大型海上风电场的运营和维护外文翻译资料

 2022-07-31 21:45:33

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大型海上风电场的运营和维护

摘要：对大型海上风电场的运行和维护过程进行评估，确定了降低运行和维护相关成本的方法。改进的自推式自升式平台提供了一种很有前途的方法来执行需要起重机和大修的维护操作。用船只代替直升机来访问单个涡轮机是最经济的。用船只而不是直升机来安装单独的涡轮机是最经济的。从蒙特卡罗模拟中发现，与现有的陆上设计相比，该方法的可用性很差。因此，针对海上应用进行重新设计，以降低故障率并考虑所需的操作和维护工作以及海上操作和维护设备是不可避免的。

1.导言

未来，海上风能的收集将与大型风力发电场一起进行。这与目前在丹麦和荷兰内陆水域实现的为数不多的“近海”试点风电场形成了对比，后者包括4到11个500千瓦的涡轮机(总功率为2到5兆瓦)。目前预计海上风电场的总容量至少为100兆瓦左右。这意味着，当使用现有商用机器的离岸版本时，至少需要100台风力涡轮机。此外，3兆瓦左右的大型机器可能会用于未来的海上应用，这可能导致海上风力发电场约300兆瓦。操作和维护方面在海上风电场的发电成本中起着重要的作用。他们很可能会增加到一千瓦时的成本的30%。因此，寻找降低海上风电运营管理成本的方法具有重要的现实意义。

2.营运及维修保养问题的分析

除了海上风力发电场的规模外，与陆上风力发电场相比有另一个明显和重要的区别：不仅安装更加困难和昂贵，而且在海上建造风力涡轮机也对可达性有很大的影响。由于恶劣的天气条件(风和浪)，整个风电场很可能在一个月或两个月的时间内无法乘船或直升飞机到达。

即使天气允许使用涡轮机，海上维护的成本也远远高于岸上的同等工作。起吊作业在陆地上相对容易完成，但在近海环境中比较特殊，因此需要昂贵且有时稀缺的设备。

尽管现在商用陆地风力涡轮机非常可靠(商用现代风力涡轮机的普遍使用率是98％)，有限的维修设备的可用性很容易导致停机时间无法接受。这就不可避免地需要结合其他设计参数来评估海上风电场的操作和维护需求。

3.风力涡轮机的维护要求假设

关于确定放置在海上风电场的风力涡轮机的维护特性，采取了以下方法:

首先对现有机器的操作和维护行为进行评估。虽然在过去的十年中，欧洲已经建造了一定数量的大型多兆瓦的机器，但是他们的操作和维护需求并不能代表未来类似规模的商业机器。由于500千瓦的大量商用风力涡轮机在过去几年中已经投入运行，因此有人建议，这些涡轮机的维护特性为确定海上风力涡轮机的维护要求提供了一个更好的起点。为此目的，最合适的信息可以从施莱斯维格-荷尔斯泰因州沿德国海岸运行的风力涡轮机数据库中找到。

从该地区运行的约1400个风力涡轮机中，收集了三种著名制造商设计的500 kW涡轮机的数据。选择标准是，在调试期后至少必须有25台相同设计的风力涡轮机运行超过一年，以维斯塔斯V-39、Tacke TW-600和Enercon 40的故障数据为起点。平均故障率为2,3次/年。登记的故障模式的范围很广，可以减少到6个常见故障类别。假设在海上应用，无需对设计进行重大修改即可将总故障率降低约25%。因此，定义了与运营和维护相关的基本海上设计。这种情况下，总故障率每年降低了179次。

基本情况设计中所采用的各种失效模式的故障率，或其倒数失效平均时间(MBTF)与商用陆基机械的数值成正比。

故障的修复时间以及(外部)维护设备的需求在很大程度上取决于海上风力涡轮机的具体结构设计。基本案例的运维需求进一步定义为4到48小时之间的维修时间，(分别为“其他”和“齿轮箱/..../”类)。这是从维修人员和设备到达现场开始所需的修理时间。

此外，假定故障级“叶片”的修理需要一台外部起重机。其他五类的故障可以在没有外部设备的情况下进行修复。虽然故障类名与特定设计的实际故障之间当然存在某种关系，但这不应该被解释得太严格。基本案例O＆M需求表仅说明需要外部检查的故障的事件发生率为每年0.44。顺便说一句，这并不等于说每年有44％的机会需要（外部）起重机进行维修。实际上，这意味着在一年后有36％的机率或同等的机率，在没有“ 1级”故障的情况下运行5年的机率是11％。

