引言

在陸上資源日趨枯竭的背景下，海洋資源的開(kāi)發(fā)利用成為了國(guó)家維護(hù)能源安全的重要途徑。海洋風(fēng)能是可再生能源供應(yīng)體系的重要組成部分，海上風(fēng)電更是重要能源產(chǎn)業(yè)之一，因其資源豐富，風(fēng)速穩(wěn)定，可以供給人類大規(guī)模開(kāi)發(fā)，已成為全世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)，近幾年全球海上風(fēng)電裝機(jī)容量平均增長(zhǎng)速度達(dá)到80%以上。我國(guó)具有豐富的海上風(fēng)能資源，在發(fā)展海上風(fēng)電方面占有天然優(yōu)勢(shì)，并且國(guó)家政府為了支持海上風(fēng)電的發(fā)展提出了大量的優(yōu)惠政策，海上風(fēng)電近年來(lái)發(fā)展迅速，市場(chǎng)前景非常廣闊。根據(jù)可再生能源“十三五”規(guī)劃的初步預(yù)計(jì)，2020年至2030年每年新增容量將可達(dá)到200萬(wàn)至300萬(wàn)千瓦。

海上風(fēng)能總規(guī)模為陸上風(fēng)能的2~3倍,且風(fēng)質(zhì)量更加穩(wěn)定。英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、荷蘭等歐洲風(fēng)電強(qiáng)國(guó)均出臺(tái)10 GW 量級(jí)海上風(fēng)電規(guī)劃,美國(guó)計(jì)劃2030年完成30GW 海上裝機(jī)容量,韓國(guó)、日本、越南等亞洲國(guó)家預(yù)計(jì)2030年完成25GW 海上裝機(jī)容量,海上風(fēng)電已成為業(yè)界全新的“藍(lán)海戰(zhàn)場(chǎng)”。在海上風(fēng)電蓬勃發(fā)展之際,滯后的運(yùn)維技術(shù)成為其進(jìn)一步發(fā)展的隱憂。傳統(tǒng)風(fēng)電運(yùn)維是平面化、后置化的,只能在單一或少量參數(shù)背景下探討風(fēng)機(jī)狀態(tài),運(yùn)維過(guò)程中依賴專業(yè)人員的主觀判斷,各流程相對(duì)孤立,難以保持信息的實(shí)時(shí)流通。而真實(shí)的風(fēng)電場(chǎng)是立體、瞬變的,后發(fā)式、周期式等離散化方案均不能完全適配現(xiàn)代海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)維要求。狀態(tài)評(píng)估、故障預(yù)警、運(yùn)維船路徑、窗口期預(yù)測(cè)等全周期要素需要在綜合性平臺(tái)上共融呈現(xiàn),才能以最小成本換取最大效益。同時(shí),由于通信技術(shù)受限,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備必須具備過(guò)濾噪聲、初篩信息、散點(diǎn)覆蓋、重點(diǎn)回傳的自適應(yīng)能力,才得以在帶寬有限的條件下完成全天候有效監(jiān)測(cè)。菲律賓以西生成的南海“土臺(tái)風(fēng)”路線詭異莫測(cè),越接近登陸點(diǎn)其能量越強(qiáng),會(huì)給海工結(jié)構(gòu)物以措手不及的毀滅性打擊,臺(tái)風(fēng)“暹芭”造成風(fēng)電運(yùn)維船事故便是例證。智能運(yùn)維模式能夠?qū)㈥懟⒑；⒔恕⑦h(yuǎn)端的大范圍天氣海況參數(shù)進(jìn)行集成分析,發(fā)揮一線氣象站的作用,及時(shí)發(fā)出風(fēng)暴預(yù)警并安排人員和船只撤離避險(xiǎn),并能基于大數(shù)據(jù)對(duì)故障進(jìn)行精細(xì)識(shí)別與預(yù)警,對(duì)保障人員安全、提升運(yùn)維效率具有重大意義。

