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海上风电运维的四大挑战和八项建议

   日期:2020-09-21     来源:风电观察    作者:傅兴元    浏览:9027    评论:0    
一、引言

风能是国内外可再生能源中发展速度最快的可再生能源,也是最具有大规模开发和商业化发展前景的可再生能源之一。随着不可再生资源的逐渐匮乏以及环境污染破坏的加剧,风能作为一种清洁性高、可持续性强、资源丰富的可再生资源已日益受到世界各国的关注和研究。截至2019年末,我国并网风电装机容量21005万千瓦,同比增长14.0%。

经过数年的发展,我国陆上风电面临建设用地资源紧张的困境。与此同时,我国海岸线长,海上风资源丰富,海上风电具有占地面积少、开发规模大、发电利用小时数高等特点,加上国家政策利好,我国海上风电开发建设渐入佳境。国家发改委可再生能源发展“十三五”规划指出:要求积极稳妥推进海上风电开发,到2020年,海上风电开工建设1000万千瓦,确保建成500万千瓦。

根据世界海上风电论坛(WFO)公布最新全球海上风电统计数据,截至2019年底,全球海上风电累计装机容量27.2GW,比2018年底的数字增长了24%,2019年,全球海上风电新增装机容量5.2GW,单年新增装机创历史新高。截至2019年底,全球共有23个在建海上风电项目,共7GW,其中13个项目在中国,全球已投运海上风电场共146个。全球共有10个已投运、在建、规划中的浮式海上风电项目(不包括示范项目),超过1GW。

综上,海上风电发展已经受到了全球的重视,发展速度越来越快。与此同时,由此衍生出来的海上风力发电机组并网发电后的运维相关问题也受到了广泛的关注。恶劣的维护环境和高难度的维护方式等原因,造成海上风力发电机组相对于陆上来说故障率更高。并且,随着海上风电的发展,海上风电场建设不得不转移到离岸更远的地方、更深的水域。随之而来的,是更远的运输距离、更恶劣的气候条件、更严峻的物流挑战,运维成本将会大幅增加。在这种发展趋势下,如何降低海上风力发电机组的运维成本,提升海上风电场的效益,成为了摆在大家面前的现实问题。这也是海上风电投资开发商重点关注的问题。

本文将通过对目前海上风力发电机组运维现状的分析,提出其未来的发展策略。

二、我国海上风电运维现状

我国海上风电场运行周期大多为25年,其并网发电后运维的主要模式为:风力发电机组通过240/250h试运营至五年质保期内由风力发电机组整机厂商提供质保服务,质保期外由风电场投资开发商自行招聘人员运维或通过寻找第三方运维服务商提供运维服务,第三方运维服务商包括风力发电机组整机厂商、专业运维公司等。

海上风电场整体运行维护成本较高,是同等装机容量陆上风电场的2倍以上,一方面是海上风电特殊环境影响(如高盐雾高湿度对设备的影响,天气因素对维修窗口期的影响)造成设备可靠性差、故障率高、维修周期长、维修工艺复杂,另一方面也受到机组可靠性尚未充分验证、运维团队专业性还需提升、远程故障诊断和预警能力还不健全等因素影响。

1、海上风力发电机组的可靠性尚未充分验证,故障率高。

我国国内已并网运营的海上风电场,使用的风力发电机组大多为陆上风力发电机组经适应海上环境改造而成,从运行业绩来看,机组运行试验周期较短,还没有经过充分的试验和验证。并且,海上风力发电机组在产品设计和制造阶段对全生命周期成本、特殊海洋环境条件(如涂层和防腐)的适应性设计等方面因素考虑不足,又使用在复杂恶劣的海上环境,导致风力发电机组故障率居高不下,运维工作量高,增加了运维成本。

并且,业主基于对海上风电场建设投资成本的考量,加上风力发电机组主机厂商相互间的竞争,导致海上风力发电机组和陆上风力发电机组一样,采购中标价格不断的下降,由此必然导致风力发电机组整机配置的降低和大量使用廉价质平的部件,从而降低了风机整机的可靠性。

2、海上风力发电机组的运维尚无可操作性强的行业标准,运维团队专业性还需提升。

(1) 目前,我国海上风电场建设、验收和运维,均缺乏现行有效的、具备可操作性的行业标准。开发商、施工单位、设计院、整机厂商等都按照各自的理解进行风电场的建设、验收和运维,衔接不清、验收粗糙,给项目的后续运维增加了难度。

