符 楊,許偉欣,劉璐潔
(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院,上海 200090)
海上風(fēng)電運(yùn)行維護(hù)策略研究
符 楊,許偉欣,劉璐潔
(上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院,上海 200090)
海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用約占總發(fā)電成本的25%~30%,這在一定程度上制約了海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.分析了海上風(fēng)電運(yùn)行的維護(hù)成本,闡述了計(jì)劃維護(hù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、事后維護(hù)等海上風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)策略,并對(duì)比其優(yōu)劣,對(duì)后續(xù)研究方向進(jìn)行了展望.
海上風(fēng)電;運(yùn)行維護(hù)成本;維護(hù)策略
近年來(lái),風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的重要性日益突出.按照其安裝地點(diǎn)可分為陸上風(fēng)電和海上風(fēng)電兩大類(lèi),由于陸上風(fēng)電占地面積大,而土地資源緊缺,風(fēng)電逐漸向海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展.與陸上風(fēng)電相比,海上風(fēng)電具有風(fēng)資源豐富、湍流強(qiáng)度小、視覺(jué)和噪聲污染小等優(yōu)勢(shì).但海上風(fēng)電的運(yùn)行維護(hù)成本較高,這成了制約海上風(fēng)電發(fā)展的一大瓶頸.
海上風(fēng)電機(jī)組由于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行于海上極端惡劣的環(huán)境中,其設(shè)備故障率顯著增高.設(shè)備發(fā)生故障后,需要安排足夠的運(yùn)行維護(hù)人員、相應(yīng)的備件、合適的船只進(jìn)入海上作業(yè),費(fèi)用昂貴.另外,受到風(fēng)速、浪高等氣候條件的限制,海上的可進(jìn)入性較差,在機(jī)組故障停機(jī)后,需要等待一個(gè)合適的天氣狀況才可進(jìn)入海上執(zhí)行維護(hù)任務(wù),從而延長(zhǎng)了機(jī)組故障停機(jī)時(shí)間,造成巨大的發(fā)電量損失.這些因素造成了海上風(fēng)電運(yùn)行維護(hù)成本過(guò)高.要想降低運(yùn)行維護(hù)成本,可以考慮設(shè)計(jì)適合海上氣候環(huán)境的風(fēng)電機(jī)組,提高機(jī)組可靠性以及優(yōu)化運(yùn)行維護(hù)策略,本文主要針對(duì)優(yōu)化運(yùn)行維護(hù)策略展開(kāi).
維護(hù)策略的種類(lèi)是多樣化的,大體分為基本維護(hù)策略和建立在基本維護(hù)策略基礎(chǔ)上的適合多部件的復(fù)雜維護(hù)策略,具體如圖1所示.
圖1 維護(hù)策略分類(lèi)
2.1 預(yù)防性維護(hù)策略
預(yù)防性維護(hù)是指在部件發(fā)生故障前對(duì)其進(jìn)行相關(guān)維護(hù),使機(jī)組能運(yùn)行在正常狀態(tài).文獻(xiàn)[1]指出預(yù)防性維護(hù)一般包括調(diào)整、潤(rùn)滑、檢查、擦拭、定期拆修更換等活動(dòng).預(yù)防性維護(hù)又可以進(jìn)一步細(xì)分為基于時(shí)間的維護(hù)(即計(jì)劃維護(hù))和基于狀態(tài)的維護(hù)(即視情維護(hù)).
2.1.1 計(jì)劃維護(hù)策略
計(jì)劃維護(hù)是指在對(duì)設(shè)備的故障規(guī)律有一定認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,無(wú)論設(shè)備的狀態(tài)如何,按照預(yù)先規(guī)定的時(shí)間對(duì)其進(jìn)行維護(hù)的方式,常用的計(jì)劃維護(hù)周期有半年、1年、2年或5年.
計(jì)劃維護(hù)策略的優(yōu)化研究,主要集中在優(yōu)化計(jì)劃維護(hù)周期.計(jì)劃維護(hù)周期選擇不恰當(dāng),就會(huì)出現(xiàn)過(guò)度維護(hù)或維護(hù)不足的現(xiàn)象,最終造成維護(hù)成本過(guò)高或可靠性過(guò)低的后果.
