全球海上風(fēng)電裝機(jī)量正經(jīng)歷著快速增長，全球風(fēng)能理事會（GWEC）的統(tǒng)計數(shù)據(jù)指出，2019年全球海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量6.1GW。中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會（CWEA）的統(tǒng)計結(jié)果表明，中國海上風(fēng)電新增裝機(jī)588臺，新增裝機(jī)容量2.49GW，同比增長50.9%。伴隨著海上風(fēng)電裝機(jī)量的增長，海上風(fēng)電運(yùn)維的需求也隨之增大。海上風(fēng)電機(jī)組長期處于惡劣的海洋環(huán)境，就機(jī)組故障率而言，海上風(fēng)電明顯高于陸上風(fēng)電。此外，更加復(fù)雜的自然條件也給海上風(fēng)電運(yùn)維帶來更多挑戰(zhàn)。未來智慧海上風(fēng)電場的建設(shè)，依賴于良好的運(yùn)維管理，這就需要科學(xué)的運(yùn)維策略，智能的故障診斷和監(jiān)測技術(shù)以及穩(wěn)定高效的運(yùn)維船只等設(shè)備的支持。
一、海上風(fēng)電的發(fā)展和特點(diǎn)
目前，為應(yīng)對全球氣候變化，各大主要經(jīng)濟(jì)體已制定碳中和目標(biāo)。碳減排驅(qū)動了全球能源結(jié)構(gòu)加速轉(zhuǎn)型，由化石能源時代向著可再生能源時代邁進(jìn)，能源革命讓風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。
自1991年丹麥投入運(yùn)行世界第1個海上風(fēng)電場Vindeby起，海上風(fēng)電就步入了快速發(fā)展的道路。相比陸上風(fēng)電，海上風(fēng)能資源更加豐富，海上風(fēng)電機(jī)組無需占用土地資源，距離用電負(fù)荷中心更近，且發(fā)電利用小時數(shù)更高。在風(fēng)電行業(yè)高速發(fā)展的背景下，海上風(fēng)電的發(fā)展速度更是領(lǐng)先于行業(yè)整體。
海上風(fēng)電機(jī)組正朝著大型化方向發(fā)展，平準(zhǔn)化度電成本正在降低。葉輪直徑更大、功率更大的風(fēng)機(jī)可提供更大的年發(fā)電量，從而降低成本。國內(nèi)外整機(jī)廠商對大功率風(fēng)機(jī)的研發(fā)正在不斷開展，維斯塔斯在2018年9月發(fā)布了世界首款10MW風(fēng)電機(jī)組；2019年11月，GE12 MWHaliade-X直驅(qū)風(fēng)機(jī)的第1臺樣機(jī)在荷蘭鹿特丹安裝測試；2020年5月，西門子歌美颯發(fā)布了SG14-222型直驅(qū)風(fēng)機(jī)，預(yù)計將于2024年投入商用，其最大功率達(dá)到15MW。另一方面，海上風(fēng)電的建設(shè)選址向著水深更深、離岸更遠(yuǎn)的海域發(fā)展，漂浮式風(fēng)機(jī)日漸增多，這也意味著運(yùn)維環(huán)境將更加惡劣，維護(hù)難度隨之加大。
中國海上風(fēng)電呈現(xiàn)出規(guī)模化、智慧化、定制化和大型化的發(fā)展趨勢。未來中國將建成更多的百萬或千萬千瓦級海上風(fēng)電場，形成集約化發(fā)展優(yōu)勢，力爭“十四·五”末期實(shí)現(xiàn)平價上網(wǎng)。智慧風(fēng)電場將搭載智能技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)健康感知，故障檢測以及機(jī)群智能等功能；整機(jī)、塔筒基礎(chǔ)、傳動鏈、葉片和偏航系統(tǒng)等子系統(tǒng)擁有獨(dú)自智能化應(yīng)用擴(kuò)展；智慧風(fēng)電場將集成大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)、算法、模型，構(gòu)建電力物聯(lián)網(wǎng)平臺。海上風(fēng)電將以度電成本為引導(dǎo)，趨于定制化開發(fā)，增加上網(wǎng)電量，提高經(jīng)濟(jì)效益，控制建設(shè)造價，降低運(yùn)維成本。更多10MW以上的大功率海上風(fēng)機(jī)將投入運(yùn)營，發(fā)電能力進(jìn)一步提升。
