海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維技術(shù)及通達(dá)方式研究

文 | 高宏飆，孫小釬，劉碧燕

海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維技術(shù)及通達(dá)方式研究

文 | 高宏飆，孫小釬，劉碧燕

我國(guó)海上風(fēng)電正處于加速發(fā)展階段，2015年底海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量近100萬(wàn)千瓦，但國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)缺乏。海上風(fēng)電受到惡劣的自然環(huán)境、復(fù)雜的地理位置和不便利的交通運(yùn)輸?shù)确矫嬗绊?，在運(yùn)行和維護(hù)中安全風(fēng)險(xiǎn)大。高昂的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用給海上風(fēng)電場(chǎng)的維護(hù)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，亟待開(kāi)展相關(guān)研究，提升風(fēng)電場(chǎng)整體運(yùn)營(yíng)效率。

本文結(jié)合我國(guó)海上風(fēng)電的實(shí)際情況，對(duì)運(yùn)維現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研分析，提出應(yīng)對(duì)策略。

國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維特點(diǎn)

由于受到風(fēng)電機(jī)組本身的特點(diǎn)以及海洋環(huán)境條件的制約，海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行與維護(hù)，相對(duì)于陸上而言難度更大、要求更高。目前國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維有以下特點(diǎn)：

一、經(jīng)驗(yàn)缺乏

目前已投運(yùn)海上風(fēng)電項(xiàng)目較少，規(guī)模小，整體尚處于摸索階段，運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)缺乏。

二、成本較高

海上風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量的大型化，海上作業(yè)需投入船舶，大部件檢修需用大型浮吊；易因天氣、潮位延誤工期；這些因素導(dǎo)致海上風(fēng)電運(yùn)維成本約為陸上2倍－4倍甚至更高。

三、通達(dá)困難、有效作業(yè)時(shí)間短

目前已投運(yùn)的海上風(fēng)電場(chǎng)主要布置在江蘇海域，江蘇沿海灘涂及淺水海床寬闊，運(yùn)維作業(yè)受潮汐影響明顯，通達(dá)困難，有效作業(yè)時(shí)間短。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因氣候影響導(dǎo)致取消檢修次數(shù)達(dá)20%。

四、故障率較高

海上風(fēng)電機(jī)組處于海水、鹽霧的惡劣海洋腐蝕環(huán)境中，基礎(chǔ)、設(shè)備、電氣線纜更容易出現(xiàn)性能下降、提前失效。根據(jù)龍?jiān)慈鐤|海上風(fēng)電場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，成熟機(jī)組故障率明顯高于陸上機(jī)組；而海上試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)采用國(guó)產(chǎn)樣機(jī)基本沒(méi)有密封防鹽霧設(shè)計(jì)，故障率更高，如圖1、圖2所示。

由圖1可見(jiàn)：海上試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)單臺(tái)故障次數(shù)約為陸上2.6倍，最高達(dá)20倍。由圖2可見(jiàn)：海上試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)單臺(tái)故障次數(shù)，約為成熟機(jī)組2倍，最高達(dá)13倍?？傮w而言，海上風(fēng)電故障次數(shù)明顯高于陸上。

五、風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)防腐維護(hù)工作量大

海上風(fēng)電機(jī)組直接暴露在嚴(yán)苛的海洋環(huán)境中，面臨嚴(yán)重的腐蝕威脅；海上交通、船只停靠、風(fēng)浪影響，會(huì)對(duì)基礎(chǔ)涂層造成損傷；海上風(fēng)電基礎(chǔ)海生物附著，如圖3所示，易形成氧濃差電池，產(chǎn)生局部腐蝕，造成海洋生物腐蝕破壞。

六 、大型維修裝備缺乏

潮間帶海上風(fēng)電機(jī)組大型設(shè)備、部件更換需大型淺吃水專用船舶，但潮間帶海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)容量小，難以供養(yǎng)，導(dǎo)致缺乏。

七、存在重建設(shè)、輕運(yùn)行維護(hù)的現(xiàn)象

我國(guó)海上風(fēng)電仍處在初級(jí)階段，為快速占據(jù)有利的產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)地位和份額，海上風(fēng)電機(jī)組制造、運(yùn)營(yíng)各方，對(duì)風(fēng)電工程建設(shè)高度重視，而對(duì)運(yùn)行維護(hù)精細(xì)化管理缺乏重視。

八、存在運(yùn)行、維護(hù)脫節(jié)問(wèn)題

由于海上風(fēng)電機(jī)組供應(yīng)商涉及較多的技術(shù)壁壘，海上風(fēng)電場(chǎng)業(yè)主較少獨(dú)立地進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行和管理。加上運(yùn)行系統(tǒng)和維護(hù)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，系統(tǒng)在構(gòu)建之初就不以業(yè)主為中心，主要滿足銷售合同的技術(shù)支持要求，不利于業(yè)主進(jìn)行信息的深層次分析和利用。

