海上风电机组运维现状及策略研究

海上风电机组运维现状及策略研究

胡海勇 1 王志亮 2

1国电电力浙江舟山海上风电开发有限公司 ,浙江 宁波 315042 2中交第三航务工程局有限公司宁波分公司 ,浙江 宁波 315200

摘要：随着我国经济的快速发展，各行各业都在快速发展。海上风电机组与陆上不同，受海上天气条件及运行维护策略的影响较大。基于此，本文对海上风电机组项目运维现状、特点、影响因素、维护问题、维护策略以及海上风电机组运维研究展望进行了分析。

关键词：海上风电机组；运维；现状；策略；研究

随着我国海上风电场的陆续并网发电，风机厂商5年运维期的结束，建设单位面临的运维管理工作提上日程。海上风电机组的运行质量直接关系到风场的效益，通过运维确保风机的正常运行，是建设单位面临的重要问题。海洋环境条件恶劣。一方面，海上盐雾浓度高、湿度大、且季节性伴有台风、海冰等灾害性天气，运行维护过程中，不仅要考虑海上风浪、涌浪等自然因素，也要对海上风电机组的状态予以归纳和分类处理，结合相关要求对运维方法、效果进行专业评估。

1 我国海上风电机组运维现状调查

通过书面调研发现，对于我国总装机规模200～400MW的多个海上风电场，从风电场全投开始，5年内一般为风机厂家进行运行维护，后续的20年运行维护工作主要由建设单位自有运维单位负责。

由于长时间运行于海上极端恶劣的环境中，设备容易受到高盐雾以及高湿度等环境因素的影响，部件的故障率较陆上风电机组大大提高； 机组故障停机时间相对较长，发电量损失非常大；设备发生故障后，需要安排足够的运行维护人员、大小部件、合适的船舶进入风电场所处海域进行作业，运维费用高昂；受到、潮位、风速、长波强涌等自然条件的限制，海上风机设备的通达性较差；我国海上运维工作刚刚开始进行， 海上运维船大部分采用普通船舶进行运维， 存在耐波性差、靠泊能力差等问题；目前国内的海上应急救援机制还不完善，加上海上通讯不畅，救援响应不急时，近些年因运维发生多起交通船事故，造成多人伤亡。

2 海上风电运行和维护特点

2.1 运行维护成本费用高

海上风电设备部件多，涉及工业类别多，国内研发环境欠佳，开发与生产在我国仍具有局限性，导致部分核心部件尚未实现国产化，需要依靠进口。海上风电为获取更高效益逐步加大单机容量，轮毂中心高度、叶片长度、塔筒直径、机舱尺寸等相应增大，而大部件的运维需要大型船机设备，这些都加大后续日常维护难度和维护成本。在维护的过程中，需要运用大量的运输船舶、起重船舶以及专用工程设备，维护价格居高不下。气象、海况等环境变化莫测，需要多次往返海上现场进行某一问题的调查、取证，而更换部件往往需要多次往返方可完成。尤其是随着远海、深海以及超大规模海上风电场的开发与建设，海上风电运维问题将更加突出。如何经济地实现海上风电机组运维已经成为海上风电开发迫切需要解决的主要问题之一，也是当前许多研究关注的重点。

海上风电机组的设备故障率相对于陆上风电要高得多，而海上风电设备维护效率又较低，外加各种不确定因素的影响，导致上升运维成本大增。据相关数据显示，海上风电平台运行维护费用，相较于陆地风电设备运行维护费用高2~4倍。

2.2 受环境因素干扰明显

海上风电运维具有点多面广、高空作业、水下作业、密闭空间作业等特点，同时海上风电机组又具有管理层面多、维护难度大等特点。相对于陆地风电机组而言，海上施工管理难度较大。海洋水文、气象环境和海洋地质等非常复杂，季风、台风等海洋气候交替，海水对于风电设备的侵蚀等，加之水上交通与人力限制，大大压缩海上风电日常维护与管理有效作业时间，遇特殊气象条件（如大雾、长波强涌等）更会直接影响海上运维工作的进行。