(2) 海上风力发电机组运维人员缺乏维护经验、缺少有效的技能培训和运维标准文件的指导,导致其专业素质较低、维护管理能力欠缺,造成风力发电机组维修周期过长、发电量损失较多,直接影响风电场发电收益。

(3) 目前,海上风力发电机组运维基本照搬陆上力发电机组运维经验,采取周期性计划检修为主、突发性故障检修为辅的运维模式:即力发电机组运维人员根据风力发电机组标准化作业指导书指定的定检周期对风机进行计划性保养和测试,若风力发电机组出现临时故障,运行人员则通知运维人员前往现场处理。长期以来,我国电力行业都是实行为主的检修体制,预防性计划检修对缺陷消除、风力发电机组安全运行起到了有效的促进作用,但也有明显的弊端,主要表现在维修过度、欠维修及盲目维修等。

3、风力发电机组远程故障诊断和预警能力不健全,检修环境差,检修难度大。

(1) 当前,海上风力发电机组的维护模式仍以定期维护和故障检修的“被动式运维”为主。虽然风电场开发商、风力发电机组厂商以及风力发电机组部分关键大部件生产商都逐步开始建立故障诊断和远程预警能力,但受限于海上风力发电机组运行、故障数据积累匮乏等原因,当前的故障诊断和远程预警体系和水平尚不足以支撑海上风力发电机组运维成本的大幅降低。

(2) 海上风力发电机组运维作业受潮汐影响明显,既有台风等恶劣工况,还存在较多的大风、团雾、雷雨天气,又有大幅浅滩,远海通达困难,交通设备选择困难,海上维护作业有效时间短,安全风险大且缺乏大型海上风力发电机组维护装备。

(3) 由于海上交通因天气海况,存在极大的不确定因素,往往因为一个空开断开,导致海上风力发电机组停机连续停机的情况常常发生。如果单台风力发电机组报故障,运维人员前往处理故障,会导致来回交通成本巨大,对风电场的效益产生极大的影响。此外,海上风力发电机组的大部件更换成本巨大,无论是在海上风电相对成熟的欧洲,还是快速发展的中国,因为大部件供应链可靠性低,甚至整机设计的缺陷,导致大部件需要在海上进行更换。海上风力发电机组大部件的更换,除了大部件本身的成本外,还要考虑大型吊装船施工的手续及费用、海上运输费用、养殖户补偿以及天气窗口因素等,加上风力发电机组长期停机造成的发电量损失,都增加了海上风电场的运营成本、降低了风电场的收益。

4、海上风力发电机组运维必须借助船、直升机等运输工具,维护费用高。

从陆上到海上的交通方式,风力发电机组运维商往往有4种选择:风电场建设施工船、专门的服务船只、直升机接送服务、母舰类型的船只。但是不论选择哪种运输方式都意味着相应的技术路径和资金投入。

(1) 租用建设施工船往往成本较高,因为当前海上风力发电机组建设施工船都朝着大型化发展,专门的海上风力发电机组安装船一次最多可以装载10 台风力发电机组,仅为了维修某台风力发电机组就动用显然是“大材小用”。除此之外,海上风力发电机组建设施工船还容易受天气情况和海况的限制。

(2) 就专门的服务船只而言,双体海上风电工程专用船和三体船往往更受到海上风力发电机组运维商的青睐。在距离海岸较近的地方,例如半个小时左右的航程内,专门的服务船只也更具成本优势。但是,在距离陆地较远的海上风电场,例如两小时以上的航程中,专门的服务船的燃油消耗就会推高使用成本。另外,在长距离航行中,专门的服务船受天气和海况影响的可能性很大:出发时还风平浪静,行至半途甚至快到作业现场时却因天气突变而不得不折返(因为在天气恶劣、海况差的情况下航行,这种服务船只的安全性也会变差),造成成本浪费。在德国甚至有过服务船撞上风力发电机组基座的事情发生。更主要的是,这些专门的服务船的运载能力有限,一些大的零部件和维修设备超出了这种船只的承载能力。

(3) 动用直升机的确很灵活,但却是非常昂贵且存在高风险的选择。最大的缺陷是直升机无法降落在风力发电机组的机舱上,再考虑到燃油的供给,完成一次维修往往要折返多次。

(4) 母舰类型的船只应该是未来的发展方向,但是这种大型的船只也有自身的缺点。首先,它的使用仍然受限于天气状况,有经验表明,这种类型的船只仍只能在海浪不高的情况下装载或者卸载。其次,在母舰波动较大的情况下,直升机起落的危险性也较大。另外,这种母舰是维护船舶和直升飞机的避风港,但本身不能进行任何重大涡轮机维修或者更换,只能起到简单的维修和大部件运输。

