文 | 高宏飆，孫小釬，劉碧燕

海上風(fēng)電場運維技術(shù)及通達(dá)方式研究

文 | 高宏飆，孫小釬，劉碧燕

我國海上風(fēng)電正處于加速發(fā)展階段，2015年底海上風(fēng)電累計裝機容量近100萬千瓦，但國內(nèi)海上風(fēng)電運維經(jīng)驗缺乏。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輸?shù)确矫嬗绊?，在運行和維護(hù)中安全風(fēng)險大。高昂的運營費用給海上風(fēng)電場的維護(hù)帶來了極大的挑戰(zhàn)，亟待開展相關(guān)研究，提升風(fēng)電場整體運營效率。

本文結(jié)合我國海上風(fēng)電的實際情況，對運維現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研分析，提出應(yīng)對策略。

國內(nèi)海上風(fēng)電場運維特點

由于受到風(fēng)電機組本身的特點以及海洋環(huán)境條件的制約，海上風(fēng)電場的運行與維護(hù)，相對于陸上而言難度更大、要求更高。目前國內(nèi)海上風(fēng)電場運維有以下特點：

一、經(jīng)驗缺乏

目前已投運海上風(fēng)電項目較少，規(guī)模小，整體尚處于摸索階段，運維經(jīng)驗缺乏。

二、成本較高

海上風(fēng)電機組單機容量的大型化，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)時間短

目前已投運的海上風(fēng)電場主要布置在江蘇海域，江蘇沿海灘涂及淺水海床寬闊，運維作業(yè)受潮汐影響明顯，通達(dá)困難，有效作業(yè)時間短。據(jù)統(tǒng)計，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)龍源如東海上風(fēng)電場統(tǒng)計，成熟機組故障率明顯高于陸上機組；而海上試驗風(fēng)電場采用國產(chǎn)樣機基本沒有密封防鹽霧設(shè)計，故障率更高，如圖1、圖2所示。

由圖1可見：海上試驗風(fēng)電場單臺故障次數(shù)約為陸上2.6倍，最高達(dá)20倍。由圖2可見：海上試驗風(fēng)電場單臺故障次數(shù)，約為成熟機組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)電機組基礎(chǔ)防腐維護(hù)工作量大

海上風(fēng)電機組直接暴露在嚴(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?？俊L(fēng)浪影響，會對基礎(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)電開發(fā)容量小，難以供養(yǎng)，導(dǎo)致缺乏。

七、存在重建設(shè)、輕運行維護(hù)的現(xiàn)象

我國海上風(fēng)電仍處在初級階段，為快速占據(jù)有利的產(chǎn)業(yè)市場地位和份額，海上風(fēng)電機組制造、運營各方，對風(fēng)電工程建設(shè)高度重視，而對運行維護(hù)精細(xì)化管理缺乏重視。

八、存在運行、維護(hù)脫節(jié)問題

由于海上風(fēng)電機組供應(yīng)商涉及較多的技術(shù)壁壘，海上風(fēng)電場業(yè)主較少獨立地進(jìn)行風(fēng)電場的運行和管理。加上運行系統(tǒng)和維護(hù)系統(tǒng)相對獨立，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)電場運維模式

海上風(fēng)電場維護(hù)主要采用基于機組健康狀況的主動預(yù)防性維護(hù)策略。應(yīng)用運程監(jiān)控系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)分析，在發(fā)現(xiàn)機組健康狀況出現(xiàn)異常之初，但還沒有造成機組停機或零部件進(jìn)一步損壞時，進(jìn)行檢查和維護(hù)。及時發(fā)現(xiàn)機組異常及振動等問題，減少維護(hù)人員出海進(jìn)行巡檢的次數(shù)；實時監(jiān)控機組運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)故障早期征兆及發(fā)展趨勢，使運維人員能夠合理安排維護(hù)計劃，避免故障發(fā)生，減少維護(hù)人員登上機組探查故障原因的次數(shù)，有效減少維護(hù)成本和停機時間。

現(xiàn)已投運的海上風(fēng)電場運維模式主要有以下三種：

一、整機廠家負(fù)責(zé)運維

風(fēng)電機組出質(zhì)保后仍然由整機廠家負(fù)責(zé)運維。此種運維模式的主要弊端是運維費用較高，且風(fēng)電場運行廠商沒有自己的維護(hù)技術(shù)人員儲備，容易受制于人。

二、風(fēng)電場人員負(fù)責(zé)運維

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

三、第三方專業(yè)服務(wù)公司負(fù)責(zé)運維

風(fēng)電機組出質(zhì)保后交由市場上第三方專業(yè)運維服務(wù)公司運維。此種模式維護(hù)費用介于上述兩者之間，但是可以通過第三方服務(wù)公司培訓(xùn)過的專業(yè)技術(shù)人員來保證運維的質(zhì)量和風(fēng)電機組可利用率。

海上風(fēng)電場運維工作內(nèi)容

一、海上風(fēng)電場運維工作內(nèi)容

共有6大項內(nèi)容，如圖4所示。

維護(hù)工作包括13項內(nèi)容：風(fēng)電機組（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，直升機平臺、防沖刷結(jié)構(gòu)及防腐系統(tǒng)）；風(fēng)電機組基礎(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，場內(nèi)和送出海纜及電纜接入等附屬結(jié)構(gòu)）；測風(fēng)塔（含海洋水文監(jiān)測系統(tǒng)）；航空障礙燈；助航標(biāo)志；逃生及救生裝置；消防系統(tǒng)；運維交通工具；通訊設(shè)施；防雷接地系統(tǒng)。

