海上風電運維：從近海走向深遠海域

上海電力實業有限公司 ■ 孫雷

華銳風電科技(集團)股份有限公司 ■ 汪鋒 張雯* 魏新

0 引言

近年來，全球風電行業發展迅速，相較于陸上風電，海上風電具有風能資源豐富、湍流強度小、不受土地限制、視覺和噪聲污染低等優點[1]，同時，海上風電場距離負荷中心較近，可以就地消納，受長距離輸電技術及經濟、環境的制約較小。因此，海上風電已成為全球新能源開發的熱門領域。根據歐洲風能協會統計，目前歐洲海上風電裝機容量約為12.6 GW，預計到2030年，歐洲海上風電裝機容量將達64～86 GW，占歐洲電力需求的7%～11%，且明顯呈現出從近海向深遠海域風電發展的態勢。

我國海上風電起步相對較晚，主要以潮間帶及近海區域為主，分布在山東、江蘇、上海、浙江、福建和廣東等沿海區域。2009年，“上海綠能聯合體”完成了第一個海上風電場的建設，該項目使用了華銳風電科技(集團)有限公司生產的3 MW風電機組，經過近幾年的發展，海上風電運營商和海上風電機組制造商已經積累了豐富的海上風電場建設、風電機組設計及運維經驗。為了發展清潔能源，充分利用我國豐富的海上風能資源，《可再生能源發展“十三五”規劃》指出，要大力發展海上風電，在2020年底，海上風電并網裝機量要達到500萬kW以上。因此，在政策利好和技術進步的推動下，我國海上風電將迎來一個快速發展的時期。

隨著海上風電技術的不斷成熟，開發規模化的潮間帶及近海風電場已不存在技術制約，但其會受到用海緊張的影響，并會對生態環境、漁場、航線產生影響，這對近海海域風電場的建設和發展存在一定程度的制約。而深遠海域更廣、風能資源更豐富，且不會與海上漁場、航線等發生沖突，從長遠來看，海上風電從潮間帶、近海走向深遠海域是必然趨勢。在國外，英國蘇格蘭海域運行的世界首座漂浮式風電場Hywind已投入商業化運行[2]；在國內，上海綠色環保能源有限公司正組織國內知名的海上風電機組制造商等相關單位開展基礎和整機的關鍵技術攻關和產品設計工作，并已取得了預期的效果。

1 深遠海域風電運維現狀與分析

深遠海域的風電機組故障率會比陸上、近海的風電機組要高，且風電場離岸較遠，維護難度較大，因此，深遠海域風電場的運維將會面臨更加嚴酷的挑戰。

1.1 風電機組及其部件的潛在故障率高

由于深遠海域風電場較陸上、潮間帶及近海風電場的工作環境更加惡劣，如受鹽霧腐蝕、臺風的破壞、雷電、海浪的荷載，機組振動和海上撞擊物的影響[3]，深遠海域風電機組的潛在故障率相對較高。據統計，海上風電機組近50%的停運時間是由于機組大部件損壞造成的，13%的故障與電控系統有關，這都嚴重影響了海上風電場的經濟效益。因此，不僅需要為海上風電機組選擇高質量的部件，還需要為海上風電場制定高效率、預防性的運維檢修機制[4]。

1.2 缺少深遠海域風電運維經驗

近年來，全球海上風電的發展勢頭引人矚目。根據《2017風能行業發展白皮書》的預測，到2026年，我國海上風電新增并網份額約占亞太地區的85%，新增并網容量將達到24.7 GW。而目前，我國深遠海域風電建設正處于起步階段，對于安全規范、信息體系建設、機組維護、運維交通工具及調度等方面尚未有相應的標準，積累的經驗也相對較少。因此，深遠海域風電的環境特殊性和運營經濟性對風電場運維管理水平和運維專業技術水平提出了較高的要求。

1.3 深遠海域風電運維成本高

深遠海域風電技術將向漂浮式、大功率機組方向發展，在整個項目中，風電機組的成本占比是最高的，其次是運維成本。據統計，目前海上風電場運維成本占整個項目全生命周期成本的18%～23%[5]。影響海上風電機組運維成本的因素主要包括以下幾方面：

