考慮到風機的龐大尺寸和對安裝的高精度要求，該系統確保船舶即使在強風和大浪的環境中也能保持穩定的位置。此外，海上的變化性環境意味著船舶的不穩定可能導致安全隱患，而DPS 為船舶、設備和操作人員提供了一個額外的安全保障。更重要的是，通過DPS 風機組件可以被快速且準確地定位和安裝，從而大大提高了安裝效率，減少了時間和成本。

2.3 環境因素考量

在海上風電場風機安裝中，環境因素起著決定性的作用。海流、潮汐、風速和風向可以顯著影響船的穩定性、吊裝作業和定位精度。同時，波浪高度對于精確的設備放置和安全都有直接的影響。海底的地形和土壤條件則決定了最佳的基礎設計方式。另外，生態系統和海洋生物也需要納入考量，以確保項目的生態友好性。加上氣候變化帶來的潛在威脅，如海平面上升和極端天氣，對風機的設計和安裝都提出了額外的要求。因此，在整個安裝過程中，這些環境因素必須得到全面地考慮和綜合評估，以確保風電項目的長期成功和穩定。

3 風機維護策略

3.1 常規維護與檢測

3.1.1 定期檢查

為確保海上風電場的持續穩定與高效運行，執行精確的維護與檢測體系至關重要。風機在長時間運行中可能會受到磨損或損壞，因此定期檢查成為維護的核心環節。這些檢查包括外部的視覺檢查，可以通過人工或無人機來識別葉片或塔筒的潛在損傷；風機輸出的性能監測，如功率、轉速和振動數據，幫助及時發現性能問題；對風機內部電氣、機械和液壓系統的細致審查，確保其正常運作；以及根據需要進行的潤滑和部件更換[2]。以上綜合性定期檢查不僅可以預防未來的故障，還能確保風機始終保持在最佳狀態，最大化其運行效率和投資回報。

3.1.2 使用先進傳感器技術

在海上風電場中，先進的傳感器技術對于風機的實時監控和維護非常關鍵。這些傳感器持續、準確地收集數據，為潛在故障或低效運行提前發出預警。振動傳感器可以實時監測齒輪箱、軸承等關鍵部件的狀態；熱成像傳感器檢測部件的溫度變化；聲學傳感器定位異常噪聲，而光學傳感器則能發現葉片上的微裂紋。這些實時數據被發送到控制中心，并通過數據分析和機器學習進行解析，提供對風機的詳細洞察。借助這些技術，維護團隊能快速、準確地診斷問題，優化維護計劃，確保風電場高效運行，實現最大經濟效益。

3.2 異常監測與診斷

3.2.1 條件監測系統

條件監測系統（CMS）在風機維護中扮演著關鍵角色，其通過持續收集、分析風機各部件數據來預測和識別故障的早期跡象。這一系統依賴于各種傳感器，如振動、溫度和聲學傳感器，這些傳感器安裝在風機的關鍵部位，如齒輪箱和主軸承。傳感器收集的數據被傳輸到數據處理中心，并進行預處理和過濾以確保數據質量。然后，利用高級數據分析方法，如傅里葉變換和神經網絡，來識別和解釋潛在異?；蜃兓厔?。與此同時，CMS 可以與如SCADA 這樣的系統集成，獲得風機的運行和環境數據，從而進一步提高故障檢測的準確性。

3.2.2 數據分析與診斷

在風機維護策略中，數據分析與診斷是對風機運行狀態的深入洞察，旨在從海量的傳感器數據中提取有意義的信息來預測和診斷潛在的故障。如圖2所示，數據分析首先涉及對原始數據進行預處理，這包括去噪、標準化和特征工程，確保數據的質量和適用性。一旦完成這些步驟，高級的分析技術如統計建模、時間序列分析和機器學習模型被應用于數據集，以識別異常模式和潛在的故障跡象。

圖2 數據分析與診斷流程

診斷步驟更進一步，其使用已識別的異常模式，結合風機的工作原理、歷史數據和領域專家的知識，確定具體的故障原因。例如，一種特定的振動模式可能會被識別為齒輪箱的早期磨損跡象。為了增強診斷的準確性，可以使用深度學習和神經網絡模型，這些模型能夠學習和識別復雜的非線性關系和模式[3]。

最終，數據分析和診斷的結果被用作風機維護的決策基礎，幫助維護團隊優先考慮需要緊急干預的風機，避免潛在的昂貴停機時間。同時，長期的數據收集和分析還可以幫助運營商理解風機的使用壽命和性能趨勢，為未來的維護和風機更換提供策略性指導。

3.3 維護作業與流程優化

在海上風電場中，維護作業的規劃和執行對風機的持續運行和總體經濟效益至關重要。針對維護作業，流程優化旨在通過科學、高效和經濟的方法確保風機的長期性能和可靠性。首先，基于歷史數據和條件監測系統的輸出，制定預測性維護計劃，從而在出現初步故障跡象之前進行維護，減少突發停機事件。其次，借助先進的模擬技術，如數字孿生，能夠在虛擬環境中模擬風機的實際操作，提供有關可能故障和其影響的早期警告。此外，考慮到海上環境的特殊性，優化維護團隊的調度和物流策略也是至關重要的，這可以確保即使在惡劣天氣條件下也能進行安全和有效地維護[4]。最后，持續的流程回顧和改進機制確保維護策略隨時間演進，以適應新的技術、方法和市場需求。

4 案例研究

4.1 海上風電場項目介紹

某海上風電場項目位于南海海域，距離岸邊約30km，總裝機容量為500MW，包含80臺風機。每臺風機的額定功率為6.25MW，塔筒總高度為105m，葉片長度為75m。該項目采用了先進的浮式基礎設計，以應對深水和變化的海洋條件。為了最大化風能捕獲，項目采用了一種特定的布局設計，充分考慮了風機之間的間距和風向。為支持該項目，還建有一個海上變電站，該站不僅負責將風機產生的電能轉換為合適的電壓并傳輸到陸地，還為風電場提供了必要的維護和監控設施。

4.2 安裝與維護中的實際挑戰

該海上風電場項目在安裝和維護過程中面臨了眾多實際挑戰。首先，由于項目距離岸邊30km，使得物流和人員的運輸變得復雜且成本較高。其次，變化多端的海洋環境，如強風、巨浪和海流，給風機的安裝和維修工作帶來了較大困難。特別是在惡劣天氣條件下，作業風險極高，可能導致工程延期和成本超支。此外，風機的龐大尺寸要求特制的安裝工具和設備，而浮式基礎設計則需要精準地錨定和定位技術以確保穩固。在維護方面，由于海上環境對設備的腐蝕作用，風機部件的耐用性和可靠性成為首要考慮的問題，這也意味著維護工作需要更高的頻率和更為嚴格的標準。

4.3 解決措施

為應對海上風電場安裝與維護的實際挑戰，一系列綜合解決措施被采納。首先，采用高度自動化和遙控技術減少人工操作的需求，降低風險并提高作業效率。其次，使用專為海洋環境設計的防腐材料和先進的保護技術，確保風機和其他關鍵組件能夠抵抗海水和鹽霧的侵蝕。為了確保設備的穩定安裝，引入精準的地理信息系統和動態定位技術來實時監控和調整風機的位置。在維護方面，借助物聯網技術和傳感器，建立實時監控系統，及時檢測并預警潛在的故障，從而快速響應并減少停機時間。

5 結語

本文針對海上風電安裝與維護的挑戰提出策略，并通過案例研究展示策略的實際應用與成果。采取針對性的策略，對于確保風電場的持續、穩定運行至關重要。