文獻(xiàn)[2]在風(fēng)電機(jī)組可靠性模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建了計(jì)及風(fēng)電機(jī)組老化過(guò)程、老化故障、隨機(jī)故障、計(jì)劃維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖,以可用度為評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化了計(jì)劃維護(hù)的時(shí)間間隔.文獻(xiàn)[3]在其成本函數(shù)中計(jì)及齒輪箱更換成本和齒輪箱故障后的故障維護(hù)成本,優(yōu)化了齒輪箱計(jì)劃維護(hù)的時(shí)間間隔,從而使系統(tǒng)單位時(shí)間內(nèi)的維護(hù)成本最低.文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]考慮的是完全維護(hù),即修復(fù)如新的情況,對(duì)計(jì)劃維護(hù)進(jìn)行了等周期間隔的優(yōu)化.但在實(shí)際情況中,隨著計(jì)劃維護(hù)次數(shù)的增加,設(shè)備的故障率也逐漸增加,采用等周期計(jì)劃維護(hù)時(shí),過(guò)度維護(hù)和維護(hù)不足的問(wèn)題會(huì)愈發(fā)嚴(yán)重.文獻(xiàn)[4]考慮了不完全維護(hù)的情況,引入役齡回退因子對(duì)設(shè)備維護(hù)后的故障率進(jìn)行修正,以總成本為評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化了非等周期預(yù)防維護(hù)的次數(shù)和間隔.
文獻(xiàn)[2]至文獻(xiàn)[4]都是針對(duì)陸上風(fēng)機(jī)所做的研究,目前對(duì)海上風(fēng)機(jī)的維護(hù)策略優(yōu)化研究取得的成果比較少,并且主要集中在國(guó)外.文獻(xiàn)[5]將海上風(fēng)機(jī)的葉片故障分為輕微故障和重大故障,其中輕微故障只會(huì)導(dǎo)致葉片捕獲風(fēng)能的能力下降,而重大故障會(huì)導(dǎo)致機(jī)組停機(jī),以維護(hù)總成本為目標(biāo)函數(shù),提出了基于最優(yōu)數(shù)量的計(jì)劃維護(hù)策略,優(yōu)化了進(jìn)行計(jì)劃維護(hù)前葉片發(fā)生輕微故障的次數(shù).
2.1.2 視情維護(hù)策略
視情維護(hù)策略是指在設(shè)備中安裝數(shù)據(jù)采集裝置,根據(jù)其實(shí)際運(yùn)行情況安排相關(guān)維護(hù).計(jì)劃維護(hù)是根據(jù)理論上的設(shè)備故障規(guī)律安排維護(hù)的策略,但在實(shí)際情況中會(huì)出現(xiàn)一定的偏差.尤其是海上風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在惡劣的環(huán)境中,風(fēng)速過(guò)大、海浪過(guò)激甚至是閃電、雷暴、結(jié)冰等都會(huì)加速設(shè)備的惡化,因此僅采用計(jì)劃維護(hù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的.
文獻(xiàn)[6]至文獻(xiàn)[9]分析了風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行周期成本,并對(duì)比了僅采用計(jì)劃維護(hù)策略和僅采用視情維護(hù)策略的相關(guān)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和可靠性指標(biāo),得出了采用視情維護(hù)策略可降低運(yùn)行維護(hù)成本并提高可靠性的結(jié)論.但安裝狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備的成本也是十分高昂的,并非所有部件都適合.文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]通過(guò)概率模型評(píng)價(jià)了基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的維護(hù)對(duì)運(yùn)行維護(hù)成本的影響,并得出該影響與裝設(shè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)部件的更換成本、該部件故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間等因素有關(guān).因此,對(duì)于故障后果較嚴(yán)重、更換成本昂貴的重要部件(如葉輪、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等)才適合安裝狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備.對(duì)不同部件安裝狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備后,應(yīng)根據(jù)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障檢測(cè)和診斷并做出是否進(jìn)行維護(hù)的決策.文獻(xiàn)[12]指出目前適用于海上風(fēng)電故障診斷的方法有傳統(tǒng)故障診斷法、數(shù)學(xué)診斷法和智能診斷法3種.文獻(xiàn)[13]通過(guò)采集齒輪箱的溫度信號(hào),構(gòu)建了齒輪箱正常工作情況下的溫度模型,當(dāng)溫度偏離正常工作區(qū)間時(shí),判斷是否需要安排維護(hù),該方法就屬于數(shù)學(xué)診斷法.
