初岳峰，王凱，2，肖忠銘，徐天殷，郭志群，2，?

（1.中山大學(xué)海洋工程與技術(shù)學(xué)院，廣東珠海 519082；2.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（珠海），廣東珠海 519082；3.廣東精銦海洋工程股份有限公司，廣東佛山 528000）

0 引言

隨著海上風(fēng)電的進(jìn)一步大力發(fā)展，相關(guān)的風(fēng)電事故及故障也不斷發(fā)生。全球海上風(fēng)電健康與安全組織G+出版的研究報(bào)告指出，2019 年全球共發(fā)生62 起海上風(fēng)電行業(yè)人身傷害事故，較2018 年的39起顯著增多。其中28起為船上事故，占比45%，且大多與運(yùn)維船相關(guān)；風(fēng)機(jī)事故15起，占比24%；陸上事故17起，占比28%，另有2起其他事故［1］。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在海上風(fēng)電行業(yè)中，事故發(fā)生率約為4.55次/百萬(wàn)工作小時(shí)，而在海洋油氣行業(yè)中，這一數(shù)字僅約0.9 次/百萬(wàn)工作小時(shí)。由此可見(jiàn)，在安全標(biāo)準(zhǔn)的制定及執(zhí)行情況方面，海上風(fēng)電行業(yè)相對(duì)不完善，在預(yù)防故障發(fā)生方面仍有所不足。因此對(duì)海上風(fēng)電故障類(lèi)型、誘因以及相關(guān)應(yīng)對(duì)策略開(kāi)展研究，避免環(huán)境破壞及經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)于海上風(fēng)電的安全施工和運(yùn)維具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

自20 世紀(jì)60 年代英國(guó)機(jī)器保健中心成立和美國(guó)機(jī)械故障預(yù)防小組成立以來(lái)，故障診斷技術(shù)逐漸在世界范圍內(nèi)推廣。風(fēng)電機(jī)組的故障診斷技術(shù)作為一種可以有效降低運(yùn)營(yíng)成本的手段，自然深受學(xué)術(shù)界和風(fēng)電企業(yè)的關(guān)注。Wilkinson［2］等為了檢測(cè)風(fēng)機(jī)的狀態(tài)，對(duì)不同的傳感器和信號(hào)處理技術(shù)的適用性進(jìn)行了評(píng)估，選取了成本較低可靠性較高的發(fā)電機(jī)及相關(guān)組件的狀態(tài)檢測(cè)方案；Musial［3］等和Huang［4］等則提出了針對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的檢測(cè)方法。前期的研究大多關(guān)注傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和葉片等方面，這些方面的故障導(dǎo)致停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)，維修成本也最為昂貴。前期大部分研究往往是關(guān)鍵部件的故障分析，缺少用于商業(yè)化的耦合智能故障診斷。如何減少人工檢查頻次，提高故障檢測(cè)的智能化程度與精確度是目前研究的重心。

故障預(yù)測(cè)與視情維修方法是風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)自主保障的關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)階段的研究重心是結(jié)構(gòu)損傷的預(yù)測(cè)方法，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)和評(píng)估可以了解目前的健康情況以及預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)損傷的變化趨勢(shì)?；谡駝?dòng)分析方法是風(fēng)機(jī)損傷診斷最常見(jiàn)的方法，Abouhnik［5］提處理基于振動(dòng)分析和EDHL 方法的風(fēng)機(jī)葉片損壞方法；Lekou［6］通過(guò)檢測(cè)風(fēng)機(jī)關(guān)鍵設(shè)備的振動(dòng)相關(guān)數(shù)據(jù)，應(yīng)用了聲發(fā)射技術(shù)并采用多傳感器技術(shù)，加強(qiáng)了對(duì)風(fēng)機(jī)中旋轉(zhuǎn)器械的狀態(tài)診斷，得到的分析結(jié)果可以作為評(píng)估風(fēng)機(jī)設(shè)備的健康狀態(tài)的重要指標(biāo)；Hameed［7］采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)分級(jí)的齒輪箱和發(fā)電機(jī)進(jìn)行了建模分析，并且采用多Agent 方法對(duì)多個(gè)設(shè)備的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了綜合分析，結(jié)合運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)和故障檢測(cè)系統(tǒng)，從而給出風(fēng)機(jī)的整體運(yùn)行狀態(tài)。

目前廣泛配備在風(fēng)電裝備上的檢測(cè)系統(tǒng)為SCADA（Supervisor Control and Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）［8］，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常是對(duì)風(fēng)電裝備運(yùn)行時(shí)一些基本的情況進(jìn)行檢測(cè)，如電流、電壓、并網(wǎng)情況等，具有簡(jiǎn)單的報(bào)警和報(bào)告功能，但檢測(cè)的狀態(tài)參量有限，缺乏對(duì)關(guān)鍵部件得振動(dòng)分析以及故障診斷功能，無(wú)法很好地預(yù)防故障的發(fā)生。

