基于风能可利用率的风电场运维水平评价方法

基于风能可利用率的风电场运维水平评价方法

李占春

国家电投内蒙古公司蒙东协合新能源有限公司内蒙古028000

摘要：海上风电是最具规模化开发的可再生能源。2020年我国海上风电装机容量将突破8.5GW。2019年起推行海上风电风能可利用率，对海上风电的发展产生深刻影响。目前海上风电运维成本高，运维成本是陆上风电的2~3倍，在度电成本占比高达25%~40%。研究发现，科学合理的运维策略是提高风能可利用率的有效途径，采用预防性维修策略，出海运维作业次数下降34.7%，可有效降低海上风电度的运维成本和度电成本。

关键词：海上风电；风能可利用率；度电成本；运维策略；预防性维修

1前言

自2010年我国上海东海大桥风电场并网以来，海上风电发展迅速。全球风能理事会（GWEC）的数据统计，截至2018年底，全球海上风电累计装机容量23GW，其中中国4.4GW，占比约19.2%（如图1）。全球海上风电正进入加速发展阶段，预测未来五年全球将新增装机容量32~40GW，其中2020年中国海上风电累计装机容量将突破8.5GW，2022年达到11.5GW。随着海上风电技术进步和规模化开发，我国海上风电的单位容量投资成本逐年下降，为海上风电参与竞价上网和风能可利用率创造了基础。

2我国海上风电政策

2019年1月，国家发改委能源局发布《关于积极推进风电、光伏发电无补贴风能可利用率有关工作的通知》（发改能源〔2019〕19号），2019年5月配套出台《关于公布2019年第一批风电、光伏发电风能可利用率项目的通知》（发改办能源〔2019〕594号），2个通知要求积极推进海上风电风能可利用率，力争2020年全面实现风能可利用率。随着竞价上网和风能可利用率的不断深化和推进，将对我国海上风电的发展产生深刻的影响。目前，我国海上风电的上网电价普遍高于煤电标杆上网电价，按照通知精神，推行风能可利用率，海上风电将面临巨大的运维压力。对于海上风电，降低运维成本将是全行业健康发展的关键。

3我国海上风电运维现状和存在的问题

海上风电运维工作包括设备管理、技术管理、安全管理、人员管理以及维护成本控制等。国内海上风电运维模式主要有3种方式：开发商自主运维、委托制造商运维和独立第三方运维。由于开发商自主运维方式能够有效控制运维成本，保障机组设备的可靠性和可利用率，是未来海上风电运维的主流模式。

我国海上风电的运行维护具有显著的特点：（1）运维市场潜力巨大，预计2020年质保到期的海上风电机组总容量将超过1000MW；（2）运维市场处于初步发展阶段，缺少海上风电运维经验，海上风电运维成本统计和分析数据的积累尚不够充分；（3）国产海上风电机组的试验、验证工作不充分，机组故障率高，运维成本高；（4）风电运行和维护存在脱节，由于风电开发过程中过于依赖设备供应商的技术支持，开发商缺乏独立进行风电场运维的能力；（5）海上风电涉及海洋、海岸、船舶、电力等多个行业，专业复杂且技术要求高，海上风电相关的安全、信息、机组维护、运维交通及调度等方面尚未有相应的国家和行业标准、规范；（6）缺乏风电机组运行状态分析和评价的工具和方法，无法对运维成本进行精确的估计和测量。根据海上风电场运维统计数据，海上风电运维成本是陆上风电的2~3倍，运维成本高的主要原因：（1）海上风电机组运行环境恶劣，风电设备易受盐雾、台风、海浪、雷电等恶劣条件影响，风电机组部件失效快，机组故障率高，维修工作量大。据统计，齿轮箱、发电机和风机轴承等关键部件故障占比50%以上。海上风电机组的年平均可利用率一般只有90%左右，低于陆上风电机组95%~99%的可利用率；（2）海上风电运维的可达性差，运维需要特殊的运维船只、机具，零部件的运输和吊装成本远高于陆上风电，如1个容量30×5MW的风电场需要配备1艘运维船，每年的租赁费用约200万元；（3）海上运维受天气因素影响大，机组有效维护时间短且具有随机性，每年有效维修作业时间不足200天且集中在4~9月，维护成本高；（4）缺少海上风电运维经验，维护作业侧重于修复性维护，预防性维护能力差。据有关文献介绍，海上风电运维成本在度电成本中的占比高达25%~40%。

4海上风电运维策略

为了保证和维持风机设备的可利用率，必须运用科学合理的运维策略和手段。同时，海上风电机组运行环境恶劣，运维难度大，科学合理的运维策略也是控制运维成本的关键。目前，海上风电运维策略主要有定期维护策略、事后维护策略和预防性维护策略。定期维护是我国海上风电最为普遍的一种运维策略，一般每年2次定期维护，由于该方式不能全面、及时地了解设备真实的运行状况，容易增大故障风险，增加维护成本。事后维护是一种被动消极的维修策略，其结果影响风机设备的可靠性和可利用率。

预防性维护策略以预防故障为目的，通过设备日常检查、检测数据判断风机设备运行状态，及时发现故障征兆，在未发生故障但达到故障设定值时进行维修维护。预防性维护将设备的事后维修改为事前预防维修，能有效防止设备故障的发生，设备检修从技术和备件上更有准备，减少设备停机待修、检修时间和非计划的故障停机损失，延长设备使用寿命，降低维修费用。从长期影响和成本比较看，预防性维护比定期维护或事后维护更有意义。

通过风机预防性维修策略模型，基于海上风电故障维修的威布尔分布函数，采用遗传算法对机会维修阈值进行优化。模型研究运行周期730天，预防性维修造成风机平均停机时间降到16.35天，出海运维作业次数由原来的72次降到47次，下降34.7%。模拟结果显示预防性维修策略可有效减少运维次数，有助于降低风电场运维成本，提高运维活动安全性和灵活性，避免维修过剩情况出现，减少停机损失。

结束语

目前，海上风电运维成本是陆上风电的2~3倍，在度电成本占比高达25%~40%。研究发现，科学合理的海上风电运维策略是降低运维成本和度电成本的有效途径，采用预防性维修策略，风机平均停机时间下降到16.35天，出海运维作业次数下降34.7%，可有效降低海上风电度的运维成本和度电成本。我国海上风电运维管理仍处于研究与探索应用阶段，现有海上风电运维费用较大，如何利用先进技术和管理手段，降低运维成本，探索科学、合理、高效、可行的运维管理模式，将是今后海上风电运维策略研究的重点。

参考文献：

[1]迟永宁，梁伟，张占奎，等.大规模海上风电输电与并网关键技术研究综述[J].中国电机工程学报，2016，36（14）：3758-3771.

[2]张继立，王益群，吕鹏远.我国海上风电区域开发方案浅析[J].风能，2018（06）：62-68.

[3]刘涛.风电行业弃风、装机及运维大预测[J].能源，2019（02）：71-75.

[4]李早，施跃文.国有风电运营商自维护模式分析[J].太阳能，2018（11）：5-8.