海上風(fēng)電的發(fā)展日新月異，風(fēng)機(jī)的大型化、深水遠(yuǎn)岸布局以及漂浮式風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)用等，給海上風(fēng)電運(yùn)維提出了新挑戰(zhàn)，未來智慧海上風(fēng)電場需要智能高效運(yùn)維的支持。
二、海上風(fēng)電運(yùn)維市場現(xiàn)狀和難點(diǎn)
已有的運(yùn)維數(shù)據(jù)表明，在同等裝機(jī)容量下，海上風(fēng)電的運(yùn)維成本超過陸上風(fēng)電的2倍，海上風(fēng)電的運(yùn)維成本占其度電成本的1/4以上。我國多數(shù)海上風(fēng)電場的運(yùn)行年限為25年，在海上風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電后，整機(jī)廠商將提供為期5年的質(zhì)保服務(wù)。質(zhì)保期之外，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)維工作則由風(fēng)電場投資方或第三方運(yùn)維服務(wù)商承擔(dān)。
如圖1所示，海上風(fēng)電運(yùn)維的成本主要包括風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維、運(yùn)維船維護(hù)和保險等。由于投資方對成本的考慮，以及整機(jī)供應(yīng)商之間的“價格戰(zhàn)”，海上風(fēng)電機(jī)組的購價格正在不斷下降，而這也導(dǎo)致更多廉價部件的使用，使整機(jī)配置有所降低，風(fēng)電機(jī)組的質(zhì)量難以保證。較高的機(jī)組故障率和較大的維修工作量是海上風(fēng)電運(yùn)維中的最大難點(diǎn)。
圖1 海上風(fēng)電運(yùn)維成本
國內(nèi)許多海上風(fēng)電場采用的是經(jīng)改造的陸上型風(fēng)機(jī)，而非原廠的海上風(fēng)機(jī)。改造的陸上風(fēng)機(jī)難以長期適應(yīng)海上的復(fù)雜條件，更容易出現(xiàn)故障。由于潮汐等條件的影響，海上風(fēng)電運(yùn)維作業(yè)存在窗口期制約，海上風(fēng)電機(jī)組可及性較差，不利的氣象條件和惡劣海況限制了維護(hù)作業(yè)時長，也帶來更大的安全隱患。
我國在海上風(fēng)電運(yùn)維領(lǐng)域缺乏成熟經(jīng)驗(yàn)，目前采用的運(yùn)維方法以借鑒陸上風(fēng)電為主，即主要采取計劃檢修，并輔以故障檢修的運(yùn)維策略。這一運(yùn)維模式并不能很好地適應(yīng)海上風(fēng)電的運(yùn)行特點(diǎn)，就海上風(fēng)電的故障檢修而言，運(yùn)維人員的海上交通受海況影響很大，較大的不確定性可能造成機(jī)組的長時間停機(jī)，嚴(yán)重影響風(fēng)場的生產(chǎn)效率。海上風(fēng)電運(yùn)維領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題主要有：
⑴完善海上風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，運(yùn)用機(jī)組健康診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組異常識別，預(yù)測機(jī)組壽命。
⑵進(jìn)一步優(yōu)化海上風(fēng)電場維護(hù)策略，規(guī)范運(yùn)維方式，優(yōu)化運(yùn)維資源管理方案，合理調(diào)配各項運(yùn)維資源。運(yùn)維策略的制定應(yīng)與機(jī)組的可靠性數(shù)據(jù)相結(jié)合，盡可能地提升單次出海作業(yè)效率，從而避免頻繁出海，節(jié)省運(yùn)維費(fèi)用。