隨著全球風(fēng)電行業(yè)的迅速發(fā)展，國(guó)外較早就開(kāi)發(fā)了專門(mén)用于風(fēng)電裝備的狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備與相關(guān)的分析軟件，國(guó)內(nèi)雖然也有類(lèi)似的研究但與國(guó)外相比仍有一定的差距。

本文關(guān)注海上風(fēng)電領(lǐng)域的故障分析與應(yīng)對(duì)策略，不僅僅關(guān)注了海上風(fēng)機(jī)本身的故障，還考慮風(fēng)電設(shè)備運(yùn)輸與安裝可能的故障，旨在為我國(guó)海上風(fēng)電故障檢測(cè)與智能診斷的技術(shù)發(fā)展提供幫助，進(jìn)一步降低風(fēng)機(jī)建設(shè)、發(fā)電和運(yùn)維成本。

1 船機(jī)關(guān)鍵設(shè)備和風(fēng)電設(shè)備故障形式

風(fēng)電船機(jī)設(shè)備故障與風(fēng)機(jī)設(shè)備故障是海上風(fēng)電發(fā)生故障頻率最高的兩個(gè)主體。風(fēng)電故障類(lèi)型見(jiàn)圖1。風(fēng)電船機(jī)設(shè)備故障主要發(fā)生在海上運(yùn)輸事故以及船機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備的故障；風(fēng)機(jī)設(shè)備主題故障主要發(fā)生在風(fēng)機(jī)的輪轂和葉片部位，主要包括機(jī)械故障和電氣故障。

圖1 風(fēng)電故障類(lèi)型Fig.1 Wind power fault types

1.1 海上交通事故

近年來(lái)，海上風(fēng)電相關(guān)工程作業(yè)的密度和頻率逐漸增大，海上風(fēng)電安裝船、運(yùn)維船的研發(fā)建造和運(yùn)營(yíng)使用也得以促進(jìn)。在海上風(fēng)電行業(yè)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，相關(guān)事故也時(shí)有發(fā)生，其中與船機(jī)關(guān)鍵設(shè)備相關(guān)的船上事故占比最大。根據(jù)風(fēng)電安裝船、運(yùn)維船的運(yùn)營(yíng)作業(yè)過(guò)程，可將相應(yīng)的事故分為海上交通事故和作業(yè)事故。

風(fēng)電安裝船體積和載重較大，且配備有吊機(jī)、樁柱腿等工程設(shè)備，對(duì)船舶的穩(wěn)性和操縱性影響較大。對(duì)于大部分平臺(tái)式結(jié)構(gòu)的風(fēng)電安裝船而言，自航平臺(tái)雖然具有一定機(jī)動(dòng)力，但其自身結(jié)構(gòu)的流線性較差；非自航平臺(tái)則需要其他船舶頂推或者拖帶協(xié)助移動(dòng)，機(jī)動(dòng)力和操縱性都比較差。

上述原因?qū)е嘛L(fēng)電安裝船在靠離泊、航行以及錨泊過(guò)程中，面對(duì)復(fù)雜的水文、氣象、通航環(huán)境，在避碰、繞障、避險(xiǎn)、應(yīng)急時(shí)往往不具備及時(shí)主動(dòng)應(yīng)變的能力，容易陷入緊迫局面從而導(dǎo)致事故發(fā)生，主要包括傾覆、擱淺、碰撞等。此類(lèi)事故通常會(huì)對(duì)船舶造成整體影響甚至破壞，帶來(lái)巨大的損失，但可以通過(guò)規(guī)范合理的操作辦法有效規(guī)避預(yù)防，總體而言不確定性較小。

2016年5月12日，在江蘇省某海上風(fēng)電項(xiàng)目開(kāi)展施工作業(yè)的“寶隆706”與“灌云漁60210”發(fā)生碰撞，導(dǎo)致“灌云漁”沉沒(méi)（見(jiàn)圖2）。船上15 人全部落水，其中8 人獲救，7 人死亡，構(gòu)成了較大等級(jí)的水上交通事故。“灌云漁”的不安全駛離動(dòng)作是本起事故發(fā)生的直接原因。事故的直接原因還包括拖帶船組疏于瞭望觀察，“灌云漁”漁船違規(guī)載客，未經(jīng)批準(zhǔn)違規(guī)進(jìn)行水上作業(yè)。此外，船員證書(shū)不適任，分包隊(duì)伍勞動(dòng)紀(jì)律松懈，安全技術(shù)交底缺乏針對(duì)性，未完善安全檢查，責(zé)任制不健全，項(xiàng)目部對(duì)進(jìn)場(chǎng)船舶控制不嚴(yán)等是引起本次事故的間接原因［9］。

