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            一文了解 | 海上風電運維關鍵裝備與技術
            2023-08-24 來源:溪流之海洋人生
             海上風能作為一種可再生、無污染且儲量巨大的能源,具有風力平穩、風機利用率高、不占用土地資源、不受地形地貌影響、單機發電效率高、電力傳輸距離短且損失少等優點。另外,海上風能對于保障氣候安全、發展低碳綠色經濟、推動能源轉型、減少CO2排放等也具有重要意義。
             
            我國海岸線全長超過1.8萬千米,300多萬平方公里管轄海域,島嶼6000多個,近海風能資源主要集中在東南沿海及附屬島嶼。東部沿海地區先天條件優越,經濟發達、常規能源缺乏、環境保護要求高、海上風能資源豐富以及建設條件好、工業基礎雄厚等現狀已符合開發建設海上風電的條件。這些地區電力消納能力充足,幾乎不存在棄風、限電困擾,這也為風能提供了廣闊的市場。
             
            根據國家能源局最新發布的數據,截至2023年6月底,全國風電累計裝機達到3.89億千瓦,同比增長13.7%,其中陸上風電3.58億千瓦,海上風電3146萬千瓦??紤]到2030年國內96.12GW的開工計劃,以及海上風電未來的成本下降幅度,對應的遠期海上風電市場總空間有望超萬億。
             
            01海上風電安裝運維市場簡述
             
            我國海上風電發展市場潛力大,然而目前海上風電施工設備主要關注點在風電安裝設備上面,特別是風電安裝平臺以及起重船。5年~10年之后,風電運維市場將十分廣闊,海上風電運維設備的短缺與我國海上風電市場的巨大需求和迅猛發展形成強烈反差,市場需求矛盾突出,風電運維設備將有廣闊的市場。
             
            風電運維主要是指風電機組的定期檢修和日常維護,運維成本在整個海上風電成本構成中占據大量的份額,僅次于風機建設成本,大大超過安裝成本和海纜成本。海上風機的工作環境更惡劣,除經受運轉機械的機件磨損、電子電氣器件的電氣運行沖擊、金屬結構的振動疲勞損傷引起機組各部件故障外,還有可能遭遇海上颶風、超強雷暴等極端氣象災害的襲擊等偶發事件,導致海上風電機組故障率更高。此外,海上氣候多變,受大風、洋流以及大霧等天氣影響大,導致風電機組可達性差。最終結果是,海上風電場運行維護費用更高,是陸地的2~3倍,因此風電運維在整個海上風電開發和后期運營中起著十分重要的作用。
             
            隨著我國風電裝機數量的增加,產業發展加快,海上風電裝機規模逐步增大。風電運維市場越來越大,工作也越來越繁多復雜。運維作業主要分為以下3個類型。
             
            1. 定期檢修
             
            定期檢修是指按照風電機組廠家的技術要求,根據運行時間對風電機組進行定期的檢測、維護和保養等,工作內容相對比較固定,一般都有比較標準的程序和要求。通過定期檢測可以讓設備保持最佳的運行狀態,并延長風電機組的使用壽命,產生更多的經濟效率,充分利用資源,最大發揮效益。
             
            2. 日常運維
             
            日常運維工作主要是各類故障處置,對風電設備故障進行預判、檢測和消除等,要求人員具有電氣、通信方面的專業能力。該項工作也是風電機組運行維護最具技術、最富挑戰的一項工作,人員的工作經驗、技術水平和知識儲備決定了處理的速度與效果,直接影響到風電的正常運行。
             
            3. 事故檢修
             
            當風電機組一些大的部件損壞,如葉片、發電機和齒輪箱等,需要拆下來進行修理,這種故障一般都會產生較大數額的修理費用,修理過程也更加復雜。事故發生后,應立即組織專家分析原因及處理措施,制定詳細的修理方案經充分評估后方可實施。
             
            02海上風電發展的關鍵裝備
             
            1. 風電運維平臺
             
            風電運維平臺的主要作業工程包括風機的支撐塔架、機艙及葉片的維修及更換工作,在海上無論是風機還是基礎的安裝或者大型部件更換,都需要有相應能力的運輸工具將其運送到風場,并配備相應的設備才能安裝到位。風場建設后期的風電運維平臺通常在幾個相臨近的風場之間來回穿梭作業,以最大限度發揮平臺能力。風電運維平臺(見圖1)主要有以下3個特點。
             
             
            圖1 風電運維平臺
             
            (1)升降速度
             
            與海洋石油鉆井平臺作業方式不同,風電運維平臺海上作業環境復雜,作業窗口時間短,并且海況惡劣。運維平臺需要經常移船站樁,平臺升降頻繁,因此對平臺配備的升降系統的升降速度以及可靠性、耐用性有較高的要求。目前世界主流的平臺升降系統主要分為液壓插銷式和齒輪齒條式。與液壓插銷式升降系統相比,齒輪齒條式具有速度快、便于平臺調平等特點。
             
            (2)作業水深深
             
            隨著技術不斷向前進步,海上風電將向更遠、更深的海域發展,作業水深達到60m,未來海上風電將向深海邁進,目前已經規劃的海上風場水深可達50m,因此作業水深將成為風電運維平臺作業范圍的決定性因素。此時樁腿長度的重要性就突顯出來了,運維平臺的樁腿形式主要分為圓筒式樁腿和桁架式樁腿。與圓筒式樁腿相比,桁架式樁腿因其鏤空的結構能夠有效減少浪涌、海流及海風對平臺的作用力,使平臺的穩定性和安全性大大增強。同時圓筒式樁腿由于其自身結構特性,一般適用于作業水深不超過40m的平臺,而桁架式樁腿則可滿足更深的作業水深。
             