⑶具備容錯運(yùn)行能力的機(jī)組，在發(fā)生部分故障后一定時長內(nèi)仍可平穩(wěn)工作，在海上風(fēng)電機(jī)組故障難以避免的情況下，機(jī)組的容錯運(yùn)行功能具有重要的研究價值。
⑷開展海上風(fēng)電機(jī)組多部件故障的相關(guān)性研究，分析多機(jī)組多部件之間功能和結(jié)構(gòu)的相關(guān)性。
三、海上風(fēng)電運(yùn)維科技的創(chuàng)新趨勢
海上風(fēng)電的快速發(fā)展給運(yùn)維工作提出了新要求，海上風(fēng)電運(yùn)維的創(chuàng)新包括轉(zhuǎn)變運(yùn)維方式、優(yōu)化運(yùn)維策略、改進(jìn)運(yùn)維設(shè)備、提高故障診斷和監(jiān)測技術(shù)等。海上風(fēng)電智慧運(yùn)維體系包含多項智能化技術(shù)，通過智能傳感技術(shù)、邊緣計算技術(shù)及機(jī)器人技術(shù)等實(shí)現(xiàn)智能感知；通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)、3D建模技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)等實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控；通過模式識別技術(shù)、故障預(yù)警技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)智能分析；借助專家知識庫、人工智能技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行智能決策；通過移動互聯(lián)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能輔助。
⒈海上風(fēng)電運(yùn)維管理技術(shù)
海上風(fēng)電全生命周期的智慧化，是實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電平準(zhǔn)化度電成本最優(yōu)的關(guān)鍵，海上風(fēng)電的智慧運(yùn)維是一項系統(tǒng)工程。
智慧運(yùn)維體系借助大數(shù)據(jù)和智能數(shù)據(jù)技術(shù)，基于數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)維決策。采用精細(xì)的成本管控，通過全生命周期內(nèi)風(fēng)機(jī)運(yùn)維成本和收益的實(shí)時計算，提升運(yùn)維管理精細(xì)化水平，有效降低運(yùn)維成本。做好風(fēng)機(jī)部件級離岸測試，打造海上風(fēng)電“基因工程”，制定合理的運(yùn)維檢修計劃，提升機(jī)組運(yùn)行可靠性。根據(jù)大部件預(yù)警信息，提前鎖定區(qū)域內(nèi)大部件吊裝船只及大部件備品，縮短大部件故障停機(jī)時間。通過故障預(yù)警和運(yùn)檢維一體化系統(tǒng)，優(yōu)化運(yùn)維計劃及運(yùn)維調(diào)度，降低海上風(fēng)電運(yùn)維成本。評估海上風(fēng)場發(fā)電性能及電量損失原因，開展控制策略優(yōu)化技術(shù)的研究和應(yīng)用，進(jìn)一步提高風(fēng)機(jī)發(fā)電量。優(yōu)化不同海域、不同規(guī)模的區(qū)域化風(fēng)場交通運(yùn)輸工具，提升運(yùn)維效率，降低日常運(yùn)維交通成本。
科學(xué)合理地規(guī)劃運(yùn)維時間和路線，采用預(yù)運(yùn)維方式清除故障隱患，降低運(yùn)維成本，這是海上風(fēng)電運(yùn)維模式的發(fā)展目標(biāo)。針對運(yùn)維路徑的規(guī)劃，應(yīng)基于風(fēng)功率預(yù)測、運(yùn)維船舶的可及性、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和健康狀態(tài)，選擇安全、便捷、成本最優(yōu)的運(yùn)維交通路線。