三、应对措施

基于以上的现实困境,可以采取以下措施,提升海上风力发电机组的运维能力,从而降低海上风力发电机组的运维成本。

1、在设计阶段选用可靠性强的风力发电机组,不吝投资。

海上风力发电机组的可靠性是先天因素,可以说格外重要。首先,提倡海上风力发电机组一定要高配,不要因为海上风电电价的影响打价格战,降低风力发电机组的配置,从风电场的整个生命周期来说,得不偿失。其次,要优选经过长期运行验证过的海上风力发电机组厂家生产的产品,只有运行经验长的风力发电机组才具有高的可靠性。很多新推出的海上风力发电机组,在并网后两年内基本不会有问题,但随后在很多细节上,比如涂层、防腐、大部件可靠性等问题上会逐渐暴露。

2、建立健全风力发电机组的质量管理体系,加速产品优化升级。

应建立供应链质量管理体系、运维质量管理体系以及风力发电机组整机设计、生产、制造等质量管理体系。风力发电机组出现的故障,要通过成熟可靠的管理体系,进行彻底的根本原因分析,从源头和设计上进行解决,并实现产品的快速迭代更新。

3、加强海上风力发电机组运维培训,提升检修技能。

(1) 连续总结海上风力发电机组的运维实践经验,建立一整套行业统一的海上风力发电机组运维作业标准和规范,对海上风电场施工及风力发电机组运维作业的安全(如出海作业人员资质、培训要求,海上人员交通船的资质准入、硬件配置、出海条件等)、技术(如验收规范、海上防腐、电气防护)、质量要求进行统一规定。

(2) 建设具备成熟的海上EHS规范以及运维技能培训的海上风力发电机组培训中心,为海上开发商、整机厂商及零部件供应商、安装公司、监理、第三方运维公司等所有海上风力发电机组运维人员提供培训,带动中国整个海上风力发电机组运维能力的提升和改进。同时,在每一个海上风电场实施前,开发商、监理、安装公司全体作业人员应接受至少3轮的安装、调试、运维的作业技术交底及技能、安全培训。

4、优化检修方案,缩短检修时间。

海上风力发电机组的计划检修和故障检修均需要大量的人力、物力、财力支撑。随着风电场投资商提高经济效益的需要和科学技术的进步,海上风力发电机组运维方式应逐步向以状态检修为主、计划检修与故障检修为辅转变。

(1) 状态检修是以设备状态为基础,根据对潜伏性故障的离线测量和在线监测的结果,结合巡检数据、历史数据、实时数据等技术,对设备进行状态评估,并以此来指导安排设备检修周期和项目维修问题。状态检修通过对设备结构特点、运行情况、监测数据分析等综合分析,确定设备是否需要检修,检修中需要进行哪些项目,具有很强的针对性,可以取得较好的检修效果。特别在海上风力发电机组的运维上,风力发电机组运维人员根据风力发电机组运行数据、各点监测情况,统一安排对多台风力发电机组进行状态检修,可大大节约交通成本,提高风力发电机组发电效率。

(2) 推广汽车4S店“一站式”风力发电机组大部件更换服务。通过状态监测的振动预警系统,对风力发电机组关键部件早期故障进行预警;开展大部件故障空中维修、更换工艺的研发,降低运维成本;整合安全、船舶、工艺技术、工装工具、物料、人员等要素,提供一站式大部件更换服务,缩短检修时间。

5、依托数据中心建设现场,提高故障预警诊断能力,实现智慧运维。

依托海上风电场监控中心,建立海上风力发电机组智慧运营数据中心,并逐步覆盖周围的所有风电场的风力发电机组。通过多数据源的风力发电机组运维大数据的采集、分析和计算(包括SCADA 数据、风功率预测数据、状态监测数据、预防性试验数据,以及历史维护记录、异常运行记录、故障检修记录、缺陷记录等非结构化数据),实现专家知识库的积累共享,及时进行工单推送,实现风力发电机组各类故障预警、智能诊断和寿命预测等功能,指导风力发电机组运维人员进行标准化作业,也方便运维相关方对整个风电场的运营业绩进行有效评估,不断优化运维策略。