除了故障维修(“纠正性维修”)，机器还需要定期保养(“预防性维修”)。假设每3500小时进行一次基本情况的预防性维护。应将其解释为标称时间间隔（与汽车​​的常规里程服务相比）。对于海上应用，假定在天气允许访问涡轮机时进行此类维修工作。如果没有足够的维修人员来利用第一种进入的机会，则在不发生PM的情况下不会承担任何罚款。

4. 没有维护策略

在关于海上应用的讨论中，有时建议对海上风电场完全不提供维护。然后，有人认为仅每5年进行一次大修来更换出现故障的涡轮机可能是有利的。

根据表1中假定的故障率，很容易看出，这种“维护”风电场的方法是不可行的。即使将故障率大大降低（假设是基本案例总故障率的10％），运行第五年的可用性也仅为45％，这显然是不可接受的。将无维护间隔减少为每3年一次，意味着第三年的可用性为64％。这可能仍然是无法接受的。

然后，当意识到将（总）故障率降低到大大低于每年0.2次故障的值，并且必须避免在3到5年内进行任何预防性维护活动时，才能获得合理的可用性（例如，总是高于80％）显然，采用无维护策略的（海上）风电场不是可预见的选择。

5. 起重机问题分析

修理岸上的风力涡轮机通常需要外部起重机的帮助。在不久的将来，（大型）海上风力涡轮机的设计很有可能会使得至少某些维修工作仍需要使用外部起重机。因此，它是相关的解决海上风力发电场起重机的可能性。

用于海上作业的起重机有几种类型和尺寸。通常，风力涡轮机部件的重量不是起重机类型选择的限制因素。举升高度和水深可能会限制某些类型的起重机的部署，这当然会带来经济后果。在[1]中，已经评估了适用于海上风电场的所有可能的起重设施的系统评估。结论是，在一个合理大小的风力发电场中，例如约有100台风力涡轮机，使用购买的和改进的自推进式自升式升降平台最终证明是最具成本效益的。当然，需要划船作用的涡轮机的数量决定了其经济性。每年需要大约15到20次分支行动时，可以找到财务交叉点。如果采用基本案例O＆M假设，那么只要风电场的规模超过60个单位，这都是有利的。

自升式千斤顶平台是油田勘探中常用的一种平台。它们是现成的二手物品，由一个典型的500到1500平方米的平台组成。三到四条典型长度为100米左右的腿，用于液压或电动升降平台地面。

漂浮时，平台可将自身推至新位置，在该位置将其顶升至工作位置。

平台的支架非常适合安装起重机。这种起重机可以沿着一条或两条腿爬上去，故障类别事件/年MTBF [小时] 1.叶片0.44 19923 2.变速箱/发电机/偏航0.14 62614 3.电子/控制系统0.29 30227 4.液压0.22 39845 5。电气0.37 23692 6.其他0.33 26564合计1.79 4897进入风力涡轮机轮毂高度的工作位置。此外，该平台可以用作维护人员，维护工作和大修行动的基础。它也可能是一个储存货物的地方。从而减少了修复已经发生的故障的时间。

6. 进入涡轮机进行维护

获得涡轮机最有利的方法是使用小船。这可以是一艘果尔船，也可以是一艘轻型船。第一种通常用于港口引航员的运输，第二种用于船舶人员的往来运输。格尔船的运行速度更快，而后者的容量更大。

尽管有时建议使用直升飞机作为往返风力涡轮机的运输工具，但事实证明它并不十分有利。首先，它需要在每个涡轮机上提供一个直升机降落平台，这是一个非常昂贵的装置，即使对大型风力涡轮机来说也是如此。其次，它甚至在维护操作的成本方面也没有多大意义。

图1显示了一天维护操作的成本(以ECU计算)，它是使用一艘船和一架直升机作为运输工具的距离基础风电场的函数。直升飞机是按小时租用的。因此，直升机的运输成本在30公里和70公里的距离上显示出更大的增加，因为额外增加了1辆。完成整个操作需要2个小时的直升机租赁时间。

虚线显示的成本时，涡轮停机时间也考虑在内(假设一台1.2兆瓦的机器)。显然，由于飞行时间短，直升机的维修行动持续时间较短。因此，涡轮机的停机时间成本较小。然而，图2显示，当船只用于运输时，总成本较低。