基于風(fēng)險的維護(hù)方式，能夠降低整體的維護(hù)難度和生命周期成本，呈現(xiàn)各方均滿意的可利用率和機(jī)組性能。計劃檢修結(jié)合故障檢修的傳統(tǒng)運(yùn)維策略，對人力、物力和財力的消耗很大。隨著運(yùn)維技術(shù)的不斷進(jìn)步，以狀態(tài)檢修為主的運(yùn)維策略成為發(fā)展趨勢。
狀態(tài)檢修以設(shè)備狀態(tài)為出發(fā)點(diǎn)，通過在線監(jiān)測和離線測量等方式查找潛伏性故障，評估設(shè)備狀態(tài)。狀態(tài)檢修的針對性較強(qiáng)，通過對設(shè)備的綜合分析，判別是否要對設(shè)備進(jìn)行檢修，檢修效果也更好。基于狀態(tài)檢修的運(yùn)維策略可便于統(tǒng)一調(diào)度運(yùn)維資源進(jìn)行多臺機(jī)組的檢修工作，提高單次出海作業(yè)效率，減少出海次數(shù)，降低交通成本。狀態(tài)檢修是海上風(fēng)電運(yùn)維管理中的重大創(chuàng)新，狀態(tài)檢修的實(shí)現(xiàn)需要結(jié)合不同海上風(fēng)電場的特點(diǎn)，監(jiān)控并分析機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，強(qiáng)化零部件生命周期監(jiān)控以及大型部件的狀態(tài)監(jiān)測。
⒉海上風(fēng)電機(jī)組監(jiān)測和分析技術(shù)
海上風(fēng)電的智能監(jiān)測包括水下智能監(jiān)測、結(jié)構(gòu)疲勞和損傷監(jiān)測、海纜監(jiān)測以及基礎(chǔ)沖刷監(jiān)測等。智能分析技術(shù)涵蓋氣象預(yù)報和預(yù)警系統(tǒng)，窗口期管理系統(tǒng)，船舶、航路、人員管理系統(tǒng)以及海上安防系統(tǒng)等。在線監(jiān)測技術(shù)通過多種通信介質(zhì)，實(shí)時傳輸并可視化觀測數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)處理提供便利。水下智能監(jiān)測借助水下機(jī)器人，有針對性地對目標(biāo)機(jī)組水下部分進(jìn)行檢視，可直觀地監(jiān)測基礎(chǔ)的整體狀態(tài)。對支撐結(jié)構(gòu)的疲勞和損傷監(jiān)測，通過傳感器監(jiān)測結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力、位移、振動以及腐蝕狀況等數(shù)據(jù)，并實(shí)時傳輸至監(jiān)測系統(tǒng)，具體的監(jiān)測項目以及監(jiān)測點(diǎn)的布點(diǎn)位置可依據(jù)風(fēng)電場具體的運(yùn)維和安全評估要求選取。海洋環(huán)境參數(shù)監(jiān)測通過傳感器和高速傳輸技術(shù)實(shí)時獲取項目海域數(shù)據(jù)，包含波浪數(shù)據(jù)、風(fēng)數(shù)據(jù)、海流數(shù)據(jù)和溫鹽數(shù)據(jù)等，為海上風(fēng)電運(yùn)維積累背景參數(shù)資料。海纜監(jiān)測通常基于光纖和局部放電的電纜在線監(jiān)測方法，對海底電纜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行安全監(jiān)控。
海域監(jiān)測通過對海底電纜周圍海域過往船舶進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，從而減少船舶錨泊引起的電纜破壞。基礎(chǔ)沖刷監(jiān)測通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲得沖刷深度等參數(shù)，可與支撐結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測相結(jié)合，為海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)提供更高的安全保障。