目前,故障診斷技術(shù)主要針對(duì)單一故障,而海上風(fēng)電機(jī)組是一個(gè)復(fù)雜的多部件系統(tǒng),常常會(huì)發(fā)生混合故障,針對(duì)混合故障的診斷技術(shù)研究相對(duì)較少,這將會(huì)是未來(lái)的一個(gè)研究方向.對(duì)混合故障診斷技術(shù)的研究也會(huì)對(duì)具體運(yùn)行維護(hù)策略的制定產(chǎn)生影響,在進(jìn)入海上執(zhí)行運(yùn)行維護(hù)活動(dòng)時(shí),可以將具有故障相關(guān)性的部件統(tǒng)一維修,不僅可以分?jǐn)偣潭ňS護(hù)費(fèi)用,還能降低短期內(nèi)發(fā)生多次故障的可能性.
2.2 機(jī)會(huì)維護(hù)策略
機(jī)會(huì)維護(hù)策略的基本思想是當(dāng)某一部件發(fā)生故障時(shí),其余部件獲得了提前進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)的機(jī)會(huì),通過(guò)判斷部件是否滿足相應(yīng)維護(hù)條件,做出維護(hù)決策.
機(jī)會(huì)維護(hù)一方面可以將多種維護(hù)措施一并進(jìn)行,分?jǐn)偢哳~的固定維護(hù)費(fèi)用;另一方面,通過(guò)“機(jī)會(huì)”這一概念將整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的各個(gè)機(jī)組聯(lián)系在一起,便于對(duì)風(fēng)電場(chǎng)這一整體進(jìn)行維護(hù)策略的優(yōu)化.文獻(xiàn)[14]至文獻(xiàn)[16]以評(píng)價(jià)費(fèi)用率為目標(biāo)函數(shù),以風(fēng)機(jī)關(guān)鍵部件的預(yù)防性維護(hù)閾值和機(jī)會(huì)維護(hù)閾值為優(yōu)化對(duì)象,構(gòu)建了機(jī)會(huì)維護(hù)模型.文獻(xiàn)[17]給出了兩類(lèi)機(jī)會(huì)維護(hù)模型,第一類(lèi)將計(jì)劃維護(hù)和事后維護(hù)相結(jié)合,以維護(hù)費(fèi)用節(jié)余為目標(biāo)函數(shù),引入役齡遞減因子和故障遞增因子,通過(guò)枚舉法列出機(jī)會(huì)維護(hù)的可能組合,從中選出最優(yōu)方案,但是未考慮進(jìn)行機(jī)會(huì)維護(hù)時(shí)部件是否滿足機(jī)會(huì)維護(hù)役齡.第二類(lèi)將狀態(tài)監(jiān)測(cè)和計(jì)劃維護(hù)相結(jié)合,以維護(hù)結(jié)余成本比率最大為目標(biāo)函數(shù),優(yōu)化維護(hù)策略.文獻(xiàn)[14]至文獻(xiàn)[17]都是針對(duì)單臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行的機(jī)會(huì)維護(hù)策略優(yōu)化,并沒(méi)有充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì).文獻(xiàn)[18]至文獻(xiàn)[20]提出了海上風(fēng)電機(jī)會(huì)維護(hù)的優(yōu)化模型框架,并對(duì)某5×3 MW海上風(fēng)電場(chǎng)的維護(hù)時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化安排,結(jié)果表明應(yīng)用機(jī)會(huì)維護(hù)后節(jié)約了43%的維護(hù)成本.其中,文獻(xiàn)[18]針對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)這一整體做出運(yùn)行維護(hù)策略優(yōu)化,充分發(fā)揮了機(jī)會(huì)維護(hù)的優(yōu)勢(shì),但是并未優(yōu)化機(jī)會(huì)維護(hù)的閾值.文獻(xiàn)[21]中對(duì)僅考慮完全維護(hù)、不完全維護(hù),以及兩種均考慮的維護(hù)措施,給出了相應(yīng)的海上風(fēng)電場(chǎng)機(jī)會(huì)維護(hù)優(yōu)化策略,通過(guò)對(duì)比得出,兩種均考慮的維護(hù)措施的機(jī)會(huì)維護(hù)成本最低.該作者又進(jìn)行了更深層次的研究,隨后在文獻(xiàn)[22]中將風(fēng)電場(chǎng)的各個(gè)機(jī)組區(qū)別對(duì)待,某機(jī)組的部件發(fā)生故障后,該機(jī)組的其余部件以及其他正常機(jī)組的各個(gè)部件都獲得了維護(hù)機(jī)會(huì),并對(duì)故障機(jī)組和其他機(jī)組設(shè)置不同的機(jī)會(huì)維護(hù)閾值,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)維護(hù)策略的優(yōu)化.