海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維模式

海上風(fēng)電場(chǎng)維護(hù)主要采用基于機(jī)組健康狀況的主動(dòng)預(yù)防性維護(hù)策略。應(yīng)用運(yùn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，在發(fā)現(xiàn)機(jī)組健康狀況出現(xiàn)異常之初，但還沒(méi)有造成機(jī)組停機(jī)或零部件進(jìn)一步損壞時(shí)，進(jìn)行檢查和維護(hù)。及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組異常及振動(dòng)等問(wèn)題，減少維護(hù)人員出海進(jìn)行巡檢的次數(shù)；實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)組運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障早期征兆及發(fā)展趨勢(shì)，使運(yùn)維人員能夠合理安排維護(hù)計(jì)劃，避免故障發(fā)生，減少維護(hù)人員登上機(jī)組探查故障原因的次數(shù)，有效減少維護(hù)成本和停機(jī)時(shí)間。

現(xiàn)已投運(yùn)的海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維模式主要有以下三種：

一、整機(jī)廠家負(fù)責(zé)運(yùn)維

風(fēng)電機(jī)組出質(zhì)保后仍然由整機(jī)廠家負(fù)責(zé)運(yùn)維。此種運(yùn)維模式的主要弊端是運(yùn)維費(fèi)用較高，且風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行廠商沒(méi)有自己的維護(hù)技術(shù)人員儲(chǔ)備，容易受制于人。

二、風(fēng)電場(chǎng)人員負(fù)責(zé)運(yùn)維

風(fēng)電機(jī)組出質(zhì)保后由風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維人員負(fù)責(zé)運(yùn)維。此種維護(hù)模式運(yùn)維費(fèi)用較低，且可以培養(yǎng)鍛煉風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維相關(guān)人員，但由于相關(guān)運(yùn)維人員技術(shù)水平較低，無(wú)法保證風(fēng)電機(jī)組可利用率。

三、第三方專業(yè)服務(wù)公司負(fù)責(zé)運(yùn)維

風(fēng)電機(jī)組出質(zhì)保后交由市場(chǎng)上第三方專業(yè)運(yùn)維服務(wù)公司運(yùn)維。此種模式維護(hù)費(fèi)用介于上述兩者之間，但是可以通過(guò)第三方服務(wù)公司培訓(xùn)過(guò)的專業(yè)技術(shù)人員來(lái)保證運(yùn)維的質(zhì)量和風(fēng)電機(jī)組可利用率。

海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維工作內(nèi)容

一、海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維工作內(nèi)容

共有6大項(xiàng)內(nèi)容，如圖4所示。

維護(hù)工作包括13項(xiàng)內(nèi)容：風(fēng)電機(jī)組（本體、環(huán)控系統(tǒng)、升降設(shè)備及起重裝置）；海上升壓站（本體，靠泊、防撞、起重裝置，直升機(jī)平臺(tái)、防沖刷結(jié)構(gòu)及防腐系統(tǒng)）；風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)（靠泊、防撞裝置，防沖刷結(jié)構(gòu)及防腐系統(tǒng)）；集控中心；海纜（J形管，場(chǎng)內(nèi)和送出海纜及電纜接入等附屬結(jié)構(gòu)）；測(cè)風(fēng)塔（含海洋水文監(jiān)測(cè)系統(tǒng)）；航空障礙燈；助航標(biāo)志；逃生及救生裝置；消防系統(tǒng)；運(yùn)維交通工具；通訊設(shè)施；防雷接地系統(tǒng)。

二、風(fēng)電場(chǎng)巡視

（一） 巡視種類

風(fēng)電場(chǎng)巡視，可分為日常巡視和特殊巡視。日常巡視，主要對(duì)風(fēng)電機(jī)組、基礎(chǔ)、海上升壓平臺(tái)、測(cè)風(fēng)塔、升壓站、場(chǎng)內(nèi)高壓配電線路進(jìn)行巡回檢查，發(fā)現(xiàn)缺陷及時(shí)處理。特殊巡視，主要在發(fā)生異常天氣，或機(jī)組、升壓站非正常運(yùn)行，或機(jī)組搶修/大修，或新設(shè)備（技術(shù)改造）投入運(yùn)行后，增加的特殊巡視檢查內(nèi)容或巡視次數(shù)。

（二） 巡視項(xiàng)目

巡視項(xiàng)目包括：海上升壓站巡視、風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)巡視和環(huán)境巡視。海上升壓站及風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)巡視內(nèi)容：基礎(chǔ)完整性，防腐系統(tǒng)；沉降觀測(cè)系統(tǒng)；助航標(biāo)志與信號(hào)。環(huán)境巡視內(nèi)容：環(huán)境污染；風(fēng)電機(jī)組噪聲；生活垃圾及污水處理。