四、未来趋势

随着我国海上风电场建设规模的增加,海上风力发电机组运维市场也将不断增长,运维能力、运维规模、运维模式都会有很大的增长,运维成本也将逐步降低,为海上风电“平价上网”模式的推进,发挥重要的作用。

1、海上风电行业将会愈加关注风力发电机组全生命周期整体解决方案。

除了关注质保期内的风力发电机组运维,风力发电机组整机厂商和风电场投资商也越来越重视海上风力发电机组全生命周期的运维解决方案。从欧洲的发展趋势看,风力发电机组整机厂商与风电场投资商签订“5+N”的长期运维协议,即将五年质保期后的运维继续交由整机厂商,保证风电场运行稳定和发电效率。

海上风力发电机组达到设计使用寿命后,一般有三种选择方案:一是更换部分风力发电机组的设备进行寿命延长从而继续发电;二是风力发电机组设施全部更换,用新的单机容量更大的风力发电机组替换旧的风力发电机组;三是风力发电机组完全退役。未来行业将从风电场的规模和类型、离岸距离、风资源、法规政策、电价、运营成本、盈利能力评估以及原有风力发电机组基础设施可以重复使用的程度等因素综合考虑判断何种方案。

2、风力发电机组深远海运维模式和装备能力如何提升将是下一阶段发展重点。

海上风电将向更远、更深的海域发展,将有更多的深远海风力发电机组运维模式和装备出现,以实现风力发电机组运维效率的最大化。如基于“服务作业母船(SOV)”的深远海运维方案,实现50~60名风力发电机组运维工程师长时间同时在海上进行作业、住宿、生活,并且提供移动仓储服务,确保工具、物料满足运维需求。

例如:2020年8月12日,在国内首艘海上风电运维母船设计方案定审会上,我国七〇二所项目组的产品与国外设计单位同台竞技,项目组技术人员进行了方案汇报和现场答疑,最终凭借独具特色的SWATH母船设计方案,得到在场评审专家一致肯定,获得该批量船的设计任务。根据设计方案,船总长约78米,船宽约28米,排水量3000吨级,设计航速大于13节,采用“GOLF”SWATH船型。凝结中国智慧,展现中国品质。本船是国内风力发电机组运维行业首次以小水线面双体船型作为运维母船,是中国造新一代“海上移动智慧平台”,突破了多项国外风力发电机组运维船“卡脖子”技术,整船设备国产化率将达到98%以上,并提出中国海上风力发电机组运维母船方案设计的新标准,具有里程碑式的意义。运维母船建成后,与批量运维子船协同作业,形成独具中国特色的海上风电运维作业系统,将助推中国海上风电运维产业,与国际先进接轨、与世界赛跑。

对此,我相信未来会还会有更多的专业化、智能化海上风力发电机组运维装备研制推出,从而实现海上运维的降本增效。如空中维修更换大部件的工装工具、水下检测机器人、无人机智能巡检、波浪补偿栈桥、海上换油装备等。

3、全面形成基地化检修模式,最大程度缩短检修时间。

未来,海上风力发电机组运维市场还会由风力发电机组整机厂商、风场投资商自有运维公司、专业运维公司共同参与。但是,质量、技术、供应链因素和海上风力发电机组集群式规模效应,将使得风力发电机组整机厂商在海上风力发电机组运维领域优势凸显。长远来看,未来海上风力发电机组运维将仍以风力发电机组整机厂商为主;但投资商成立的专门运维公司(或者与整机厂商合资运营的运维公司),也会占据一定的市场份额。专业风力发电机组运维公司运维或凭借在某一专项技术细分领域的优势,成为未来海上风力发电机组运维生态圈的重要补充。

未来,海上风力发电机组的运维行业将从粗放型向精益化方式转变。海上风力发电机组运维因出海窗口期的原因,存在人员工时浪费、停机时间过长等情形。精益化管理的核心在于通过对运维现状的有效分析减少各种形式的浪费,确定有效的运维流程,使运维管理标准化。同时,通过智慧运维管理平台,形成故障预警、智能诊断、运维策略优化、解决方案和备件库存控制的“4S一站式”运维服务,区域内风电场集中管控、各投资商联合合作,实现效益增值。

五、总结

海上风力发电机组运维的终极目标是:在风力发电机组全寿命周期内,有效降低运维成本,降低发电损失,提升风力发电机组的发电量,从而提高投资商的收益。为了解决海上风力发电机组运维的难题,我们依然需要不断创新海上风力发电机组运维模式,围绕提升运维服务展开相关工作,从而形成全面的海上风电运维解决方案。 
 

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