圖2 “灌云漁60210”沉沒(méi)［9］Fig.2 "Ghuanyun fishing 60210"was sinking［9］

2019 年2月19日，波羅的海海域，在距離德國(guó)Rügen 島東北方向幾海里處，World Bora 號(hào)海上風(fēng)電運(yùn)維船與Raba 號(hào)貨船相撞。事故導(dǎo)致運(yùn)維船上15 人受傷，2 人傷勢(shì)嚴(yán)重，兩艘船發(fā)生不同程度損壞（見(jiàn)圖3、圖4）。World Bora號(hào)運(yùn)維船上共載有4名船員、11名風(fēng)場(chǎng)運(yùn)維人員，當(dāng)時(shí)World Bora號(hào)正要駛向Wikinger海上風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)展運(yùn)維作業(yè)［10］。

圖3 “World Bora”號(hào)船艏受損［10］Fig.3 The bow of the"World Bora"was damaged［10］

圖4 “Raba”號(hào)貨輪右舷嚴(yán)重受損［10］Fig.4 The freighter"Raba"suffered serious damage to starboard［10］

風(fēng)電安裝船的機(jī)動(dòng)力和操縱性明顯弱于普通船只，如何預(yù)防事故發(fā)生以及在發(fā)生事故時(shí)的應(yīng)急措施都是十分必要的。

1.2 船機(jī)關(guān)鍵設(shè)備故障

升降系統(tǒng)、抱樁器、起重機(jī)是自升式風(fēng)電安裝船的關(guān)鍵船機(jī)設(shè)備。升降系統(tǒng)常見(jiàn)的幾種故障包括繩索失效、滾筒失效及軸瓦失效等，海上風(fēng)電安裝船的起重機(jī)、抱樁器長(zhǎng)期作業(yè)于惡劣的離岸環(huán)境中，且定期檢測(cè)、維修的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，其傳動(dòng)系統(tǒng)的重要部件較易在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障［11］。

2020 年5 月8 日 晚，英國(guó)860 WM Triton Knoll風(fēng)場(chǎng)，全回轉(zhuǎn)起重船Seaway Strashnov 號(hào)在單樁基礎(chǔ)施工過(guò)程中發(fā)生事故，導(dǎo)致5人受傷［12］。2020年6 月15 日，Heerema Marine Contractors 旗下的起重船Aegir 號(hào)在打樁施工過(guò)程中發(fā)生樁錘墜落。事故發(fā)生于臺(tái)灣彰化海上風(fēng)電項(xiàng)目，事發(fā)當(dāng)時(shí)該安裝船正在進(jìn)行導(dǎo)管架樁基礎(chǔ)沉樁作業(yè)，所幸未造成人員傷亡，事故導(dǎo)致樁基礎(chǔ)和樁機(jī)部分損壞［13］。2018年8 月23 日，Swire Blue Ocean 公司的自升式平臺(tái)Pacific Osprey上的吊機(jī)發(fā)生吊臂斷裂（見(jiàn)圖5），砸到下方駕駛艙和船上懸梯，事故造成一人重傷、三人輕傷、船體損壞。事故發(fā)生時(shí)，該自升式平臺(tái)停泊在荷蘭Eemshaven港［14］。

圖5 Pacific Osprey自升式平臺(tái)發(fā)生吊機(jī)坍塌事故［13］Fig.5 The crane on the jack-up platform"Pacific Osprey"collapsed［13］

2020 年5 月2 日，風(fēng)電安裝船“Orion 1”在德國(guó)Rostock 碼頭發(fā)生重大事故，船上起重機(jī)在進(jìn)行載荷測(cè)試時(shí)發(fā)生折斷（見(jiàn)圖6）。此次事故造成起重機(jī)嚴(yán)重?fù)p壞，船體受損，人員受傷，經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)5 000 萬(wàn)歐元。此次損壞的起重機(jī)型號(hào)為HLC 295000，由Liebherr 提供，極限載荷為5 500 t，在載荷測(cè)試期間發(fā)生吊鉤破壞，最終導(dǎo)致吊臂折斷［15］。

圖6 吊臂折斷的Liebherr HLC 295000起重機(jī)［14］Fig.6 Liebherr HLC 295000 with broken crane jib［14］

2020 年9 月，在廣東汕尾某海上風(fēng)電項(xiàng)目施工的全回轉(zhuǎn)起重船發(fā)生大臂折斷事故（見(jiàn)圖7）。事發(fā)時(shí)該船正在進(jìn)行單樁基礎(chǔ)安裝，事故是由起重機(jī)制動(dòng)器的關(guān)鍵部件損壞引起的［16］。

圖7 起重船大臂折斷［15］Fig.7 The floating crane with broken jib［15］

該故障也是我國(guó)需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，海上風(fēng)電增長(zhǎng)迅速，而與之配備的海上風(fēng)電安裝設(shè)備卻沒(méi)有到位，存在安裝設(shè)備不足、不匹配等種種安全隱患。