⒊新型風(fēng)電運(yùn)維船
海上風(fēng)電的智能監(jiān)測包括水下智能監(jiān)測、結(jié)構(gòu)疲勞和損傷監(jiān)測、海纜監(jiān)測以及基礎(chǔ)沖刷監(jiān)測等。智能分析技術(shù)涵蓋氣象預(yù)報和預(yù)警系統(tǒng)，窗口期管理系統(tǒng)，船舶、航路、人員管理系統(tǒng)以及海上安防系統(tǒng)等。在線監(jiān)測技術(shù)通過多種通信介質(zhì)，實(shí)時傳輸并可視化觀測數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)處理提供便利。
水下智能監(jiān)測借助水下機(jī)器人，有針對性地對目標(biāo)機(jī)組水下部分進(jìn)行檢視，可直觀地監(jiān)測基礎(chǔ)的整體狀態(tài)。對支撐結(jié)構(gòu)的疲勞和損傷監(jiān)測，通過傳感器監(jiān)測結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力、位移、振動以及腐蝕狀況等數(shù)據(jù)，并實(shí)時傳輸至監(jiān)測系統(tǒng)，具體的監(jiān)測項目以及監(jiān)測點(diǎn)的布點(diǎn)位置可依據(jù)風(fēng)電場具體的運(yùn)維和安全評估要求選取。海洋環(huán)境參數(shù)監(jiān)測通過傳感器和高速傳輸技術(shù)實(shí)時獲取項目海域數(shù)據(jù)，包含波浪數(shù)據(jù)、風(fēng)數(shù)據(jù)、海流數(shù)據(jù)和溫鹽數(shù)據(jù)等，為海上風(fēng)電運(yùn)維積累背景參數(shù)資料。
海纜監(jiān)測通常基于光纖和局部放電的電纜在線監(jiān)測方法，對海底電纜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行安全監(jiān)控。海域監(jiān)測通過對海底電纜周圍海域過往船舶進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控，從而減少船舶錨泊引起的電纜破壞。基礎(chǔ)沖刷監(jiān)測通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲得沖刷深度等參數(shù)，可與支撐結(jié)構(gòu)響應(yīng)監(jiān)測相結(jié)合，為海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)提供更高的安全保障。
目前全球共投入使用400余艘風(fēng)電運(yùn)維船，新型海上風(fēng)電運(yùn)維船尺寸更大，可搭載更多儀器設(shè)備和零部件，具有良好的乘坐舒適性，航速更快，人員轉(zhuǎn)移的安全性更高，抗風(fēng)浪能力更強(qiáng)。專業(yè)的風(fēng)電運(yùn)維船有多種類型，特制的船頭不僅可供運(yùn)維人員從風(fēng)機(jī)底部爬梯登陸，還可降低船體的搖晃。風(fēng)電運(yùn)維船的主要類型包括單體船、雙體船、三體船、小水線面雙體船、表面效應(yīng)船和小水線面三體船等，各種類型運(yùn)維船的典型參數(shù)如表1所示。
表1 不同類型運(yùn)維船典型參數(shù)
根據(jù)我國不同海域海上風(fēng)電項目的特點(diǎn)，有針對性地選擇不同形式的運(yùn)維船。江蘇沿海項目多坐落于潮汐帶水域，作業(yè)水位0～20m，風(fēng)速3m/s～7m/s，波高0.5m～4.6m，已建成風(fēng)場離岸距離3km～50km，波浪平均周期3.1s，此海域適合采用雙體船、小水線面雙體船以及居住船等。福建、廣東以及浙江沿海海域海況復(fù)雜多變，島礁、暗礁多，涌浪大，水流急，風(fēng)浪大，水深10m～50m，年平均風(fēng)速8.0m/s，平均波高2.0m，已建成風(fēng)場離岸距離3km～30km，此海域項目離岸較近，可選用抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、航速快的小水線面雙體船、表面效應(yīng)船和小水線面三體船等。