機(jī)會(huì)維護(hù)可以實(shí)現(xiàn)維護(hù)固定成本的分?jǐn)?,但在維護(hù)過(guò)程中,一次需攜帶的備件較多,對(duì)船只的要求更高,對(duì)維護(hù)成本的影響較大,目前,對(duì)機(jī)會(huì)維護(hù)策略的研究?jī)H僅局限于考慮經(jīng)濟(jì)相關(guān)性方面,忽略了維護(hù)相關(guān)性和隨機(jī)相關(guān)性,這將是進(jìn)一步研究的方向.
2.3 事后維護(hù)策略及其他策略
事后維護(hù)策略是指設(shè)備發(fā)生故障前,不對(duì)其進(jìn)行預(yù)防性維護(hù),直至設(shè)備發(fā)生故障后再安排相關(guān)人員進(jìn)入海上進(jìn)行維護(hù).但由于故障的發(fā)生具有隨機(jī)性,因此沒(méi)有足夠的時(shí)間提前準(zhǔn)備好相應(yīng)的備件、船只以及人員,該措施只適用于重要程度低、維護(hù)成本低的設(shè)備.
維護(hù)策略能否順利執(zhí)行,還要取決于氣候、備件、船只等因素.海上風(fēng)電的氣候條件特殊,因此可及性是海上風(fēng)電維護(hù)必須考慮的因素.計(jì)及到達(dá)機(jī)組的時(shí)間和維護(hù)所需的時(shí)間,必須等待合適的天氣狀況才可以安排維護(hù).另外,風(fēng)速、浪高等天氣因素還會(huì)影響船只的選擇,文獻(xiàn)[23]中列出了適合不同天氣狀態(tài)使用的船只,運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖以總成本為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)單臺(tái)風(fēng)機(jī)故障情況下的運(yùn)行維護(hù)人員數(shù)量和運(yùn)輸方式進(jìn)行了分析.文獻(xiàn)[24]至文獻(xiàn)[26]分析了在不同天氣情況下,運(yùn)輸設(shè)備的數(shù)量和類(lèi)型對(duì)風(fēng)電場(chǎng)可用率的影響.
何時(shí)對(duì)何種設(shè)備進(jìn)行備件,是運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中必須考慮的一個(gè)問(wèn)題.備件不及時(shí)會(huì)延長(zhǎng)維護(hù)前的等待時(shí)間,而備件過(guò)早則會(huì)增加倉(cāng)庫(kù)費(fèi)用.文獻(xiàn)[27]在狀態(tài)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上建立了故障延時(shí)的概率模型和基于時(shí)間序列的預(yù)測(cè)模型,以確定備件的時(shí)刻,從而提高運(yùn)行維護(hù)執(zhí)行的效率.
目前,對(duì)海上風(fēng)電運(yùn)行維護(hù)的研究主要以單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組為對(duì)象,但實(shí)際上每臺(tái)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行維護(hù)都不是獨(dú)立的,以海上風(fēng)電場(chǎng)作為研究對(duì)象整體優(yōu)化維護(hù)策略將涉及到風(fēng)電機(jī)組維護(hù)的順序和路徑選擇等問(wèn)題,也是今后的研究方向之一.
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(編輯 白林雪)
Study of Operation and Maintenance Tactics for Offshore Wind Turbines
FU Yang,XU Weixin,LIU Lujie
(School of Electrical Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai200090,China)
Operation and maintenance(O&M)costs are generally considerably high in offshore sites,contributing up to 25%~30%of the cost of energy generation,seriously restricting the development of offshore wind power industry.Preventive maintenance,corrective maintenance and others which are suitable for offshore wind turbines are introduced and their merits and demerits are compared based on the analysis of O&M costs.
offshore wind turbine;O&M costs;maintenance tactics
TM614
A
1006-4729(2015)02-0219-04
10.3969/j.issn.1006-4729.2015.03.005
2014-09-24
許偉欣(1990-),女,在讀碩士,江蘇揚(yáng)州人.主要研究方向?yàn)轱L(fēng)電運(yùn)行維護(hù).E-mail:Mjolar_xwx@ 163.com.
國(guó)家自然科學(xué)基金(51177098);上海綠色能源并網(wǎng)工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目(13DZ2251900);國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA051707);上海市重點(diǎn)支撐攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(13160500800);上海市重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(2011YPCX03_006).