1.3 風(fēng)電設(shè)備結(jié)構(gòu)故障

風(fēng)電設(shè)備往往體積、重量巨大，在生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中需要承受巨大的載荷，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、材料強(qiáng)度、電路穩(wěn)定性、檢修規(guī)范、失控保護(hù)機(jī)制等方面都有著極高的技術(shù)要求。任一環(huán)節(jié)的缺失或不足都有可能導(dǎo)致故障，輕則影響正常生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，重則引發(fā)嚴(yán)重事故造成巨大損失。

2019年4月12日，甘肅某風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生風(fēng)機(jī)塔筒倒塌，當(dāng)時(shí)工作人員正在進(jìn)行風(fēng)機(jī)定檢工作。事故造成4人死亡，1人重傷，1人輕傷［17］。2020年5月4 日，河南某風(fēng)電場(chǎng)3 臺(tái)風(fēng)機(jī)槳葉折斷。事故原因系風(fēng)機(jī)葉片質(zhì)量問(wèn)題，在葉片的生產(chǎn)過(guò)程中，存在工藝缺陷，腹板粘接出現(xiàn)了空泡、缺膠、少加強(qiáng)筋等質(zhì)量缺陷。進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生了腹板支撐失效、葉片開(kāi)裂變形等問(wèn)題，進(jìn)而引起了葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的不足［18］。2020 年7 月17 日，河北某風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生一起倒塔事故，直接原因是事故風(fēng)機(jī)的第一節(jié)與第二節(jié)塔筒連接螺栓的斷裂［19］。2020年11月21日，瑞典Aldermyrberget風(fēng)電場(chǎng)的一臺(tái)維斯塔斯V150-4.2 MW 風(fēng)機(jī)發(fā)生倒塔事故，所幸未造成人員傷亡［20］。

可以看出，海上風(fēng)電系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)失效模式數(shù)量龐大，在不利的海洋環(huán)境下使風(fēng)機(jī)的故障率升高［21-22］，為避免海上風(fēng)電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)發(fā)生損壞，風(fēng)機(jī)各個(gè)設(shè)備及結(jié)構(gòu)必須具有很高的強(qiáng)度和健康的工作狀態(tài)［23-24］。然而，近些年來(lái)，由于設(shè)備監(jiān)測(cè)工作及損傷預(yù)測(cè)方法的不完善，海上風(fēng)電系統(tǒng)損壞事故時(shí)有發(fā)生，造成了財(cái)產(chǎn)的損失和海洋環(huán)境的破壞。近年來(lái)，發(fā)生了多起風(fēng)機(jī)倒塔事故，其原因則包括軟硬件失效、葉片失速、設(shè)備質(zhì)量、螺栓斷裂或松動(dòng)引起塔架震動(dòng)疲勞開(kāi)裂等。

1.4 風(fēng)電設(shè)備火災(zāi)

不論是海上風(fēng)電還是陸上風(fēng)電，火災(zāi)都是威脅風(fēng)電機(jī)組安全的重大隱患。2020年1月12日，遼寧某風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生風(fēng)電機(jī)組火災(zāi)，事故導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙損毀，輪轂及三只葉片根部被燒損，熔斷器發(fā)生爆熔噴出，箱變門(mén)發(fā)生變形［25］。風(fēng)電機(jī)組的火災(zāi)主要由雷擊、電氣短路、潤(rùn)滑油泄漏、過(guò)熱等原因引起。風(fēng)機(jī)避雷設(shè)施不完備使雷擊火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)加大，變壓器本身故障或污閃可導(dǎo)致電氣短路引起火災(zāi)，潤(rùn)滑油泄露后與高溫的機(jī)組設(shè)備表面接觸發(fā)生燃燒，機(jī)械制動(dòng)產(chǎn)生的熱量和飛濺的火花可點(diǎn)燃易燃物。

2 故障的環(huán)境誘因

海上風(fēng)機(jī)相較于陸上風(fēng)機(jī)具有更加復(fù)雜的惡劣環(huán)境，風(fēng)機(jī)故障發(fā)生的頻率更為密切。復(fù)雜而隨機(jī)的海況環(huán)境給風(fēng)機(jī)故障的的發(fā)生帶來(lái)了潛在隱患，其環(huán)境誘因主要包括自然環(huán)境和人為環(huán)境兩大方面。

2.1 自然災(zāi)害

風(fēng)場(chǎng)的選址首先著重考慮風(fēng)力資源的豐富程度，但是較高的能源密度往往也伴隨著不確定性較大的危機(jī)，包括臺(tái)風(fēng)、極限陣風(fēng)、巨浪等惡劣天氣條件，對(duì)于風(fēng)電設(shè)備而言則意味著巨大的隱患。