            (3)具有自航和動力定位能力
             
            運維平臺具有自航能力,能夠實現在風場之間以及風塔之間的快速移船就位。相較拖輪拖航、錨泊定位更加精確快捷,極大地節省了就位時間和拖輪錨艇成本,有效提高了平臺作業效率。安裝有動力定位系統(DP)的平臺,可在規定的環境條件下,自動保持平臺的位置和艏向,同時還設有獨立的集中手動船位控制和自動艏向控制。不僅如此,動力定位系統因其能夠對抗風浪、海流的作用而實現平臺漂浮定位,對平臺風暴自存的安全性和可靠性都有顯著增強。
             
            2. 運維交通船
             
            運維交通船是海上風電場施工、運行和維護的主要交通工具,起到平臺載體的作用。它為海上風場風電機組運行和維護提供服務,最大限度縮短及降低運維時間和成本,減少風機故障與停機,提高發電效率,提高風電場經濟效益,可以實現快速、舒適地到達風電柱現場,并且能靠得住、靠得穩,確保人能安全、快捷地上得去、下得來。運維交通船見圖2。
             
             
            圖2  運維交通船
             
            運維交通船的主要用途如下:
             
            (1)物資運送,運輸電氣模塊及備品備件,維修工具、日常供給物品等;
             
            (2)人員轉運,運輸技術人員、項目組工作人員及考察團人員等;
             
            (3)為工作人員提供短期的食宿休息和傷員緊急救助;
             
            (4)風場火災緊急救助等。
             
            運維交通船的主要性能特點如下:
             
            (1)快速性和靈活性,船舶要求航速高,減少中途航行時間,快速到達風場;
             
            (2)舒適性,船舶具備良好耐波性和低噪聲,保持作業人員戰斗力;
             
            (3)靠泊性,船舶操縱性要好,設備優良,具備靠得上、靠得穩風電柱的能力;
             
            (4)安全性,作業人員借助運維交通船能安全、順利地上下風電柱。
             
            國內海上風電運維剛起步,主要以小型運維船為主,數量不多,現有的這些運維船還只是普通運維船,航速較低、耐波性差、靠泊能力差(有效波高1.5m以下),主要作用是運送維護人員至機位,此外還可以攜帶小型的備品備件和工具等。
             
            國外以大型運維母船為主,主要運用在歐洲大型的海上風場,這類風場離岸距離較遠,作業水深較深。這類運維母船一般采用雙體船型,滿足在蒲氏7級風、2.5m波高、表面流速2kn惡劣海況下進行海上風電運維作業。具備DP2的動力定位功能,帶波浪補償舷梯,確保運維作業人員安全,具有大的生活區以滿足運維人員的住宿需求,具備高航速和較長的續航力,能在海上長期作業,并可為風電場內小型作業船舶提供補給,也可以進行水下電纜及其他水下設施維護。隨著國內海上風場的發展走向深水區,離岸距離較遠區,大型運維母船的需求將在未來5年~10年內有一個大幅度增長。
             
            3. 波浪補償舷梯
             
            眾所周知,風場風浪大,暗流眾多,人員上下風塔十分危險,如何確保人員上下風塔時的安全十分重要。傳統人員上下風塔是借助運維船到達風塔上面,人員抓住時機爬上風塔。該方法十分危險,稍有不慎,就會引發安全故事,畢竟風場海況惡劣,氣候環境復雜多變,運維船難以長時間保持一個相對平穩的狀態。
             
            普通舷梯在船舶海洋工程中得到使用普遍,但由于其沿舷邊放置的局限性,只能適用于船舶或平臺與小艇或碼頭之間的人員登乘。普通步橋也是一種船舶海洋工程中使用較普遍的人員登乘裝置,但由于其設計局限性,波浪稍大就不可使用。
             
            波浪補償舷梯登乘系統可滿足4級海況下將作業人員安全輸送到風塔平臺,在復雜多變的海上環境中具有自動控制能力,能保持相對平衡,見圖3。
             
             
            圖3  波浪補償舷梯
             
            波浪補償舷梯主要包括補償機構的六自由度補償能力、可伸縮舷梯的伸縮能力和俯仰能力、舷梯的承重載荷能力。補償結構基礎部分為六自由度自平衡補償平臺,實現了集成化與模塊化,在波浪時可對波浪造成的相對位移進行補償。安裝穩定性要求高的專用波浪補償舷梯,在船舶與風機柱之間形成安全通道,方便人員安全上下,確保人員安全。此外,波浪補償舷梯具有可伸縮性,收藏不用時占用空間小,可節約甲板面積,也可用于堆放其他物品。
             
            03結論
             
            深遠海運維模式和裝備能力提升將是風電運維下一階段發展重點,將有更多的深遠海運維模式和裝備出現,以實現運維效率的最大化。根據測算,每臺海上風電機組平均每年有高達40次停機故障,整體故障率約3%,大約每30臺海上風機就需要1艘專業的運維船。國外每15根風塔需要一條運維船,預計每15艘小船需要配套一艘大的運維母船?;趪鴥冗\維船的適配能力,中國海上風電運維業務將有一個大幅增長。在運維裝備方面,研制推出空中維修更換大部件的工裝工具、水下檢測機器人、無人機智能巡檢和波浪補償棧橋等,可實現海上風電運維的降本增效,提高我國風電產業的發展能力和水平。
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