然而，隨著全球投產(chǎn)的海上風(fēng)機(jī)數(shù)量不斷增加，海上風(fēng)電系統(tǒng)設(shè)備自身運(yùn)行特點(diǎn)和環(huán)境所造成的故障風(fēng)險(xiǎn)與維護(hù)成本控制問(wèn)題也日益突出，如何降低海上風(fēng)電行業(yè)運(yùn)維費(fèi)用，提高系統(tǒng)可用度和總回報(bào)率，發(fā)展相關(guān)的第三產(chǎn)業(yè)即風(fēng)機(jī)運(yùn)行監(jiān)測(cè)、故障診斷、維護(hù)方法等已成為亟需解決的新課題和行業(yè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。海上風(fēng)電系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)失效模式數(shù)量龐大，在不利的海洋環(huán)境下使風(fēng)機(jī)的故障率升高，為避免海上風(fēng)電系統(tǒng)在設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)發(fā)生損傷破壞，風(fēng)機(jī)各個(gè)設(shè)備及結(jié)構(gòu)必須具有很高的強(qiáng)度和健康的工作狀態(tài)，然而，近些年來(lái)，由于設(shè)備監(jiān)測(cè)工作的疏忽及損傷預(yù)測(cè)方法的不精準(zhǔn)，海上風(fēng)電系統(tǒng)損傷破壞事故在不斷發(fā)生，不但造成大量的財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)還引發(fā)了海洋環(huán)境的破壞。2015年11月，丹麥Samson島附近的PaludansFlak海上風(fēng)場(chǎng)的一臺(tái)2.3ＭＷ西門子海上風(fēng)機(jī)出現(xiàn)垮塌事故，如圖1所示，機(jī)組葉片和機(jī)艙均落入海中，該事故造成整個(gè)海上風(fēng)場(chǎng)的關(guān)停檢修，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因而，研究怎樣精準(zhǔn)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)和設(shè)備的健康狀態(tài)，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行針對(duì)性的維修，使各個(gè)設(shè)備維修活動(dòng)相互協(xié)調(diào)，提高海上風(fēng)電的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，已成為亟待解決的問(wèn)題。故障預(yù)測(cè)與視情預(yù)防性維修是裝備和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自主保障的關(guān)鍵技術(shù)，然而在海上風(fēng)電系統(tǒng)領(lǐng)域仍需要進(jìn)行方法改進(jìn)以提高海上風(fēng)機(jī)的可靠性，并且降低整體維護(hù)成本。鑒于此，本文研究了海上風(fēng)電系統(tǒng)基于分步識(shí)別的結(jié)構(gòu)損傷預(yù)測(cè)方法和視情維修模型，還提出了合理有效的維護(hù)策略。經(jīng)過(guò)對(duì)大豐田海上風(fēng)電場(chǎng)的算例分析，對(duì)本文優(yōu)化維護(hù)策略在提高風(fēng)電系統(tǒng)可用度和節(jié)約維護(hù)成本方面所產(chǎn)生的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，從而對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行和維護(hù)工作起到實(shí)際工程指導(dǎo)作用。

圖1 PaludansFlak海上風(fēng)場(chǎng)事故

海上風(fēng)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

1.1 大容量與規(guī)模化

使用大容量海上風(fēng)電機(jī)組可大幅度減少機(jī)位，降低基礎(chǔ)建設(shè)造價(jià)；海上風(fēng)場(chǎng)的大規(guī)模、集約化開(kāi)發(fā)可降低海纜鋪設(shè)、換流站建設(shè)及后期運(yùn)維成本，是攤薄海上風(fēng)電度電成本的關(guān)鍵措施。同時(shí)，大容量風(fēng)電機(jī)組具有更大的掃風(fēng)面積，通過(guò)搭載先進(jìn)的運(yùn)行控制系統(tǒng)， 發(fā)電效率也會(huì)更高。

當(dāng)前，國(guó)外大容量海上風(fēng)機(jī)的研究已從美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室的5 MW機(jī)型、丹麥科技大學(xué)的10 MW機(jī)型發(fā)展到國(guó)際能源署發(fā)布的15 MW海上風(fēng)電機(jī)型。我國(guó)5~8 MW海上風(fēng)電機(jī)組已實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)行，8~10 MW海上風(fēng)電機(jī)組已實(shí)現(xiàn)批量應(yīng)用或示范運(yùn)行，10 MW以上的更大容量機(jī)型也相繼發(fā)布。表1 匯總了國(guó)內(nèi)外整機(jī)制造商最新發(fā)布的部分大容量型號(hào)風(fēng)機(jī)，涵蓋固定式與漂浮式，涉及雙饋、永磁直驅(qū)和半直驅(qū)3 種技術(shù)路線。

表1 國(guó)內(nèi)外整機(jī)廠商最新發(fā)布的大容量海上風(fēng)電機(jī)組

海上風(fēng)場(chǎng)發(fā)展中，江蘇如東已經(jīng)建成包含三峽、中廣核、國(guó)電投等投資的11 個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)集群項(xiàng)目，成為亞洲最大海上風(fēng)電場(chǎng)群；江蘇大豐國(guó)內(nèi)離岸最遠(yuǎn)海上風(fēng)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行；廣東陽(yáng)江實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)首個(gè)百萬(wàn)千瓦海上風(fēng)電全容量并網(wǎng)。同時(shí)，在山東、江蘇和廣東等沿海省份相繼出臺(tái)的“十四五”規(guī)劃中均明確提出要打造千萬(wàn)千瓦級(jí)海上風(fēng)電基地，加快推動(dòng)海上風(fēng)電集中連片開(kāi)發(fā)。

