首页Home | 收藏本站 | 订阅 | 登录 | 注册 | 手机网 | 微博 | 微信 | 下载中心Download 2015/03/11 10:52:45


海上风电运维服务探索之运维船
我国海岸线长,海上风资源丰富,海上风电又具有占地面积少,开发规模大,发电利用小时数高等特点,加上陆上风电又面临困境,以及国家政策利好,海上风电将成为我国新能源发展的重要途径。随之而来的海上风电运维过程中我们会遇到许多问题,运维船就是其中一个。本文主要介绍了海上风电运维船的分类及其发展趋势、海上风电运维船的配置原则以及海上风电运维船的调度。

文丨曾佑清  闫中杰


海上运维现状不尽如人意

2016年全球海上风电新增装机近2200MW,累计装机容量近14300MW,全球90%以上的海上风电在欧洲。2016年德国和荷兰分列新增装机容量第一和第二,2016年中国海上风电新增装机容量592MW,排名第三,累计装机容量1627MW。

欧洲持续引领海上风电市场,海上风电的平均单机功率逐渐增大,海上风电场的平均水深也在增加。尽管欧洲目前处于领先地位,但中国的海上风电也在逐步发展,2016年12月,国家发改委印发《可再生能源发展“十三五”规划》,提出加快推进已开工海上风电项目建设进度,积极推动后续海上风电项目开工建设,鼓励沿海各省区市和主要开发企业建设海上风电示范项目,带动海上风电产业化进程。

同时,国家能源局出台的《风电发展“十三五”规划》也提出,要积极稳妥地推进海上风电建设,到2020年,全国海上风电开工建设规模达到1000万千瓦,力争累计并网容量达到500万千瓦以上。我国海上风电发展趋势是稳中求进。在未来几年,随着海上风电技术的不断进步,海上风电开发成本会进一步降低,我国海上风电可能会取得更快的发展。

海上风电市场在我国是新兴市场,真正成规模开发是从2015年开始的。随之而来的海上风电运维市场也是欣欣向荣。然而海上风电运维有着一些特点和难点,主要包括:

  • 闪电等恶劣海洋环境影响,机组容易出现故障
  • 受风浪影响,运维人员难以到达机组,故障待修时间长,发电损失大
  • 缺乏专业装备,运维效率低,安全风险大
  • 海上维修困难,尤其是大部件更换
  • 智能化低,预防维护少
  • 缺乏运维管理经验
  • 海洋气象监测不精确

由于一切都在起步阶段,海上运维的现状不尽如人意,在我国某离岸较近的海上风电场,机组可利用率远低于陆上风电场的可利用率,随着在建和未来的海上风电场离岸距离的增加,如果采用现有运维模式,采用现有运维船,将导致机组可利用率难以达标,严重影响发电收益。
欧洲的海上风电已经大规模开展,提高海上风电运维能力成为降低停机损失,提高发电量的重要保障措施。风电运维港口和运维船构成了海上风电运维的主要设施和装备。

专业运维船市场不可小觑

海上风电运维船是用于海上风力发电机组运行维护的专用船舶。该船舶在波浪中应具有良好的运动性能,在航行中具有很好的舒适性,能够低速精准的靠泊到风力发电机组的基础,防止对基础造成较大冲击,并能够与基础持续接触,能够安全便利地将人员和设备运送到风力发电机组;船舶甲板区应具有存放工具、备品备件等物资的集装箱或风力发电机组运维专用设备的区域,并可以进行脱卸;船舶还应具有运维人员短期住宿生活的条件和优良、舒适的夜泊功能。

根据国外海上风电的发展,风电运维船主要分为四类:

(1)普通运维船

泛指用于海上风电工程或运维的交通艇,典型特征为航速较低(20节以下),普通舵桨推进,耐波性差,靠泊能力差(有效波高1.5米以下)

(2)专业运维船

指用于海上风电工程或运维的专业船舶,典型特征为航速较高(20节以上),全回转推进(喷水或全回转舵桨),耐波性好,靠泊能力强(有效波高1.5米至2.5米),抗风浪强。

(3)运维母船

指用于海上风电运维,供人员住宿,存放备件的较大型船舶,典型特征为:可提供40人以上的住宿,具备一个月以上自持力,靠泊能力优异(有效波高2.5米以上),具备DP定位及补偿悬梯传送人员功能。

在国外运维船的发展史上,并非一开始就是这么专业的运维母船。开始采用商船改造,随着需求的提高,针对海上风电运维进行了适应性改造。

(4)自升式运维船

指主要用于海上风电运维的大部件更换(齿轮箱、发电机等)的船舶。典型特征为:具备一定的起重能力,拥有自升式平台,能适应水深40米以内大多数海域作业,具备DP定位及较长的自持能力。

风电运维船是海上风电运维的主要装备。国外海上风电运维过程中,专业运维船作为最重要的可达性装备被普遍应用到各海上风电场,由单体船、双体船以及三体船等船型组成。

国内海上风电刚刚起步,国内运维船处于起步阶段,目前使用的是普通运维船,主要由交通艇和渔船发展而来,近年以来逐渐出现简易功能的双体船。现有的运维船基本可以达到每年200天的出行天数,然而随着离岸距离加大,以及天气更加恶劣的南方区域海上风电的开发,出行天数将会降低。风电运维船专业化必将是未来的趋势。

