海上风电运维：从近海走向深远海域

上海电力实业有限公司 ■ 孙雷

华锐风电科技(集团)股份有限公司 ■ 汪锋 张雯* 魏新

0 引言

近年来，全球风电行业发展迅速，相较于陆上风电，海上风电具有风能资源丰富、湍流强度小、不受土地限制、视觉和噪声污染低等优点[1]，同时，海上风电场距离负荷中心较近，可以就地消纳，受长距离输电技术及经济、环境的制约较小。因此，海上风电已成为全球新能源开发的热门领域。根据欧洲风能协会统计，目前欧洲海上风电装机容量约为12.6 GW，预计到2030年，欧洲海上风电装机容量将达64～86 GW，占欧洲电力需求的7%～11%，且明显呈现出从近海向深远海域风电发展的态势。

我国海上风电起步相对较晚，主要以潮间带及近海区域为主，分布在山东、江苏、上海、浙江、福建和广东等沿海区域。2009年，“上海绿能联合体”完成了第一个海上风电场的建设，该项目使用了华锐风电科技(集团)有限公司生产的3 MW风电机组，经过近几年的发展，海上风电运营商和海上风电机组制造商已经积累了丰富的海上风电场建设、风电机组设计及运维经验。为了发展清洁能源，充分利用我国丰富的海上风能资源，《可再生能源发展“十三五”规划》指出，要大力发展海上风电，在2020年底，海上风电并网装机量要达到500万kW以上。因此，在政策利好和技术进步的推动下，我国海上风电将迎来一个快速发展的时期。

随着海上风电技术的不断成熟，开发规模化的潮间带及近海风电场已不存在技术制约，但其会受到用海紧张的影响，并会对生态环境、渔场、航线产生影响，这对近海海域风电场的建设和发展存在一定程度的制约。而深远海域更广、风能资源更丰富，且不会与海上渔场、航线等发生冲突，从长远来看，海上风电从潮间带、近海走向深远海域是必然趋势。在国外，英国苏格兰海域运行的世界首座漂浮式风电场Hywind已投入商业化运行[2]；在国内，上海绿色环保能源有限公司正组织国内知名的海上风电机组制造商等相关单位开展基础和整机的关键技术攻关和产品设计工作，并已取得了预期的效果。

1 深远海域风电运维现状与分析

深远海域的风电机组故障率会比陆上、近海的风电机组要高，且风电场离岸较远，维护难度较大，因此，深远海域风电场的运维将会面临更加严酷的挑战。

1.1 风电机组及其部件的潜在故障率高

由于深远海域风电场较陆上、潮间带及近海风电场的工作环境更加恶劣，如受盐雾腐蚀、台风的破坏、雷电、海浪的荷载，机组振动和海上撞击物的影响[3]，深远海域风电机组的潜在故障率相对较高。据统计，海上风电机组近50%的停运时间是由于机组大部件损坏造成的，13%的故障与电控系统有关，这都严重影响了海上风电场的经济效益。因此，不仅需要为海上风电机组选择高质量的部件，还需要为海上风电场制定高效率、预防性的运维检修机制[4]。

1.2 缺少深远海域风电运维经验

近年来，全球海上风电的发展势头引人瞩目。根据《2017风能行业发展白皮书》的预测，到2026年，我国海上风电新增并网份额约占亚太地区的85%，新增并网容量将达到24.7 GW。而目前，我国深远海域风电建设正处于起步阶段，对于安全规范、信息体系建设、机组维护、运维交通工具及调度等方面尚未有相应的标准，积累的经验也相对较少。因此，深远海域风电的环境特殊性和运营经济性对风电场运维管理水平和运维专业技术水平提出了较高的要求。

1.3 深远海域风电运维成本高

深远海域风电技术将向漂浮式、大功率机组方向发展，在整个项目中，风电机组的成本占比是最高的，其次是运维成本。据统计，目前海上风电场运维成本占整个项目全生命周期成本的18%～23%[5]。影响海上风电机组运维成本的因素主要包括以下几方面：