1.2 深遠(yuǎn)海與漂浮式

在“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，未來(lái)幾年內(nèi)我國(guó)近海(水深<60 m)固定式海上風(fēng)電的可開(kāi)發(fā)資源將趨于飽和。在水深大于60 m的海域，固定式海上風(fēng)電的基礎(chǔ)建設(shè)成本將呈指數(shù)增長(zhǎng)，不再具備成本優(yōu)勢(shì)。國(guó)家氣候中心數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)深海風(fēng)資源總量約10億kW，是近海風(fēng)資源的近2 倍，發(fā)展?jié)摿薮蟆６笕萘科∈斤L(fēng)機(jī)技術(shù)將成為海上風(fēng)電走向深遠(yuǎn)海的突破口。

技術(shù)研究方面，為支持海上風(fēng)電工程的設(shè)計(jì)和分析，國(guó)際能源署已經(jīng)于2007—2019 年先后完成海上代碼比較協(xié)作項(xiàng)目OC3及延續(xù)項(xiàng)目OC4和OC5。其中，OC3(固定式和立柱漂浮式風(fēng)機(jī))和OC4(半潛浮式風(fēng)機(jī))主要通過(guò)海上風(fēng)電機(jī)組的模擬響應(yīng)來(lái)進(jìn)行仿真軟件代碼間的比較，以驗(yàn)證不同耦合建模工具的準(zhǔn)確性；OC5項(xiàng)目(半潛式)則將工作擴(kuò)展到通過(guò)對(duì)比模擬響應(yīng)與實(shí)際測(cè)量值來(lái)驗(yàn)證建模工具，觀察建模工具與測(cè)量數(shù)據(jù)間的差異；2019—2023 年進(jìn)行的OC6項(xiàng)目將更有針對(duì)性地進(jìn)行海上風(fēng)電系統(tǒng)工程級(jí)建模工具、高精度建模工具與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)三方之間的對(duì)比驗(yàn)證，目前已經(jīng)完成前2個(gè)階段工作。

實(shí)際工程中，2009 年，挪威首臺(tái)立柱(Spar式)漂浮式風(fēng)機(jī)的成功安裝開(kāi)啟了漂浮式海上風(fēng)電發(fā)展的序幕，在此之后葡萄牙、日本、英國(guó)、法國(guó)等國(guó)家相繼開(kāi)展漂浮式海上風(fēng)電的示范項(xiàng)目[20]。我國(guó)的風(fēng)電制造企業(yè)，如金風(fēng)科技、三峽能源、龍?jiān)措娏β?lián)合明陽(yáng)智能、中國(guó)海裝和上海電氣等，也開(kāi)展了漂浮式風(fēng)機(jī)技術(shù)的相關(guān)研究。2021 年7月，全球首臺(tái)半潛式抗臺(tái)風(fēng)型漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組“三峽引領(lǐng)號(hào)”在廣東陽(yáng)江沙扒順利安裝；同年12 月，由海裝牽頭研發(fā)的“扶搖號(hào)”半潛式基礎(chǔ)平臺(tái)成功下線。

1.3 數(shù)字化與智能化

隨著海上風(fēng)電單機(jī)容量不斷增大，風(fēng)場(chǎng)向深遠(yuǎn)海不斷延伸，其運(yùn)維難度、運(yùn)維成本和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)顯著提升。據(jù)測(cè)算，海上風(fēng)電后期運(yùn)維成本占整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)全生命周期度電成本的23%左右，而陸上風(fēng)電僅為5%左右。通過(guò)引入數(shù)字化技術(shù)、人工智能技術(shù)等降低整體運(yùn)維成本、提升單機(jī)與場(chǎng)群的運(yùn)行控制水平，是控制海上風(fēng)電度電成本的有效途徑。

在海上風(fēng)電智能化技術(shù)研究方面，基于機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)的海上風(fēng)況、風(fēng)功率預(yù)測(cè)，基于數(shù)字孿生的海上風(fēng)電機(jī)組實(shí)時(shí)狀態(tài)感知與智能診斷等引起了廣泛關(guān)注。海上風(fēng)電的數(shù)智化產(chǎn)品也不斷取得新進(jìn)展：遠(yuǎn)景能源的“伽利略”超感知風(fēng)機(jī)利用海量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，具備一定的學(xué)習(xí)、感知、判斷能力；上海電氣的D2X 數(shù)據(jù)治理平臺(tái)、Park-Agent 智能監(jiān)控平臺(tái)，E-CMSPlus 智能診斷平臺(tái)、Prognostic-Agent 故障預(yù)測(cè)及健康管理平臺(tái)等產(chǎn)品，具備一定的保障風(fēng)機(jī)全生命周期高效高可靠運(yùn)行的能力；中國(guó)海裝的全生命周期管理PLM 系統(tǒng)基于大數(shù)據(jù)平臺(tái)，搭配海上運(yùn)維船， 能夠?yàn)楹Ｉ巷L(fēng)電運(yùn)維提供保障。