2013 年9 月22 日，臺(tái)風(fēng)“天兔”登陸廣東汕尾，給廣東沿海的風(fēng)電場(chǎng)帶來(lái)巨大沖擊。汕頭紅樹(shù)灣風(fēng)電場(chǎng)的25 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組中的8 臺(tái)機(jī)組發(fā)生倒塔，9 臺(tái)機(jī)組葉片折斷，臺(tái)風(fēng)“天兔”造成該風(fēng)場(chǎng)損失近一億元［26］。2014年7月，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”過(guò)境海南、廣東、廣西，多地出現(xiàn)災(zāi)情。臺(tái)風(fēng)過(guò)后，共有13 臺(tái)風(fēng)機(jī)被吹倒，5 臺(tái)風(fēng)機(jī)損壞，無(wú)法運(yùn)行［27］。2017年7月14日，江蘇省濱海縣黃海海域附近出現(xiàn)強(qiáng)雷電天氣，某海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目海上升壓站的35 kV電纜產(chǎn)生爆燃。事故發(fā)生后，19人跳海求生，其中18人獲救，1人失蹤［28］。

對(duì)于臺(tái)風(fēng)這種突發(fā)的極端海況，其海況條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了最初設(shè)計(jì)的參數(shù)要求。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)海洋結(jié)構(gòu)平臺(tái)時(shí)應(yīng)進(jìn)一步提高平臺(tái)的安全系數(shù)從而提高在極端海況條件下的穩(wěn)定性，在考慮經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)考慮極端情況的應(yīng)對(duì)方案。

2.2 人員不當(dāng)操作

規(guī)范的生產(chǎn)管理制度，完備嚴(yán)格的安全意識(shí)，是所有工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的安全保障，對(duì)于風(fēng)電設(shè)備而言，更是如此。在日常生產(chǎn)作業(yè)、檢修維護(hù)、安裝運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)中，規(guī)范性和安全意識(shí)的缺失極易導(dǎo)致人為操作事故的發(fā)生。運(yùn)維人員業(yè)務(wù)能力的提高，可有效避免人為操作不當(dāng)引起的事故，如螺栓未預(yù)緊、人員觸電、人員高處墜落等。

2020 年8 月9 日，山東煙臺(tái)某風(fēng)電場(chǎng)1 名作業(yè)人員在場(chǎng)內(nèi)巡線過(guò)程中，使用園林伸縮鋸時(shí)，由于安全距離不足發(fā)生感應(yīng)觸電，經(jīng)搶救無(wú)效死亡［29］。2020 年8 月9 日，內(nèi)蒙古某風(fēng)電場(chǎng)1 名運(yùn)維檢修人員在處理風(fēng)機(jī)導(dǎo)電軌變形問(wèn)題時(shí)，在爬梯過(guò)程中，因未正確懸掛安全帶，從10 m 左右高度墜落，經(jīng)搶救無(wú)效死亡［30］。2020 年8 月20 日，內(nèi)蒙古某風(fēng)電施工現(xiàn)場(chǎng)，作業(yè)人員在風(fēng)機(jī)機(jī)艙吊裝過(guò)程中，拉扯纜風(fēng)繩時(shí)誤觸碰到35 kV 桿塔導(dǎo)線，導(dǎo)致1 名作業(yè)人員觸電身亡［30］。

對(duì)于認(rèn)為環(huán)境抑或是認(rèn)為操作不當(dāng)引起的故障形式，應(yīng)該完善海上風(fēng)機(jī)作業(yè)過(guò)程的中的各種安全制度，提升對(duì)風(fēng)電施工人員的安全教育工作以防范風(fēng)機(jī)故障的發(fā)生。

前述的事故也許或多或少有著人為的因素，但相關(guān)設(shè)備、技術(shù)與規(guī)范的不完善是業(yè)界的共識(shí)，海上風(fēng)電的制作成本高于陸上風(fēng)電，維護(hù)成本更是陸上機(jī)組的兩倍以上，嚴(yán)重影響著風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。為了降低經(jīng)濟(jì)損失與維護(hù)成本，必須盡量將大量矯正性維護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)防性維護(hù)，減少嚴(yán)重故障的發(fā)生，但也要在故障發(fā)生時(shí)，采取合理的應(yīng)對(duì)措施以減少故障的發(fā)生。