二、風(fēng)電場巡視

（一） 巡視種類

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

（二） 巡視項目

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

三、風(fēng)電場定期維護(hù)

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

（一） 機械定期維護(hù)

機械定期維護(hù)項目，可分為11大系統(tǒng)部件：主軸、齒輪箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機、偏航、變槳、液壓、散熱系統(tǒng)、機架、起重機、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)動部件、壓力、力矩、間隙、信號、性能測試、程序試驗、校驗，噪音。維護(hù)內(nèi)容，可分為5大類：打磨后補漆、清潔、補充（油、脂、氣、液）、校驗、更換。

（二） 電氣定期維護(hù)

電氣定期維護(hù)項目，可分為9大系統(tǒng)部件：塔筒電纜及接地、塔基控制柜、機艙控制柜、變漿系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、變頻器、箱變、發(fā)電機、防雷保護(hù)系統(tǒng)。檢查對象，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)開關(guān)、接觸器、緊急停機按鈕、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、機械連接。檢查內(nèi)容，可分為9大類：松動、過熱、拉弧、吸合阻滯，輸入、輸出信號、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)項目：海上升壓站、風(fēng)電機組基礎(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漆；對水下結(jié)構(gòu)涂層、犧牲陽極塊通過潛水員或ROV遙控水下機器人進(jìn)行檢測；陰極保護(hù)系統(tǒng)電位檢測；對結(jié)構(gòu)焊縫進(jìn)行無損檢測，力求對腐蝕疲勞進(jìn)行早期檢測；鋼構(gòu)基礎(chǔ)過度腐蝕位置，進(jìn)行鋼板厚度測量。

海上風(fēng)電場運維技術(shù)

一、風(fēng)電機組狀態(tài)檢修

（一） 振動檢測技術(shù)

振動分析方法就是求解設(shè)備各部件的振動特征頻率，并根據(jù)特征頻率將設(shè)備各部件的振動區(qū)分開來，從而對設(shè)備的故障進(jìn)行定位分析與診斷。

（二）油液在線監(jiān)測技術(shù)

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

海上風(fēng)電機組單機容量大，監(jiān)測設(shè)備費用攤銷能力強。海上風(fēng)電機組上配置狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)將是必然趨勢。

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、分布式光纖振動傳感器及雙端行波故障定位裝置對海底電纜受到的溫度、振動、故障等進(jìn)行在線監(jiān)測，結(jié)合AIS船舶自動定位系統(tǒng)，在危險早期發(fā)出報警信息。

三、風(fēng)電機組基礎(chǔ)防腐維護(hù)

風(fēng)電機組基礎(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，檢查犧牲陽極塊數(shù)量、測量尺寸，測量保護(hù)電位是否在-0.85V－-1.10V（相對Cu/飽和CuSO4參比電極）；關(guān)鍵焊縫位置的腐蝕疲勞預(yù)防性無損探傷檢測；腐蝕量檢測：測定鋼結(jié)構(gòu)壁厚。

四、風(fēng)電機組自維護(hù)技術(shù)

海上風(fēng)電機組自維護(hù)技術(shù)，是指設(shè)備可以在不用吊下整個機艙的情況下將損壞的部件卸下來。針對海上風(fēng)電機組自身所具有的特點，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、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)電場通達(dá)模式

一、海上風(fēng)電場通達(dá)模式概況

我國海上風(fēng)電場的建設(shè)剛剛起步，尚無專門的海上風(fēng)電場運維船舶，多租用小型漁船。國外海上風(fēng)電場交通有三種：直升機、交通艇、運維船。

二、近海風(fēng)電場通達(dá)模式

（一）直升機

采用直升機運送人員及工具，直接飛至海上風(fēng)電機組機艙頂部或上空，通過懸索方式將維修人員降落到機艙頂部，開展維護(hù)作業(yè)，如圖6所示。優(yōu)點是通達(dá)率高、速度快；缺點是費用高，運輸能力有限。由于我國尚未開放低空飛行，暫時不具備可行性。

（二） 船

主要涉及三種船舶，特點如下：

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

2．舷板型船舶。特點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輸系統(tǒng)（吊籠、吊籃等）將運維人員運輸至風(fēng)電機組連接件頂部平臺上；船舶與風(fēng)電機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)電場檢修維護(hù)情況與近海區(qū)域風(fēng)電場基本相同。但是由于遠(yuǎn)海風(fēng)電場一般建有海上升壓站，并配有基本的生活基地及倉儲設(shè)施，通常運維人員可在遠(yuǎn)海生活基地臨時性居住，特殊情況下如風(fēng)電機組定期維護(hù)或者大部件更換時可有部分人員長期居住在遠(yuǎn)海生活基地，海上生活平臺（如圖9所示）或運維母船（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，需明確以下幾個方向：

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

（二）通過有效措施，加快提高運行維護(hù)人員技術(shù)水平，積累經(jīng)驗，提高解決故障和管理運行、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_+運維船或運維母船+運維船模式。

（作者單位：高宏飆，劉碧燕：江蘇海上龍源風(fēng)力發(fā)電有限公司；孫小釬：中能電力科技開發(fā)有限公司）