渤海和北黃海區(qū)域的海況優(yōu)于多風(fēng)的福建以及處于潮汐帶的江蘇沿海，但該海域冬季會出現(xiàn)海冰，運(yùn)維船舶需在艏部增設(shè)B級冰區(qū)加強(qiáng)的破冰裝置，并增加保暖防凍設(shè)備。圖2為2020年7月18日交付的“雄程天威1”雙體運(yùn)維船，該船搭載了先進(jìn)的艦船低壓直流綜合電力技術(shù)，這是此項技術(shù)在民船領(lǐng)域的首次應(yīng)用。
圖2 “雄程天威1”風(fēng)電運(yùn)維船
除常規(guī)的運(yùn)維船外，運(yùn)維母船是新的發(fā)展趨勢，典型的母船可供超過40人居住，可運(yùn)載零部件，自持力超過1個月，具備優(yōu)良的靠泊性能，搭載波浪補(bǔ)償懸梯及動力定位系統(tǒng)。但其造價和運(yùn)營成本較高，目前應(yīng)用相對較少。圖3為烏斯坦建造的“WindeaLeibniz”運(yùn)維母船，該船在船首航行狀態(tài)下航速為13.9kn，而船尾航行狀態(tài)可達(dá)到12.1kn，獨(dú)特的設(shè)計使船只更加靈活，運(yùn)維作業(yè)效率更高，燃油經(jīng)濟(jì)性更佳。若要進(jìn)行齒輪箱、發(fā)電機(jī)和葉片等大型部件的更換，則需使用自升式運(yùn)維船，其搭載了較大型的起重機(jī)，可在40m水深條件下作業(yè)，適用于深水遠(yuǎn)岸風(fēng)機(jī)的運(yùn)維作業(yè)。
圖3 “Windea Leibniz”風(fēng)場運(yùn)維船
圖4 “海電運(yùn)維801”號自航自升式運(yùn)維船
圖4為“海電運(yùn)維801”號自航自升式運(yùn)維船，該船由福建馬尾造船股份有限公司建造，樁腿長95m，最大作業(yè)水深50m，最大起重高度120m，配備DP1動力定位系統(tǒng)，以及4套全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，可裝載2套8MW海上風(fēng)機(jī)的葉片和機(jī)艙。
⒋智能運(yùn)維機(jī)器人
嚴(yán)苛的海洋環(huán)境給海上風(fēng)電運(yùn)維作業(yè)帶來了諸多不便，為了提高運(yùn)維便利性，降低運(yùn)維人員的安全風(fēng)險，機(jī)器人和無人機(jī)等設(shè)備得以應(yīng)用，機(jī)器人系統(tǒng)也是海上風(fēng)電智慧運(yùn)維的關(guān)鍵組成部分。圖5為機(jī)器人“BladeBUG”，該型機(jī)器人是針對海上風(fēng)機(jī)葉片的檢修而設(shè)計，具有履帶和6只爬行足，每只足的末端有真空粘合裝置，可牢固吸附于葉片表面，并進(jìn)行靈活的爬行動作。以機(jī)器人代替人力進(jìn)行運(yùn)維作業(yè)，可降低運(yùn)維事故風(fēng)險，提高檢測效率和精度，節(jié)省維修成本。據(jù)估計，未來良好的機(jī)器人系統(tǒng)可幫助風(fēng)電項目在其生命周期內(nèi)節(jié)省3300萬美元。歐洲首個海上風(fēng)電運(yùn)維機(jī)器人測試中心已于2020年在葡萄牙建立，該中心致力于惡劣環(huán)境下機(jī)器人運(yùn)維作業(yè)的相關(guān)研究。
圖5 “BladeBUG”運(yùn)維機(jī)器人
四、結(jié)束語
海上風(fēng)電的運(yùn)維模式正朝著數(shù)字化、智能化和精準(zhǔn)化的方向發(fā)展，海上風(fēng)電智慧運(yùn)維旨在促進(jìn)項目全生命周期內(nèi)運(yùn)維成本的降低和發(fā)電效率的提升，最終實(shí)現(xiàn)海上風(fēng)電場運(yùn)營效益的提高。隨著全球海上風(fēng)電行業(yè)的蓬勃發(fā)展，從運(yùn)維策略到運(yùn)維技術(shù)的海上風(fēng)電運(yùn)維創(chuàng)新也將全方位持續(xù)進(jìn)行。