1)海上氣候條件。海上天氣對船只的出航、風電機組的登陸及海上作業都有較大的影響，導致海上運維時間具有不確定性，影響風電機組的發電量。

2)交通工具。海上風電運維交通工具以船舶或直升機為主，用于大部件吊裝、運維人員及運維工具的運輸等，且運輸費用會隨運輸距離而增加。深遠海域風電場離岸較遠，需要根據不同的作業需求，配置不同類型的運維交通工具。

3)風電機組及部件的可靠性。海上風電機組由于所處環境惡劣，部件的失效率較陸上風電機組高，直接導致了出海次數、備件消耗等的增加，隨之帶來故障檢修成本的上升。

4)部件備件管理。海上風電機組的可達性差，合理的備件管理可以配合運維計劃，及時處理機組故障，減少因故障導致的停機時間及損失。

面對嚴酷的挑戰，為了彌補深遠海域風電運維經驗的不足，需要建設完善的運維體系，建立機組全生命周期維護標準，完善作業指導文件，嚴格規范維護項目、操作步驟、作業人員及時間等。應充分利用信息化手段，了解風電場環境因素，如臺風、出海條件等，及時采取適合的運維策略。同時，為了進一步提高風電機組的可利用率，需采取智能化監測和故障診斷技術，監視風電機組各關鍵部件的健康狀態，做出合理的檢修建議，以延長部件使用壽命或選擇最優的時間點進行機組維護，從而降低機組故障率和運維成本。除降低機組故障率以外，合理的船只、備品備件和調度管理方式也可降低運維成本。因此，建立風電運維體系是迎接深遠海域風電運維挑戰的關鍵。

2 深遠海域風電運維“四化”體系

深遠海域風電運維“四化”體系是將標準化、精益化、智能化和定制化貫穿于深遠海域風電運維業務及風電機組全生命周期。對深遠海域安全規范及作業流程進行標準化管理，保障運維人員安全的同時，提高運維效率并降低運維成本；備品備件、調度的精益化，除消除不合理的浪費外，還可提高問題處理響應速度和客戶體驗度；利用先進的信息化和故障預診斷技術提升運維的智能化水平；定制化意味著個性化、差異化和最優化，以客戶和機組需求為目標，打造個性化服務。以大數據為依托，將標準化、精益化與智能化相結合，使業務鏈信息化、智能化管理成為深遠海域風電運維的發展趨勢。

2.1 深遠海域風電運維標準化

深遠海域風電運維當前尚處于摸索階段，還需借鑒陸上、近海風電運維經驗，如果能將已有的經驗、流程沉淀并標準化，將對深遠海域風電運維具有指導性意義。

深遠海域風電運維標準化涉及安全管理標準化、安裝和運輸管理標準化，以及風電機組作業流程標準化。

1)安全管理標準化。深遠海域環境惡劣，作業危險系數高。為了保障海上作業安全，對于海上作業人員除要求必須具備海上作業資質外，還要求其具備應急物資儲備能力、設備操作能力、救濟搶險能力等[6]。從海上作業流程、安全設備、安全培訓、應急預案、應急演練5個維度出發，制定深遠海域風電運維安全管理規章制度，對現場安全設施、措施、監督實施標準化規范管理，建立安全督察制度、加強作業現場反違章、落實安全督察閉環管理機制，為深遠海域風電運維人員和風電場設備提供安全保障。

2)安裝和運輸管理標準化。海上風電機組的安裝和運輸不僅涉及風電場前期建設，也包括了大部件更換和日常運維過程。鑒于深遠海域環境的可達性較差的特點，風電機組和部件的安裝運輸，以及人員的輸送是一個較為復雜但必須要克服的問題，因此，需要開展相應的標準化工作。

深遠海域風電運維交通工具主要以船只為主，特別是在風電場建設初期，現場作業點分散，施工船機較多，人員作業休息基本都在船上，若無嚴格的流程管控和安全把控，將影響到整個項目的周期和成本，且會對人員安全造成威脅。

制定船舶管理標準化流程，規范船只數量、停放位置、安全設施和消防實施等。臨時租賃的特殊船舶應嚴格遵守租賃管理協議。出海作業的船舶需遵循統一調度，記錄出海作業情況，對出海和返港人員人數嚴格把控[7]，以防出現意外；且在發生突發情況時，能夠及時采取相應的應急救援措施。