1)海上气候条件。海上天气对船只的出航、风电机组的登陆及海上作业都有较大的影响，导致海上运维时间具有不确定性，影响风电机组的发电量。

2)交通工具。海上风电运维交通工具以船舶或直升机为主，用于大部件吊装、运维人员及运维工具的运输等，且运输费用会随运输距离而增加。深远海域风电场离岸较远，需要根据不同的作业需求，配置不同类型的运维交通工具。

3)风电机组及部件的可靠性。海上风电机组由于所处环境恶劣，部件的失效率较陆上风电机组高，直接导致了出海次数、备件消耗等的增加，随之带来故障检修成本的上升。

4)部件备件管理。海上风电机组的可达性差，合理的备件管理可以配合运维计划，及时处理机组故障，减少因故障导致的停机时间及损失。

面对严酷的挑战，为了弥补深远海域风电运维经验的不足，需要建设完善的运维体系，建立机组全生命周期维护标准，完善作业指导文件，严格规范维护项目、操作步骤、作业人员及时间等。应充分利用信息化手段，了解风电场环境因素，如台风、出海条件等，及时采取适合的运维策略。同时，为了进一步提高风电机组的可利用率，需采取智能化监测和故障诊断技术，监视风电机组各关键部件的健康状态，做出合理的检修建议，以延长部件使用寿命或选择最优的时间点进行机组维护，从而降低机组故障率和运维成本。除降低机组故障率以外，合理的船只、备品备件和调度管理方式也可降低运维成本。因此，建立风电运维体系是迎接深远海域风电运维挑战的关键。

2 深远海域风电运维“四化”体系

深远海域风电运维“四化”体系是将标准化、精益化、智能化和定制化贯穿于深远海域风电运维业务及风电机组全生命周期。对深远海域安全规范及作业流程进行标准化管理，保障运维人员安全的同时，提高运维效率并降低运维成本；备品备件、调度的精益化，除消除不合理的浪费外，还可提高问题处理响应速度和客户体验度；利用先进的信息化和故障预诊断技术提升运维的智能化水平；定制化意味着个性化、差异化和最优化，以客户和机组需求为目标，打造个性化服务。以大数据为依托，将标准化、精益化与智能化相结合，使业务链信息化、智能化管理成为深远海域风电运维的发展趋势。

2.1 深远海域风电运维标准化

深远海域风电运维当前尚处于摸索阶段，还需借鉴陆上、近海风电运维经验，如果能将已有的经验、流程沉淀并标准化，将对深远海域风电运维具有指导性意义。

深远海域风电运维标准化涉及安全管理标准化、安装和运输管理标准化，以及风电机组作业流程标准化。

1)安全管理标准化。深远海域环境恶劣，作业危险系数高。为了保障海上作业安全，对于海上作业人员除要求必须具备海上作业资质外，还要求其具备应急物资储备能力、设备操作能力、救济抢险能力等[6]。从海上作业流程、安全设备、安全培训、应急预案、应急演练5个维度出发，制定深远海域风电运维安全管理规章制度，对现场安全设施、措施、监督实施标准化规范管理，建立安全督察制度、加强作业现场反违章、落实安全督察闭环管理机制，为深远海域风电运维人员和风电场设备提供安全保障。

2)安装和运输管理标准化。海上风电机组的安装和运输不仅涉及风电场前期建设，也包括了大部件更换和日常运维过程。鉴于深远海域环境的可达性较差的特点，风电机组和部件的安装运输，以及人员的输送是一个较为复杂但必须要克服的问题，因此，需要开展相应的标准化工作。

深远海域风电运维交通工具主要以船只为主，特别是在风电场建设初期，现场作业点分散，施工船机较多，人员作业休息基本都在船上，若无严格的流程管控和安全把控，将影响到整个项目的周期和成本，且会对人员安全造成威胁。