2.3 相关维护技术标准严

海上风电开发对于专有技术的依赖性较高，运维施工和管理标准更为严格。虽然我国在近岸海域的工程建设基础综合实力较强，但在深远海海上风电的研究上，尚与世界发达国家存在较大的技术差距，海上风电平均技术水平相对落后，技术储备明显不足。尤其是远离陆地的条件下，海上气候条件、水文条件、机件运输与安装、常态化管理等方面的问题接踵而来，对于海上风电桩基、承台、塔筒、大部件等的运行和维护都提出了较高的要求。同时，在海上风电的运行模式与陆地风电存在着明显的差异性，针对海洋特殊的环境，如何高效运运维成为亟待解决的问题。

3 海上风电机组运维可用性影响因素

海上风电机组的大部分设备直接暴露于空气中，而其基础部分淹没与海水中，陆地风电机组维护只需陆上装备即可解决，而海上风电场作业窗口期短，通达性差，很多维护工作并不能及时实施。根据笔者多年经验，海上维护检修工作条件一般需要满足下表要求方可实施。

表3-1 海上运维条件分析表

以风况≤7级、浪高≤1.5m、波周期≤7s这三个关键因素为参考，一般离岸10km以上的无掩护风电场的年可作业率仅45%左右。当以风况≤6级、浪高≤1.2m、波周期≤6s这三个关键因素为参考时，离岸10km以上的无掩护风电场的年可作业率一般将小于40%。因此，在自然条件不允许情况下，风电机组及基础一旦发生故障，运维人员通常需等待数小时乃至数天直到天气满足出海和登高要求方可进入现场实施维修。统计数据显示，当故障维修需出海时，由天气原因造成的设备停运时间可占到海上风电场维修总时间的近50％。另外，部分风电机组部件故障维修所需的辅助设备繁多、操作复杂，使得相应的故障修复时间延长，继而导致停运时间增加，机组平均可利用率降低。因此，海上风电场天气条件是制约机组运维实施的重要因素，也是影响海上风电机组可利用率的关键所在。

在海上风电场日常管理工作过程中，运维管理机制就是定期检查、定期维护以及检修维护结合，结合事先制定的维修项目和计划，有计划的开展运维工作，及时处理发生的问题。对于现代化高效的运维机制，需要在风速小的情况下建构更加系统化的维护机制和管理模型。定期维护项目和风资源都能有效暂停运行时，运维工作并不会对风电机组的实际可用效率造成影响。一般的故障检修也是在故障发生后进行维护，间隔周期存在一定的不确定性，小到重启大到更换大部件，相关处理机制不尽相同，存在一定的随机性，因此，需要充分利用定期维护时间和因风资源因素停运时间进行海上风电机组的运维是运维管理的重点。

对于海上风电场运维方案会产生影响的因素中，天气因素、运维船舶都要作为重点因素，运维管理部门要合理化分布相关维护人员、工器具和设备，以确保运维方案具有可操作性。基于此，相关技术人员要携带适当的设备选择合适的作业窗口期进行运维操作，减少无效运维。一般而言，海上风电机组故障运维流程如下：（1）故障发生。（2）集控中心接收到报警信号，值班人员结合实际情况制定运维方案。（3）设备和人员进行备件。（4）安排相关人员和维修备件在适宜的海上作业天气及时进场。（5）维修人员和设备到达故障位置进行确认。（6）实施维修，待维修任务完成后返航陆上基地。