3 應(yīng)對(duì)策略及設(shè)計(jì)要求

由于船機(jī)關(guān)鍵設(shè)備和風(fēng)電設(shè)備的工作環(huán)境特殊性，其工作載荷一般較大，在面對(duì)各種惡劣氣象環(huán)境和突發(fā)因素時(shí)，設(shè)備應(yīng)能夠承受巨大載荷的考驗(yàn)。船員和運(yùn)維人員的專業(yè)素養(yǎng)，是確保海上風(fēng)電交通安全的關(guān)鍵。風(fēng)電安裝船、運(yùn)維船成熟的技術(shù)保障和完善的操作規(guī)程，是海上風(fēng)電安裝運(yùn)維的基本依賴，目前相關(guān)的規(guī)范仍然不算特別的完善［30］。因此，船機(jī)關(guān)鍵設(shè)備作業(yè)事故、海上風(fēng)電設(shè)備運(yùn)行故障的應(yīng)對(duì)策略是海上風(fēng)電工程的重要保障。

3.1 風(fēng)電安裝船升降系統(tǒng)故障

風(fēng)電安裝船、運(yùn)維船在設(shè)計(jì)建造、實(shí)驗(yàn)、實(shí)地安裝和檢修保養(yǎng)等作業(yè)過(guò)程中，存在諸多不確定性因素的影響，包括氣象、水文環(huán)境、操作方式等。其設(shè)計(jì)合理性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及材料強(qiáng)度應(yīng)能夠承受相當(dāng)?shù)妮d荷并符合嚴(yán)苛的要求，以最大程度地避免作業(yè)事故發(fā)生。

通過(guò)分析升降系統(tǒng)的典型故障可知，由絞車(chē)軸瓦失效引起的升降系統(tǒng)故障，可依據(jù)其機(jī)理對(duì)工作絞車(chē)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，保護(hù)升降系統(tǒng)的安全運(yùn)行［31］。海洋環(huán)境載荷與海洋結(jié)構(gòu)物之間作用載荷的研究，是海洋工程開(kāi)發(fā)的研究重點(diǎn)［32］。對(duì)風(fēng)、浪、流等海洋環(huán)境載荷進(jìn)行合理的統(tǒng)計(jì)分析，依據(jù)風(fēng)浪流對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用規(guī)律，掌握樁腿與海底巖土的作用載荷對(duì)樁腿的作用機(jī)理，深入研究海洋環(huán)境荷載與樁腿之間的相互作用［33］，進(jìn)而更加準(zhǔn)確地分析其作為結(jié)構(gòu)物在海洋條件下作業(yè)過(guò)程中的受載情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)吊裝過(guò)程的精準(zhǔn)分析和控制。

3.2 風(fēng)電安裝船起重機(jī)故障

起重機(jī)是風(fēng)電安裝船的關(guān)鍵部件之一，其主要作用便是起吊風(fēng)電設(shè)備到一定的高度進(jìn)行安裝。動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)是起重機(jī)的核心部分，在整個(gè)安裝過(guò)程中起著傳遞動(dòng)能的作用。起重機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)包括鋼纜卷筒、齒輪箱，其中的承載部件主軸軸承和傳動(dòng)部件齒輪是決定傳動(dòng)系統(tǒng)能否安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵部件［34］。在海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)施工過(guò)程中，空氣濕度相較于陸地較高，起重機(jī)在起吊風(fēng)機(jī)葉片安裝時(shí)受風(fēng)浪影響存在低頻晃動(dòng)。傳動(dòng)系統(tǒng)長(zhǎng)期工作在不穩(wěn)定的中低速重載狀態(tài)下，受到不同交變載荷的作用，其中的關(guān)鍵部件極易發(fā)生各類(lèi)缺陷損傷，導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和穩(wěn)定性下降，直接影響風(fēng)機(jī)的安裝精度以及吊裝作業(yè)的安全性。

我國(guó)的海上風(fēng)電安裝行業(yè)發(fā)展相對(duì)較晚，該領(lǐng)域相關(guān)的監(jiān)測(cè)、診斷與維護(hù)技術(shù)還有待完善［35］。開(kāi)展海上風(fēng)電起重機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的故障診斷研究，對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)施工建設(shè)效率的提高有很大的促進(jìn)作用，同時(shí)也為風(fēng)電設(shè)備安裝的安全性和風(fēng)電設(shè)備工作的可靠性提供了保障。機(jī)械故障診斷方面的研究已經(jīng)比較成熟，但是缺少海洋工程裝備故障診斷的研究，特別是缺乏針對(duì)海上風(fēng)電起重機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件早期微弱故障檢測(cè)的研究；起重機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)在海上高濕度以及平臺(tái)晃動(dòng)的惡劣環(huán)境中運(yùn)行，其軸承部件會(huì)產(chǎn)生特殊的帶狀點(diǎn)蝕和微振磨損缺陷。因此，需開(kāi)展針對(duì)特殊缺陷的故障模式識(shí)別的研究［11］。