在某些偶然情况下，例如在主要维修工作需要即时协助或需要专家进行正式检查时，可使用直升机由地面基地运送至千斤顶平台。

7. 一个离岸风电场的操作与维护模拟

Bossannyi和Strowbridge[3]表明，由于各种随机过程的相互作用，陆上风电场的操作和维护操作不太容易直接进行分析。这当然可以用在海上风电场的维护操作上，比如有100个风力涡轮机，它们的维护情况如基本情况设计中所描述的那样，在通常是大风大浪的恶劣环境中运行，因此很难接近涡轮机。该方法的蒙特卡罗仿真程序发现在[3]进一步发展，以模拟维修行动随机模拟的风和浪的条件下，随机风力涡轮机故障，预定义的维修人员部署和给定的可用性的维修设备。随机天气模拟具有夏季和冬季不同的风暴长度、风暴间隔和平均风速参数。此外，备件物流可以通过该程序进行评估。

利用该规范对风力发电机组的运维需求进行了参数研究。一个拥有100个基准箱的风力涡轮机，额定功率为1.2 MW的风电场构成了本研究的起点。有了该计划，风电场的可用性为特定的部署船员，设备和库存管理可以确定。天气特征，决定了风力涡轮机的可达性和它的潜在能量产量是主要的因素之一。冬季的大风会导致较高的能源产量，但也会导致因无法访问而无法修复故障而导致的高可用性损失。

随后，评估了与失败率有关的变化对拥有100个风力涡轮机的风电场可用性的影响。

故障率的降低显然会导致可用性的增加，从而导致能量产率的增加。当然，可靠性的提高也意味着更高的资本投入。当这一点，再加上风力发电的价格，就有可能确定额外资本投资与增加的电力生产收入之间的最佳权衡。

还对机组人员的部署进行了参数变化。当一个额外的维护人员承诺到风电场，可用性将增加，以及操作和维护成本。

在表2中给出了模拟中使用的一些假设，这里应该指出，成本数字纯粹是指示性的。例如，它们相当依赖于购买和改装升降艇的实际成本。此外，备件成本已被设置为零，和商店保持成本没有考虑到目前的模拟。

此外，风电场水下部分的维护费用(支撑结构和电缆)以及风电场的运行费用(监测费用、法律费用等)也没有考虑在内。因此，表2所列的费用只应用于目前的比较研究。

图2显示了用程序执行的一些参数变化的结果。相对于基本情况，可靠设计的故障率降低了20%，而先进控制设计的故障率提高了20%。此外，假定先进的控制设计具有比基本情况和可靠设计高10%的势能产率。模拟天气中有18%的风暴。

这些列显示了每年的能源产量作为船员部署的函数。该农场的潜在能源产量(100%可用)等于325千瓦时/年(和375千瓦时/年的先进控制设计)。

一个机组人员，由2人组成，每天工作12小时，每周工作7天(因此有效地由4人组成)，可获得的风电场原来是74,86和63%的三个连续的设计。请注意，目前的失败率风力涡轮机将给予更低的价值，而一个类似的陆上风电场与相同的机组部署将有一个约96%至98%的可用性!

随着两名机组人员的部署，这些可用性数据再次恢复，除了先进的控制设计(可用性88%)。由于假设的潜在能量输出增益为10%，因此配备先进控制风力涡轮机的海上风电场的实际输出为相当于风电场与其他两个设计之一。

关于操作和维护成本，从图3中可以看出，在这三种情况下，似乎都有利于有两个维护人员在风力发电场工作。然而，对于一个装备了先进控制设计的风电场来说，部署第三组人员仍然是有利的。操作和维护的成本确实从0.015增加到0.0154 ECU/kWh，但其结果是每年的能源产量也从318增加到342 GWh/年。这意味着额外增加的0.5个MECU机组人员的额外支出导致了每年24千瓦时的电力增益。当额外的kWh的价格超过0.021 ECU/kWh时，就会产生利润，这显然是[4]的情况。

8. 结论

目前达到的陆上风力涡轮机故障率水平不足以用于海上风力涡轮机。

一个拥有100台风力涡轮机的海上风电场需要一个永久性的起重机设备，只要起重机的故障率高于目前故障率的一半即可。

改造后的带有吊车的自顶升平台应该是如此大规模风电场投资的一部分。

对于这些海上风电场，没有维护策略是不可行的选择。

对于中等风暴水平（18％）的站点，降低的故障率（25％至45％）和增加的维护工作可重新建立岸上可用性水平（96-98％）。

蒙特卡罗仿真工具已被证明对优化运维策略具有重要的价值。

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