结合海上风电机组实际停运时间，对通达性和运维管理流程予以分析，要对故障率、修复率等予以分析，建立数据库。由于平均修复时间会在海上风电场天气和运维策略差异化作用下出现差异，并不利于有效统计和管理，对海上风电机组的可利用率予以分析，需要结合海上天气的实际条件和相关运维措施有效开展。一方面，海上天气条件对其产生影响，尤其是特定的海上风电场，相关天气数据能从检测中有效获得，结合上文的相关分析结构进行阐释，海上风浪条件和视觉条件等因素都是影响风电机组运维效率的基本要素。另一方面，要对海上风电场值班制度进行分析，整合故障判断机制和维护方案的选择机制，集中维护检修操作项目的实际运行效率。除此之外，海上风机组故障维修逻辑和备件管理项目，设备的复杂性、结构的多样性等都要结合相关参数进行整合，尤其是在故障发生后，要结合故障检修所需要的船只以及备件结构，确保检修方案的针对性，维护部件故障统一处理效果，不同的维修方案是针对差异性故障问题，在故障计划项目中要维护船只、备件、人员以及维修任务消耗费用等因素的完整性。

4 海上风电运维常见问题

传统风电企业管理模式为三级模式，即：集团公司（省级公司）-三级单位风电场（站），在此基础上又建立了监控中心、技术监督、维护检修等辅助单位。

传统风电企业运行管理模式存在以下问题：（1） 基层企业专业人员很难配齐，人员素质不一，管理水平参差不齐。上级企业存在多重管理问题，不能及时有效解决问题； （2） 管理链不顺畅、数据流未打通，导致风电生产管理无抓手，技术管理无依托，管理存在断点和盲区；（3）没有形成符合海上风电管理规律的、科学的、成体系的机制；安全管理、设备管理、指标管理和绩效管理基本上按火电思路和陆上风电套路进行；（4）运行管理缺乏数据信息系统支撑，已建设的风电生产信息化管理系统和生产实时数据平台，不一定能得到真实的信息，掌握不到真实情况。

近几年来，迫于环境保护、能源结构调整的压力，我国的海上风电市场的发展连续大幅度增长，随着市场的成熟，监管部门和建设单位对风电项目有了更高的要求，近期的发展已经从数量转变成了质量，目前，国家正在陆续出台风电行业的规范标准，但尚未统一实施，在这种前提下，不同的风电制造企业和建设企业，对风电机组的要求和标准都有所不同，特别是在风电机组运行和操作过程中，有的操作人员不够专业、经验不丰富，而且管理制度不太完善，因此，在风电机组运维时，其稳定性和安全性难以保证，每年都会有此类的安全事故发生，经济损失也非常大。

4.1 海上交通风险较大

受技术水平和运维经费限制，我国的海上风电运维船（交通船）总体水平偏低。而海上运维交通船是海上风电运维的主要交通工具，国外海上运维过程中，运维交通船作为重要的交通工具，受到一定程度的重视，运维交通船的设备专业水平不断提高，一般由单体船、双体船和三体船完善海上运维工作。由于我国海上运维工作刚刚开始进行，虽然许多运维公司开始提高运维船只专业设备水平，但是仍有大部分海上运维船采用普通船舶进行运维，存在耐波性差、靠泊能力差等问题，某些运维公司为了节约成本，选用不适宜风浪条件的运维船舶进行交通运输和设备运输，进行海上风电运维工作，这些船只难以承受海上的巨大风浪，船体本身存在一定风险，加大了海上运维的风险性，加大了海上风电运维人员的安全保障难度。

4.2 运行与维护未有效统一

现阶段我国能源产业发展受政策宏观调控影响较大，国家对于环境保护政策和清洁能源开发指标的调控，使得海上风电产业建设受到广泛的关注和重视，海上风电已成为新能源行业新宠，投资金额不断增大，部分海域开发成本甚至突破2万元/kW。前期海上风电建设步伐加快，高端装备投入动辄数十亿元，但其对于后期运行和维护的投入却屈指可数，运行、维护仍处于传统陆上风电水平，运维停留于日常维护或事后检修，缺乏科学性的统筹，未针对海上风电的特殊性，探索运维新技术，创新管理模式，提高运维效率，降低设备故障水平，这些对运维影响十分巨大。