根据发改委能源研究院的数据,结合BTM海上运维成本构成来推算,海上风电的运维成本占总成本的20%左右,运维船舶相关的费用又占了运维成本的20%左右。从现阶段的实际情况来看,国内在运维船上的投入是不足的,应进一步加大。然而这个情况正在变化,由于前期使用交通艇无法满足风电场需求,现已经开始建造更好的运维船,可是目前建造的运维船仍难以满足风电场的需求,而后会建造更好的专业运维船,这是一个循序渐进的过程

到2020年,按开工建设规模1000万千瓦,累计并网容量500万千瓦,平均单机功率按5MW计算,我国开工建设规模约有2000台海上风力发电机组,累计并网约有1000台海上风力发电机组。按照每30台机组需要一艘专业运维船,再加上海上风电场开发区域不同和海上风电运维主体不同等因素,海上风电专业运维船的需求会近百艘。海上风电专业运维船也将是一个不可小觑的市场。

运维成本随运输距离增加

海上风电场运行维护需综合考虑离岸距离、气象海况、机组故障率,维护行为、发电能力、运维经济性等因素来进行运维船的配置。一般来说较大规模的风电场采用船队形式,包括不同形式的船舶,如交通艇、专业运维船、专业运维母船、救援监护船及其他专用工程船舶。

运维船配置的一般原则是:天气较好、离岸较近的采用普通运维船,天气复杂、离岸较近的采用先进的专业运维船,天气较好、离岸较远的采用普通运维船或专业运维船和运维母船,天气较复杂、离岸较远的采用专业运维船和运维母船。

影响运维船主要参数的环境因素主要包括,距离,水深,波高,风况等等。一般而言抗风能力超过抗浪能力,所以波高是更关键的因素。国内风电场主要集中在黄海北部,渤海湾,黄海,福建和广东等区域。各区域环境情况(见表1、表2)。


风电场距离 km
水深 m
平均风速 m/s
波高m
特殊天气 D
黄海北部 
10~30
10~30
6.5~7.5
1.3~3.5
90
黄海 
5~60
0.5~25
7~7.7
1.6~4.4
73.5  
福建 
5~30
3~30
8~10
1.0~4.5
134
广东 
5~30
3~30
7~8
1.0~4.4  
130  
表1:各区域环境概况

风速m/s
黄海北部%
黄海(江苏)%
福建%
广东%
1
0.5
2
2.0
1.2
2
6
4
2.8
3.2
3
10.5
7
4.6
5.4
4
11
8.5
5.9
7.4
5
11.4
10.5
6.7
9.6
6
11
11.5
6.1
11.9
7
9.9
12.5
7.0
14.6
8
9
10.5
7.4
12.6
9
7.5
9
8.3
12.4
10
6.5
7
8.9
8.5
11
5
5.5
8.1
5.6
12
3.5
4.5
7.4
3.4
13
3
3
6.7
1.8
14
2.2
2
5.4
1.2
15及以上
3
2.5
12.8
1.3
表2:各区域风频分布

我们根据环境情况、运维船的航速、运维船环境适应能力等条件、机组数量、机组性能、运维能力等因素建立了一个可利用率的估算模型,通过该模型计算出来的某海上风电场的相关数据(见表3)。
单台年故障次数
专业运维船
普通运维船
3
98.16
97.44
4
97.43
96.42
5
96.61
95.28
6
95.59
93.86
7
94.37
92.15
8
93.11
90.4
9
91.74
88.49
10
90.05
86.13
11
88.15
83.48
12
86.48
81.17
表3:某海上风电场模型计算数据

从表3可以看出,机组单台年故障次数超过5次时采用普通运维船可利用率小于95%;如果采用专业运维船,单台年故障次数为5次时可利用率超过96%,当机组单台年故障次数3次,可利用率可以达到98%。

海上风电机组相对于陆上来说故障率更高,因为它们面临的是一个更加恶劣的环境、更高难度的维护方式等。随着海上风电的发展,海上风电场建设不得不需要转移到离岸更远的地方,更深的水域。由于这个变化,运维成本将会增加,同时面临更远的运输距离,更恶劣的气候条件和更严峻的物流挑战。为降低海上风电场运维成本及提高风电场可利用率,需要合理的规划海上风电场运维工作,针对不同的故障信息,选择最优维护方案。模型的建立需要考虑运维船配置、气候参数、风机具体故障、处理故障需要时长及人数等要素。图1是一个非常典型海上风电运维船配置和调度的模型。



图1:海上风电运维船配置和调度的模型

重点考虑气象、运维船模式、机组故障模型、相关费用来制定运维策略,建立模型进行分析,最终计算风场的发电量、故障时间及运维费用等,以综合收益最大来选择合适的运维策略。

创新海上风电运维模式

海上风电运维船作为海上风电运维重要的装备,它对我国海上风电的发展具有一定的影响。运维船智能调度是海上风电智能运维的必备条件,高效合理的船队配置和调度技术是降低海上运维成本,提高发电量的关键措施之一。在发展我们的海上风电运维船的过程中,我们应该借鉴国外成熟的经验,同时,我们还应该根据我国的实际情况来发展适用于特定环境、特定工作模式的海上风电运维船。

海上风电运维的目标是在全寿命周期内,降低运维成本,降低发电损失,提高风电机组的发电量,从而提高客户收益。海上风电运维与陆上风电运维最大的区别在于可达性差,造成的运维难度的加大和运维成本的提升。为了解决海上风电运维的难题,我们需要创新海上风电运维模式,围绕服务调度展开相关工作,从而形成全面的海上风电运维解决方案。

(曾佑清系重庆还装风电工程技术公司海上运维中心技术总监;闫中杰系盛东如东海上风力发电有限责任公司副总经理)
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