制定船舶管理标准化流程，规范船只数量、停放位置、安全设施和消防实施等。临时租赁的特殊船舶应严格遵守租赁管理协议。出海作业的船舶需遵循统一调度，记录出海作业情况，对出海和返港人员人数严格把控[7]，以防出现意外；且在发生突发情况时，能够及时采取相应的应急救援措施。

安装过程标准化，能够有效地管控安装风险、提高工作效率，将其业务流程按照模块化的方式进行拆装组合，严格制定工序和操作流程，从而保障安装过程安全有序进行。

3)风电机组作业流程标准化。深远海域风电运维不同于陆上和近海，作业难度系数大，但可用于工作的时间较少。因此，必须标准化风电机组作业流程和作业时间，编制作业指导文件，对风电机组运维检查项目、所用备件工具、作业人员能力、作业人员数量、作业时长、操作步骤等做出严格规范。一旦故障发生，在满足出海作业的条件下，根据作业指导文件，专业技术人员需携带相关备件、工具并按照操作步骤进行处理。标准化作业流程不仅可缩短作业时间，提高效率，还可降低运维成本。

2.2 深远海域风电运维精益化

深远海域风电场维护(Maintenance)、维修(Repair)与大修/运行(overhaul/Operations)在风电机组全生命周期中占有重要地位。“精益MRO”是精益理念在风电运维中的应用，即通过某种方式发现并消除风电运维中不合理的浪费，降低深远海域风电运维成本[8]。

风电运维中的浪费，不仅是运维成本的浪费，还包括备品备件过剩或不足、检修计划制定及调度不合理等。“精益MRO”以消除不必要的浪费为目标，将备品备件及运维调度精益化管理，在保证风电场正常运行的同时，提高风电场运维效率。

1)备品备件精益化。在风电机组全生命周期过程中，为了保证风电机组的安全可靠运行，会有大量的零部件更换和维修，导致经常会出现备品过剩或不足的情况发生[8]。高质量的备品备件精益化管理，合理的库存配置，不仅可以保证机组的安全运行，还能降低因机组故障导致的发电量损失，进而提高风电场的经济效益。

2)运维调度精益化。深远海域风电场离岸较远，机组运维要对海上气候、出海成本、停机损失等进行综合分析并制定合理、经济的维护方案[9]。当故障检修、定期检修及状态检修工作量达到一定阈值时，需根据运维作业对船只、备件、维护人员、运维工具等资源进行合理分配，并结合气象信息制定合理的“MRO计划”，为运维工作的顺利、高效开展提供保障。

2.3 深远海域风电运维智能化

随着信息技术的发展，先进传感及信号采集技术、智能控制技术、大数据技术等也逐步应用到风电开发及机组运维中[10]。如风电场日常业务信息化管理，借助先进的传感器对风电机组数据进行采集，采用大数据及人工智能技术对设备数据进行分析诊断，可有效提升风电场运维效率及管理。深远海域风电场具有离岸较远、环境恶劣、机组结构复杂等特点，决定了其需要更高的信息化、自动化技术来实现风电场管理。

2.3.1 风电场综合信息智能化管理

深远海域风电场日常运维涉及各类信息管理，如风电机组档案、设备信息、人员管理信息、气象信息等，若能将该业务智能化管理，可规范深远海域风电场日常管理秩序，提高运维效率。建设风电场综合信息智能化管理平台，集成风电机组档案模块、设备信息模块、员工能力矩阵模块、气象信息模块于一体，实现深远海域风电运维业务一体化管理[11]。

风电机组档案模块包括风电机组静态信息和动态信息。静态信息记录风电机组机型、配置、部件型号等；动态信息记录风电机组故障信息、维护信息等。设备信息模块主要记录备件、工具、船只的数量、存储的位置，以及进出库等基本信息。员工能力矩阵模块主要记录风电场运维所需具备的能力、员工自身能力及能力等级、在岗状态的评估，以便于管理者进行人员安排。气象信息模块记录海上天气预报、灾害预警、气象云图、台风、暴雨雪等气象信息。根据气象信息，安排出海作业。计划管理模块主要针对风电场各类维护需求、巡检工作制订计划，以维护单台机组为任务，列出操作项、工具、所需备件和船只需求，并将工作落实至个人。