安裝過程標準化，能夠有效地管控安裝風險、提高工作效率，將其業務流程按照模塊化的方式進行拆裝組合，嚴格制定工序和操作流程，從而保障安裝過程安全有序進行。

3)風電機組作業流程標準化。深遠海域風電運維不同于陸上和近海，作業難度系數大，但可用于工作的時間較少。因此，必須標準化風電機組作業流程和作業時間，編制作業指導文件，對風電機組運維檢查項目、所用備件工具、作業人員能力、作業人員數量、作業時長、操作步驟等做出嚴格規范。一旦故障發生，在滿足出海作業的條件下，根據作業指導文件，專業技術人員需攜帶相關備件、工具并按照操作步驟進行處理。標準化作業流程不僅可縮短作業時間，提高效率，還可降低運維成本。

2.2 深遠海域風電運維精益化

深遠海域風電場維護(Maintenance)、維修(Repair)與大修/運行(overhaul/Operations)在風電機組全生命周期中占有重要地位。“精益MRO”是精益理念在風電運維中的應用，即通過某種方式發現并消除風電運維中不合理的浪費，降低深遠海域風電運維成本[8]。

風電運維中的浪費，不僅是運維成本的浪費，還包括備品備件過剩或不足、檢修計劃制定及調度不合理等。“精益MRO”以消除不必要的浪費為目標，將備品備件及運維調度精益化管理，在保證風電場正常運行的同時，提高風電場運維效率。

1)備品備件精益化。在風電機組全生命周期過程中，為了保證風電機組的安全可靠運行，會有大量的零部件更換和維修，導致經常會出現備品過剩或不足的情況發生[8]。高質量的備品備件精益化管理，合理的庫存配置，不僅可以保證機組的安全運行，還能降低因機組故障導致的發電量損失，進而提高風電場的經濟效益。

2)運維調度精益化。深遠海域風電場離岸較遠，機組運維要對海上氣候、出海成本、停機損失等進行綜合分析并制定合理、經濟的維護方案[9]。當故障檢修、定期檢修及狀態檢修工作量達到一定閾值時，需根據運維作業對船只、備件、維護人員、運維工具等資源進行合理分配，并結合氣象信息制定合理的“MRO計劃”，為運維工作的順利、高效開展提供保障。

2.3 深遠海域風電運維智能化

隨著信息技術的發展，先進傳感及信號采集技術、智能控制技術、大數據技術等也逐步應用到風電開發及機組運維中[10]。如風電場日常業務信息化管理，借助先進的傳感器對風電機組數據進行采集，采用大數據及人工智能技術對設備數據進行分析診斷，可有效提升風電場運維效率及管理。深遠海域風電場具有離岸較遠、環境惡劣、機組結構復雜等特點，決定了其需要更高的信息化、自動化技術來實現風電場管理。

2.3.1 風電場綜合信息智能化管理

深遠海域風電場日常運維涉及各類信息管理，如風電機組檔案、設備信息、人員管理信息、氣象信息等，若能將該業務智能化管理，可規范深遠海域風電場日常管理秩序，提高運維效率。建設風電場綜合信息智能化管理平臺，集成風電機組檔案模塊、設備信息模塊、員工能力矩陣模塊、氣象信息模塊于一體，實現深遠海域風電運維業務一體化管理[11]。

風電機組檔案模塊包括風電機組靜態信息和動態信息。靜態信息記錄風電機組機型、配置、部件型號等；動態信息記錄風電機組故障信息、維護信息等。設備信息模塊主要記錄備件、工具、船只的數量、存儲的位置，以及進出庫等基本信息。員工能力矩陣模塊主要記錄風電場運維所需具備的能力、員工自身能力及能力等級、在崗狀態的評估，以便于管理者進行人員安排。氣象信息模塊記錄海上天氣預報、災害預警、氣象云圖、臺風、暴雨雪等氣象信息。根據氣象信息，安排出海作業。計劃管理模塊主要針對風電場各類維護需求、巡檢工作制訂計劃，以維護單臺機組為任務，列出操作項、工具、所需備件和船只需求，并將工作落實至個人。