三、風(fēng)電場(chǎng)定期維護(hù)

定期維護(hù)間隔時(shí)間一般不超過(guò)1年；整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)所有部件（包括海纜）在5年時(shí)間內(nèi)至少檢查一次。

（一） 機(jī)械定期維護(hù)

機(jī)械定期維護(hù)項(xiàng)目，可分為11大系統(tǒng)部件：主軸、齒輪箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)、偏航、變槳、液壓、散熱系統(tǒng)、機(jī)架、起重機(jī)、罩體。檢查內(nèi)容，可分為12大類：表面破損或異常、堵塞、泄漏、轉(zhuǎn)動(dòng)部件、壓力、力矩、間隙、信號(hào)、性能測(cè)試、程序試驗(yàn)、校驗(yàn)，噪音。維護(hù)內(nèi)容，可分為5大類：打磨后補(bǔ)漆、清潔、補(bǔ)充（油、脂、氣、液）、校驗(yàn)、更換。

（二） 電氣定期維護(hù)

電氣定期維護(hù)項(xiàng)目，可分為9大系統(tǒng)部件：塔筒電纜及接地、塔基控制柜、機(jī)艙控制柜、變漿系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、變頻器、箱變、發(fā)電機(jī)、防雷保護(hù)系統(tǒng)。檢查對(duì)象，可分為13大類：各種線纜（電纜、電纜夾、接地銅帶、接地線、屏蔽線、通訊電纜）、接線端子、保護(hù)開(kāi)關(guān)、接觸器、緊急停機(jī)按鈕、控制柜內(nèi)元器件、harting接頭及針、充電器及浪涌器、散熱系統(tǒng)、加熱器、防雷模塊、電氣連接、機(jī)械連接。檢查內(nèi)容，可分為9大類：松動(dòng)、過(guò)熱、拉弧、吸合阻滯，輸入、輸出信號(hào)、油污、灰塵、積水。維護(hù)內(nèi)容，可分為5大類：清潔、緊固、打力矩、維護(hù)、排水。

（三）基礎(chǔ)定期維護(hù)

基礎(chǔ)定期維護(hù)項(xiàng)目：海上升壓站、風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)。主要內(nèi)容：基礎(chǔ)完整性，結(jié)構(gòu)變形、損傷及缺口，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)焊縫裂紋，混凝土表面裂縫、磨損，基礎(chǔ)沖刷，助航標(biāo)志。

（四） 防腐定期維護(hù)

防腐定期維護(hù)包括鋼結(jié)構(gòu)、混凝土基礎(chǔ)的涂層、包覆、陰極保護(hù)防腐系統(tǒng)維護(hù)，具體包括：涂層損壞位置打磨后補(bǔ)漆；對(duì)水下結(jié)構(gòu)涂層、犧牲陽(yáng)極塊通過(guò)潛水員或ROV遙控水下機(jī)器人進(jìn)行檢測(cè)；陰極保護(hù)系統(tǒng)電位檢測(cè)；對(duì)結(jié)構(gòu)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，力求對(duì)腐蝕疲勞進(jìn)行早期檢測(cè)；鋼構(gòu)基礎(chǔ)過(guò)度腐蝕位置，進(jìn)行鋼板厚度測(cè)量。

海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維技術(shù)

一、風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)檢修

（一） 振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)

振動(dòng)分析方法就是求解設(shè)備各部件的振動(dòng)特征頻率，并根據(jù)特征頻率將設(shè)備各部件的振動(dòng)區(qū)分開(kāi)來(lái)，從而對(duì)設(shè)備的故障進(jìn)行定位分析與診斷。

（二）油液在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

油液在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過(guò)分析對(duì)被監(jiān)測(cè)設(shè)備潤(rùn)滑油和液壓油本身性能的檢測(cè)、油內(nèi)磨屑微粒的情況，從而掌握設(shè)備運(yùn)行中潤(rùn)滑和零部件的磨損信息，是對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行不停機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷的重要手段。

海上風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量大，監(jiān)測(cè)設(shè)備費(fèi)用攤銷能力強(qiáng)。海上風(fēng)電機(jī)組上配置狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將是必然趨勢(shì)。

二、海纜綜合監(jiān)控

海纜綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式光纖溫度傳感器、分布式光纖振動(dòng)傳感器及雙端行波故障定位裝置對(duì)海底電纜受到的溫度、振動(dòng)、故障等進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，結(jié)合AIS船舶自動(dòng)定位系統(tǒng)，在危險(xiǎn)早期發(fā)出報(bào)警信息。

三、風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)防腐維護(hù)