2.3.2 风电场智能监控和运行优化

深远海域风电场尚在建设初期，参考案例和数据较少，需要逐步积累更多的数据和经验，指导后续的风电机组优化设计和风电场运维管理工作。开展智能化风电场监控研究和系统建设可以让风电场管理者能够及时地了解机组的运行状态、报警信息和基于专家库的故障快速处理方法，同时配合智能化的数据采集策略，将风电机组及其相关设备的运行轨迹进行记录，为后续的风电场运行优化奠定基础。

风电场运行优化是结合风电场综合信息管理系统，开展风电场整体运行效果评估、风电机组间对比、可利用率和单机性能深度分析等工作，并利用分析结果为后续风电机组设计优化、性能提升改造和风电场运维优化系统提供参考依据。

2.3.3 智能化状态监测与故障诊断

受风电机组故障、海上天气、交通工具等各方面因素影响，深远海域风电运维成本较高，应使用智能化状态监测设备采集风电机组运行数据，对风电机组叶片、齿轮箱、发电机、主变压器、电气系统零部件、风电机组基础、海缆、GIS等运行状态进行评估与实时诊断分析，根据诊断结果及检修建议对风电机组进行维护，从而增强部件的可靠度并延长其寿命。同时，也可及时发现机组存在的隐患，做出紧急抢修、临时停机、选择最优时间点开展维护等应对措施[4]，避免严重事故的发生，提高机组可利用率。

综合来讲，状态监测和故障诊断是提高机组可靠性、保证深远海域风电场经济效益的有效手段。

2.4 深远海域风电运维定制化

复杂的深远海域环境，对风电机组的适应性提出了更高的要求，其运维在借鉴上述运维策略的基础上，还需增加灵活的定制化运维方式。根据深远海域风电场的环境条件及客户的不同需求，在机组配置、机组运维等方面进行精细的差异化设置[10]，以便最大限度地利用风能资源。

1)客户定制化服务。现有的陆上、近海风电运维服务方案已经不能完全满足客户对深远海域风电业务的需求，需结合客户的需求，为客户量身订做运维方案。结合已有的远程技术支持服务、部件维修及供应、大部件更换总包、预防性体检维护等项目，为客户做个性化开发，完成客户需要的定制需求[12]。这种定制化服务形式灵活、内容多样，在强有力的技术支撑下，为客户提供更好的服务，甚至可以提升风电机组可利用小时数，提高运维效率，降低运维成本，让客户在项目全生命周期内以最小的投入创造最大的收益。

2)风电机组定制化运维。未来，深远海域同一个风电场可能配置不同机型的机组，或同一机型机组可能应用在不同海域环境。不同机型机组配置不同时，器件选型、控制策略等都有所差异。同一机型在不同海域环境，因环境的差异性，器件寿命及所呈现出的特性与失效形态可能不同。因此，陆上、近海风电运维方案已经不能完全满足深远海域风电运维的需求，需从不同机型配置、不同应用环境角度出发，定制深远海域风电机组运维方案。

深远海域风电机组运维方案包括运输、吊装、调试、检修、维护等，涉及机组全生命周期。制定不同机型的风电机组在不同应用环境下的作业维护标准，避免不必要的操作和备件损失，通过高质量、高效率及科学的运维方式，降低故障率，延长机组寿命，保证机组可靠稳定运行。

3 结论

海上风电从近海走向深远海域是必然趋势。我国深远海域风电建设尚处于起步阶段，在机组开发及运维方面的经验较少。因此，在深远海域风电场建设及运行初期，需要借鉴国外、国内海上风电场的建设及运维经验，借助信息化及智能控制技术，以标准化、精益化、智能化、定制化为核心的“四化”体系为指导，实现深远海域风电运维业务链信息一体化管理，最大限度地降低深远海域风电场的建设及运维成本；在保证风电场安全、可靠运行的前提下，保证风电场的经济效益，促进深远海域风电健康、长远的发展。

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