3.3 風(fēng)電設(shè)備故障

海上風(fēng)機(jī)是一個(gè)大型多設(shè)備系統(tǒng)，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障類(lèi)型多種多樣，在運(yùn)行過(guò)程中承受的海洋環(huán)境荷載復(fù)雜多樣，故障率較高。事故會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的停機(jī)損失，以及海洋環(huán)境污染等后果。此外，由于海上風(fēng)機(jī)吊裝成本高，在風(fēng)浪條件下船只可及性差，故障停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，因此其維護(hù)成本很高。

不同于陸上風(fēng)電，離岸風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的建設(shè)和維護(hù)受天氣和海洋環(huán)境的影響很大。機(jī)艙中的關(guān)鍵設(shè)備若發(fā)生故障，在其維修過(guò)程中將面臨高額的吊裝船費(fèi)用以及較大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力［36］。同時(shí)，受風(fēng)浪等海洋環(huán)境條件影響，維護(hù)船只可及性差，故障停運(yùn)時(shí)間更長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)損失更大。因此，海上風(fēng)機(jī)的輪轂、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等主要設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)顯得更加重要。國(guó)內(nèi)金風(fēng)科技有限公司維護(hù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，海上風(fēng)電系統(tǒng)維修工作費(fèi)用成本占海上風(fēng)電場(chǎng)總投資的30%左右。開(kāi)發(fā)先進(jìn)的維護(hù)技術(shù)和方法有利于減低整個(gè)工程的運(yùn)行成本，提高總回報(bào)率。

故障預(yù)測(cè)技術(shù)能夠預(yù)測(cè)系統(tǒng)健康的發(fā)展趨勢(shì)，提供維護(hù)決策，進(jìn)而提高設(shè)備的可靠性和利用率，降低停機(jī)損失。預(yù)防性維護(hù)有助于制定海上風(fēng)電系統(tǒng)的維護(hù)計(jì)劃，將海上風(fēng)電傳統(tǒng)的被動(dòng)維修方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)維護(hù)。故障預(yù)測(cè)和預(yù)防性維護(hù)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備和系統(tǒng)自主保障的關(guān)鍵技術(shù)。在海上風(fēng)電領(lǐng)域，仍需進(jìn)行方法改進(jìn)以提高海上風(fēng)電機(jī)組的可靠性，進(jìn)一步降低整體維護(hù)成本［37］。

考慮到海上風(fēng)電機(jī)組故障率較高，海上風(fēng)電場(chǎng)可及性較差，且故障修復(fù)耗時(shí)較長(zhǎng)，海上風(fēng)電機(jī)組的容錯(cuò)運(yùn)行能力應(yīng)用前景廣泛。目前海上風(fēng)電機(jī)組的容錯(cuò)研究主要包括容錯(cuò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)、控制算法的優(yōu)化，即硬件容錯(cuò)和軟件容錯(cuò)［38］。在硬件容錯(cuò)方面，可在原系統(tǒng)基礎(chǔ)上加入備份式冗余設(shè)計(jì)；可應(yīng)用變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，針對(duì)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分別采取不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)容錯(cuò)設(shè)計(jì)；可采用具有更高容錯(cuò)性的五相電機(jī)、六項(xiàng)電機(jī)、九相電機(jī)等多相電機(jī)。軟件容錯(cuò)方面，當(dāng)前研究集中在脈寬調(diào)制（PWM）算法的改進(jìn)、矢量控制容錯(cuò)系統(tǒng)的PWM 調(diào)制方法的改進(jìn)、直接功率控制和直接轉(zhuǎn)矩控制的優(yōu)化、滯環(huán)電流控制優(yōu)化等。

新能源高比例接入電網(wǎng)后，電網(wǎng)故障引起的電壓和頻率擾動(dòng)可能導(dǎo)致海上風(fēng)電的大規(guī)模脫網(wǎng)。孟凡成等［39］提出了一種計(jì)及集中式和分布式新能源的電力系統(tǒng)連鎖故障動(dòng)態(tài)模型，模擬了元件的保護(hù)邏輯，分析了源-網(wǎng)-荷之間的故障交互動(dòng)態(tài)。模擬結(jié)果表明，較高的新能源滲透率使連鎖故障中源-網(wǎng)-荷的耦合更加緊密。

3.4 海上風(fēng)電設(shè)備故障的診斷與監(jiān)測(cè)

對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)而言，傳統(tǒng)的計(jì)劃維修和故障維修已不能滿足需求。為了保證海上風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，降低其維護(hù)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷成本是非常必要的。海上風(fēng)電機(jī)組中故障率較高的部件主要有齒輪箱、發(fā)電機(jī)、電子裝置、葉片等。優(yōu)化其故障診斷方法有助于提高風(fēng)電機(jī)組的可靠性，進(jìn)而降低運(yùn)維成本［40］。