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)防腐維護(hù)，主要包括： 防腐涂層維護(hù)；陰極保護(hù)系統(tǒng)檢查及保護(hù)電位檢測(cè)，檢查犧牲陽(yáng)極塊數(shù)量、測(cè)量尺寸，測(cè)量保護(hù)電位是否在-0.85V－-1.10V（相對(duì)Cu/飽和CuSO4參比電極）；關(guān)鍵焊縫位置的腐蝕疲勞預(yù)防性無(wú)損探傷檢測(cè)；腐蝕量檢測(cè)：測(cè)定鋼結(jié)構(gòu)壁厚。

四、風(fēng)電機(jī)組自維護(hù)技術(shù)

海上風(fēng)電機(jī)組自維護(hù)技術(shù)，是指設(shè)備可以在不用吊下整個(gè)機(jī)艙的情況下將損壞的部件卸下來(lái)。針對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組自身所具有的特點(diǎn)，大型起重設(shè)備不方便進(jìn)入，因而自帶內(nèi)部吊車用以維護(hù)偏航電機(jī)、液壓站等小型部件的技術(shù)。

五、大部件的更換

大部件的更換步驟，如圖5所示。

海上風(fēng)電場(chǎng)通達(dá)模式

一、海上風(fēng)電場(chǎng)通達(dá)模式概況

我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)剛剛起步，尚無(wú)專門的海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維船舶，多租用小型漁船。國(guó)外海上風(fēng)電場(chǎng)交通有三種：直升機(jī)、交通艇、運(yùn)維船。

二、近海風(fēng)電場(chǎng)通達(dá)模式

（一）直升機(jī)

采用直升機(jī)運(yùn)送人員及工具，直接飛至海上風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙頂部或上空，通過(guò)懸索方式將維修人員降落到機(jī)艙頂部，開(kāi)展維護(hù)作業(yè)，如圖6所示。優(yōu)點(diǎn)是通達(dá)率高、速度快；缺點(diǎn)是費(fèi)用高，運(yùn)輸能力有限。由于我國(guó)尚未開(kāi)放低空飛行，暫時(shí)不具備可行性。

（二） 船

主要涉及三種船舶，特點(diǎn)如下：

1．直接接觸型船舶。由簡(jiǎn)單緩沖裝置與風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)相接觸，噸位較小，適用于離岸較近、短期、靈活的風(fēng)電機(jī)組維護(hù)，如圖7所示。

2．舷板型船舶。特點(diǎn)為在船頭附近安裝有可供人員行走的伸縮型舷梯，舷板的自由端可搭在（或由端扣裝置扣在）風(fēng)電機(jī)組連接件的固定裝置上，如圖8所示。

3．非接觸型船舶。此類船舶采用人員運(yùn)輸系統(tǒng)（吊籠、吊籃等）將運(yùn)維人員運(yùn)輸至風(fēng)電機(jī)組連接件頂部平臺(tái)上；船舶與風(fēng)電機(jī)組連接件之間需保持必要的安全距離。

三、遠(yuǎn)海通達(dá)模式

遠(yuǎn)海區(qū)域風(fēng)電場(chǎng)檢修維護(hù)情況與近海區(qū)域風(fēng)電場(chǎng)基本相同。但是由于遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)一般建有海上升壓站，并配有基本的生活基地及倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)施，通常運(yùn)維人員可在遠(yuǎn)海生活基地臨時(shí)性居住，特殊情況下如風(fēng)電機(jī)組定期維護(hù)或者大部件更換時(shí)可有部分人員長(zhǎng)期居住在遠(yuǎn)海生活基地，海上生活平臺(tái)（如圖9所示）或運(yùn)維母船（如圖10所示）。

結(jié)論

綜上所述，要解決海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展和運(yùn)維成本高、難度大的矛盾，促進(jìn)海上風(fēng)電的可持續(xù)發(fā)展，需明確以下幾個(gè)方向：

（一）選擇合適的運(yùn)維模式：力爭(zhēng)在主機(jī)廠家負(fù)責(zé)運(yùn)維的質(zhì)保期內(nèi)，加強(qiáng)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維人員的培養(yǎng)，同時(shí)培育第三方專業(yè)服務(wù)公司，最終找到適合海上風(fēng)電的最近運(yùn)維模式。

（二）通過(guò)有效措施，加快提高運(yùn)行維護(hù)人員技術(shù)水平，積累經(jīng)驗(yàn)，提高解決故障和管理運(yùn)行、維護(hù)的能力。

（三）隨著海上風(fēng)電由潮間帶、近海向深海發(fā)展，以及海上升壓站的增加，海上交通工具由直接接觸型船舶，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｉ仙钇脚_(tái)+運(yùn)維船或運(yùn)維母船+運(yùn)維船模式。

（作者單位：高宏飆，劉碧燕：江蘇海上龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司；孫小釬：中能電力科技開(kāi)發(fā)有限公司）