4.3 重开发轻维护

随着我国加大新能源领域的政策扶持，较多企业投入大量资金，以产品开发作为重中之重，迅速占领市场，提升竞争力。反观产品后续产业链的延伸则略显滞后，比如海上风电领域，在产品质量与开发技术创新上，都属于国际领先水平，而后期海上风电管理、运维技术却无法及时与前期的先进性保持一致，为此反而增加了后期的管理、运维风险与成本，海上风电发展存在缺陷性。

5 海上风电机组运维策略

5.1 提高运维人员安全意识

通过开展专业的安全培训，有效提高海上风电运维人员的安全意识，对海上风电运维人员实行高标准、严要求，针对人员各项专业水平、安全操作技能和意识进行培训及考核，安排海上风电运维人员进行海上消防、游泳、海上救护及安全教育等方面的专业培训，对培训结果进行考核。只有考核结果合格，才可以批准其进行海上风电运维工作，提高人员安全意识和防护能力，以及处理事故的能力，全面提高海上风电运维安全性，避免发生不必要的人身及经济损失。

5.2 建立健全安全管理体系

设置专门的安健环运维管理部门，配置适宜的安全管理人员，加强海上风电运维人员安全管理，确保海上风电场的顺利运行首要目标就是要建立安全监控系统，完善安全管理体系，实行先审批后实施的规定，防止无序运维事故的发生。加强现场消防保卫制度，对出海船舶、救生设备、出海作业时间选择，海上风电运维工作使用的通讯设备及通讯方法都要有统一规定，并加强对其的监督管理工作，完成“四零”安全目标，逐级签订安全目标计划保障书，确保安全管理体系的有效运行。

5.3 推广大部件专业化更换服务

大部件的更换需要专用船机设备和吊具系统，通过状态监测的振动预警系统，对关键部件早期故障进行预警；开展大部件故障空中维修、更换工艺的研发，降低运维成本；整合专用船机设备、工艺技术、工器具等要素，提供专业化的大部件更换服务，降低运维时间，增加运维效益。

5.4 设立适宜的运维作业标准

成立专门机构，配置专业人才，通过总结海上运维实践经验，建立一整套行业统一的海上运维作业标准和规范，对海上项目施工及运维作业的安全（如出海作业人员资质、培训要求，海上人员交通船的资质准入、硬件配置、出海条件等）、技术（如验收规范、海上防腐、电气防护）、质量要求进行统一规定，以此达到提高运维工效、降低运维成本、增强运维安全的目的。

6 海上风电机组运维研究展望

鉴于国内海上风电场运维技术水平偏低、管理体系建设偏弱的情况，建设单位应抓紧研究运维装备、运维技术标准、安全管理体系、风机设备部件管理，形成一系列适合国情和海上风电场自然条件的管理制度和标准。结合可用性评估机制对不同环境进行差异化分析，制定风电场运维管理机制。在实施方面，应坚持专业的人做专业的事，避免多重管理，明确运维职责，在建立科学合理的运维机制条件下，有序开展运维工作。

7 结束语

我国海上风电发展势头迅猛，区域集中化开发十分明显，风电强省已经有意识地组织开展运维现状和策略的研究。在海上风电机组运维研究机制建立后，开发建设企业要结合海上环境以及装备制造产业等予以统筹分析，整合资源的同时，确保分析数据的完整性，为海上风电机组运维的健康发展提供保障。

参考文献：

[1] Diamond K E.Extreme weather impacts on offshore wind turbines：lessons learned[J].Natural Resources & Environment，2012，27(2)：1-5.

[2] 黄玲玲, 曹家麟,李帅, 张开华等. 海上风电机组运行维护现状研究与展望[J]. 中国电机工程学报,2016,36(3):729-738.