構(gòu)建風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)系統(tǒng)是減少事故發(fā)生率、降低運(yùn)維成本的有效舉措。針對(duì)風(fēng)電設(shè)備故障，首先對(duì)風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵設(shè)備及核心部件進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)采集風(fēng)電設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，再通過(guò)信號(hào)處理、統(tǒng)計(jì)分析、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電設(shè)備的健康評(píng)估、智能診斷以及故障檢測(cè)，從而指導(dǎo)運(yùn)維決策的優(yōu)化。風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)應(yīng)盡可能地與其它系統(tǒng)集成共享，統(tǒng)一收集和傳輸數(shù)據(jù)，構(gòu)建準(zhǔn)確高效的海上風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)［41］，提高運(yùn)維效率，降低運(yùn)維成本。

基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的智能故障監(jiān)測(cè)和診斷，有助于運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)的降低，是今后智慧海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行管理中的關(guān)鍵技術(shù)。目前，SCADA 系統(tǒng)在風(fēng)電行業(yè)中廣泛應(yīng)用，該系統(tǒng)監(jiān)控風(fēng)機(jī)過(guò)程中，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)由各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)反映［42］。SCADA 系統(tǒng)能夠記錄較長(zhǎng)周期的信息，為風(fēng)電機(jī)組故障診斷提供豐富的數(shù)據(jù)來(lái)源［43-44］。對(duì)于SCADA 所記錄的數(shù)據(jù)，可通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別其中的警報(bào)信號(hào)，進(jìn)而偵測(cè)風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)的異常狀態(tài)［45］。對(duì)于變槳系統(tǒng)而言，可分析零部件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或搭建故障模型，對(duì)變槳系統(tǒng)故障進(jìn)行診斷。在線檢測(cè)技術(shù)通過(guò)多種傳感器和通信方法，實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可對(duì)多項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，包括支撐結(jié)構(gòu)狀態(tài)、電纜狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)、海域數(shù)據(jù)等［46］。應(yīng)用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)，不僅能降低大量運(yùn)維成本，還可有效減少海上風(fēng)電運(yùn)營(yíng)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)電設(shè)備故障特征提取與機(jī)器學(xué)習(xí)算法的結(jié)合，是風(fēng)電設(shè)備故障診斷技術(shù)的發(fā)展方向。通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘、信號(hào)處理、機(jī)器學(xué)習(xí)以及統(tǒng)計(jì)分析方法等數(shù)據(jù)分析技術(shù)，識(shí)別和分類(lèi)風(fēng)電設(shè)備的故障狀態(tài)，進(jìn)而提供設(shè)備運(yùn)維的決策支持［47］。基于機(jī)器學(xué)習(xí)的故障診斷和監(jiān)測(cè)技術(shù)，可為風(fēng)電設(shè)備計(jì)劃維護(hù)與視情維護(hù)策略的制定提供指導(dǎo)，從而降低故障診斷成本，提高海上風(fēng)電場(chǎng)的管理效率。

4 結(jié)論

隨著海上風(fēng)電的快速發(fā)展，相關(guān)故障也逐年增多。海上風(fēng)電的故障形式可分為風(fēng)電安裝船、運(yùn)維船的海上交通事故，包含升降系統(tǒng)、抱樁器、起重機(jī)等的船機(jī)關(guān)鍵設(shè)備故障；風(fēng)電設(shè)備結(jié)構(gòu)故障包含塔架、機(jī)組故障等以及風(fēng)電設(shè)備的火災(zāi)。本文對(duì)海上風(fēng)電中常見(jiàn)的如風(fēng)電安裝船升降系統(tǒng)、起重機(jī)等船機(jī)關(guān)鍵設(shè)備故障以及海上風(fēng)電設(shè)備故障等故障形式進(jìn)行了總結(jié)，提出了相對(duì)應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略和設(shè)計(jì)要求。

其中，有效應(yīng)對(duì)策略一是根據(jù)升降系統(tǒng)運(yùn)作機(jī)理對(duì)工作絞車(chē)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，保護(hù)升降系統(tǒng)的安全運(yùn)行；二是開(kāi)展特殊缺陷的故障模式識(shí)別的研究，依據(jù)風(fēng)浪流對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用規(guī)律，掌握樁腿與海底巖土的作用載荷對(duì)樁腿的作用機(jī)理；三是對(duì)風(fēng)機(jī)吊裝過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)分析和控制，開(kāi)展海上風(fēng)電起重機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的故障診斷研究，以提高海上風(fēng)電機(jī)組的可靠性；四是構(gòu)建基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法的風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)系統(tǒng)，減少事故發(fā)生率，降低運(yùn)維成本。本文對(duì)現(xiàn)有與海上風(fēng)電機(jī)組相關(guān)的故障問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)、分類(lèi)，為海上風(fēng)機(jī)故障的研究人員提供參考，在此基礎(chǔ)上介紹了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，目前海上風(fēng)電仍然需要降低成本，而在風(fēng)機(jī)故障與運(yùn)維方面仍然有著很大的提升空間。