2.3.2 風電場智能監控和運行優化

深遠海域風電場尚在建設初期，參考案例和數據較少，需要逐步積累更多的數據和經驗，指導后續的風電機組優化設計和風電場運維管理工作。開展智能化風電場監控研究和系統建設可以讓風電場管理者能夠及時地了解機組的運行狀態、報警信息和基于專家庫的故障快速處理方法，同時配合智能化的數據采集策略，將風電機組及其相關設備的運行軌跡進行記錄，為后續的風電場運行優化奠定基礎。

風電場運行優化是結合風電場綜合信息管理系統，開展風電場整體運行效果評估、風電機組間對比、可利用率和單機性能深度分析等工作，并利用分析結果為后續風電機組設計優化、性能提升改造和風電場運維優化系統提供參考依據。

2.3.3 智能化狀態監測與故障診斷

受風電機組故障、海上天氣、交通工具等各方面因素影響，深遠海域風電運維成本較高，應使用智能化狀態監測設備采集風電機組運行數據，對風電機組葉片、齒輪箱、發電機、主變壓器、電氣系統零部件、風電機組基礎、海纜、GIS等運行狀態進行評估與實時診斷分析，根據診斷結果及檢修建議對風電機組進行維護，從而增強部件的可靠度并延長其壽命。同時，也可及時發現機組存在的隱患，做出緊急搶修、臨時停機、選擇最優時間點開展維護等應對措施[4]，避免嚴重事故的發生，提高機組可利用率。

綜合來講，狀態監測和故障診斷是提高機組可靠性、保證深遠海域風電場經濟效益的有效手段。

2.4 深遠海域風電運維定制化

復雜的深遠海域環境，對風電機組的適應性提出了更高的要求，其運維在借鑒上述運維策略的基礎上，還需增加靈活的定制化運維方式。根據深遠海域風電場的環境條件及客戶的不同需求，在機組配置、機組運維等方面進行精細的差異化設置[10]，以便最大限度地利用風能資源。

1)客戶定制化服務。現有的陸上、近海風電運維服務方案已經不能完全滿足客戶對深遠海域風電業務的需求，需結合客戶的需求，為客戶量身訂做運維方案。結合已有的遠程技術支持服務、部件維修及供應、大部件更換總包、預防性體檢維護等項目，為客戶做個性化開發，完成客戶需要的定制需求[12]。這種定制化服務形式靈活、內容多樣，在強有力的技術支撐下，為客戶提供更好的服務，甚至可以提升風電機組可利用小時數，提高運維效率，降低運維成本，讓客戶在項目全生命周期內以最小的投入創造最大的收益。

2)風電機組定制化運維。未來，深遠海域同一個風電場可能配置不同機型的機組，或同一機型機組可能應用在不同海域環境。不同機型機組配置不同時，器件選型、控制策略等都有所差異。同一機型在不同海域環境，因環境的差異性，器件壽命及所呈現出的特性與失效形態可能不同。因此，陸上、近海風電運維方案已經不能完全滿足深遠海域風電運維的需求，需從不同機型配置、不同應用環境角度出發，定制深遠海域風電機組運維方案。

深遠海域風電機組運維方案包括運輸、吊裝、調試、檢修、維護等，涉及機組全生命周期。制定不同機型的風電機組在不同應用環境下的作業維護標準，避免不必要的操作和備件損失，通過高質量、高效率及科學的運維方式，降低故障率，延長機組壽命，保證機組可靠穩定運行。

3 結論

海上風電從近海走向深遠海域是必然趨勢。我國深遠海域風電建設尚處于起步階段，在機組開發及運維方面的經驗較少。因此，在深遠海域風電場建設及運行初期，需要借鑒國外、國內海上風電場的建設及運維經驗，借助信息化及智能控制技術，以標準化、精益化、智能化、定制化為核心的“四化”體系為指導，實現深遠海域風電運維業務鏈信息一體化管理，最大限度地降低深遠海域風電場的建設及運維成本；在保證風電場安全、可靠運行的前提下，保證風電場的經濟效益，促進深遠海域風電健康、長遠的發展。

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