海上風(fēng)電是可再生能源中最具規(guī)模化發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域之一。我國海岸線長，海上風(fēng)資源豐富，海上風(fēng)電又具有占地面積少，開發(fā)規(guī)模大，發(fā)電利用小時數(shù)高等特點，加上國家政策利好，我國海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)已漸入佳境。但與此同時，由此衍生出來的海上風(fēng)電機組運維的相關(guān)問題也受到了廣泛關(guān)注。海上風(fēng)電機組相對于陸上來說故障率更高，如何降低成本，提高風(fēng)電場效益，成為了擺在風(fēng)電行業(yè)的現(xiàn)實問題。
1月23日，廣東省政協(xié)十二屆四次會議上，廣東省政協(xié)委員、珠海云洲智能科技股份有限公司董事長張云飛建議推動資產(chǎn)評估技術(shù)及標準體系建設(shè)，推動海上風(fēng)電運維產(chǎn)業(yè)數(shù)字化建設(shè)，建立海上風(fēng)電運維先進技術(shù)應(yīng)用試點。
資產(chǎn)風(fēng)險高與運維力量弱的矛盾突出
當前，我國海上風(fēng)電運維面臨兩個難題。首先是機組故障率高，維修工作量大。國內(nèi)嘗試建造的海上風(fēng)電項目，使用國產(chǎn)機組大多為陸上機組經(jīng)適應(yīng)海上環(huán)境改造而成，機組運行試驗周期短，沒有很好的試驗和論證，使用的風(fēng)機在復(fù)雜惡劣的海上環(huán)境，故障率居高不下。
其次，運維作業(yè)受潮汐影響明顯，既有臺風(fēng)等惡劣工況，還存在較多的大風(fēng)、團霧、雷雨天氣，又有大幅淺灘，潮間帶各潮汐影響明顯，通達困難，交通設(shè)備選擇困難，海上維護作業(yè)有效時間短，安全風(fēng)險大且缺乏大型維修裝備。
目前，海上風(fēng)電運維基本照搬陸上風(fēng)電經(jīng)驗，計劃檢修為主、故障檢修為輔的運維模式。暨運維人員根據(jù)廠家指定的定檢周期對風(fēng)機進行計劃性保養(yǎng)和測試和風(fēng)機報故障，運行調(diào)度人員通知運維人員前往現(xiàn)場處理相結(jié)合。
故障檢修是目前風(fēng)電運維最常做的事情，但是在海上，交通因天氣海況，存在極大的不確定因素，往往因為一個空開斷開，導(dǎo)致風(fēng)機停機幾天的情況常常發(fā)生，且單臺風(fēng)機報故障，運維人員來回交通成本巨大，對風(fēng)電場的效益產(chǎn)生極大的影響。
近年來，廣東省重視海上風(fēng)電發(fā)展，目前省內(nèi)在運海上風(fēng)電裝機18萬千瓦。根據(jù)《廣東省海上風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃（2017—2030年）（修編）》，預(yù)計到2030年底，廣東建成投產(chǎn)海上風(fēng)電裝機容量將達到3000萬千瓦。
廣東省海上風(fēng)電業(yè)飛速發(fā)展，但海上風(fēng)電場的資產(chǎn)管理風(fēng)險高，運維需求突出。張云飛認為，相關(guān)運維標準、技術(shù)、實體發(fā)展相對滯后，難以滿足裝機增量市場需求。
“海上風(fēng)電場存在資產(chǎn)風(fēng)險高與運維力量弱的矛盾突出、資產(chǎn)評估技術(shù)及標準體系尚未建立、缺乏對海洋環(huán)境影響的持續(xù)監(jiān)測、運維數(shù)字化管理水平較低等問題。”張云飛稱。
張云飛建議，推動資產(chǎn)評估技術(shù)及標準體系建設(shè)，推動海上風(fēng)電運維產(chǎn)業(yè)數(shù)字化建設(shè)，建立海上風(fēng)電運維先進技術(shù)應(yīng)用試點。
其中，在推動海上風(fēng)電運維產(chǎn)業(yè)數(shù)字化建設(shè)方面，張云飛建議依據(jù)《廣東省加快發(fā)展海洋六大產(chǎn)業(yè)行動方案(2019-2021年)》，推動建設(shè)廣東海上風(fēng)電大數(shù)據(jù)中心。其次，組建海上風(fēng)電運維專家組，制定統(tǒng)一的裝備標準、運維數(shù)據(jù)類型與接口；再次，研究制定法律法規(guī)，要求本省海上風(fēng)電項目運維數(shù)據(jù)逐步接入大數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)運維數(shù)據(jù)統(tǒng)一監(jiān)管；最后，大量積累海上風(fēng)電運維數(shù)據(jù)，設(shè)立專項研究，加速海上風(fēng)電運維數(shù)字化技術(shù)迭代。
“建議相關(guān)政府部門研究出臺相關(guān)扶持政策，支持重大創(chuàng)新項目，鼓勵風(fēng)電場業(yè)主單位、施工單位、風(fēng)電運維企業(yè)、科研院所聯(lián)合進行核心技術(shù)研發(fā)，開展基于無人裝備的海上風(fēng)電水上水下檢測技術(shù)研發(fā)及試驗，推動關(guān)鍵技術(shù)取得突破?！睆堅骑w建議，建立海洋風(fēng)電運維先進技術(shù)應(yīng)用試點，鼓勵采用先進技術(shù)進行水上水下檢測應(yīng)用示范，打造應(yīng)用示范項目，在全國形成示范效應(yīng)。
機器人充當主力軍？
針對海上風(fēng)電的苛刻運維環(huán)境，各國都把目光轉(zhuǎn)向了機器人、無人機，以代替人工開展海上風(fēng)電機組的維護，有望在降低人員安全和運維風(fēng)險的同時，通過數(shù)據(jù)采集和遠程監(jiān)控實現(xiàn)海上風(fēng)電數(shù)字化和智能化運維。例如，江蘇風(fēng)洋風(fēng)電技術(shù)工程有限公司研發(fā)的風(fēng)電塔筒維護機器人，可全方位對風(fēng)機塔筒外壁進行清洗、除銹、涂裝等作業(yè)施工；歐洲建立的首個海上風(fēng)電運維機器人測試中心，可驗證機器人在極端天氣條件下，進行海上風(fēng)力基礎(chǔ)設(shè)施維護評估等解決方案。
去年，專門為維護和檢查海上風(fēng)機葉片而設(shè)計的、一種六足履帶式爬行機器人，已在英國布萊斯國家可再生能源中心進行了試驗，并成功通過了渦輪機行走測試。該機器人名為BladeBUG，利用真空粘合技術(shù)，可保持自身穩(wěn)定性和靈巧性，使步態(tài)適應(yīng)各種葉片曲面。
同時，此次試驗還驗證了“輔助系繩”的作用，它可以延長機器人在海上作業(yè)時間，并能快速地在葉片上布置和回收。據(jù)稱，BladeBUG及一系列智能機器人替代人工開展海上風(fēng)電維護，有望成為未來海上風(fēng)機葉片維護的“生力軍”。
與BladeBUG機器人研發(fā)目的一樣，2019年美國桑迪亞國家實驗室的研究人員曾測試了一種檢測風(fēng)電機組葉片損害的爬行機器人。他們表示，這種能夠爬上風(fēng)電機組塔架，并在葉片上爬行的自助式機器人設(shè)備比人工維護更安全、更仔細。同時，這種機器人還可以攜帶檢測工具，如相機、傳感器、人工智能設(shè)備等。
在某一研究項目中，桑迪亞國家實驗室為爬行機器人配備了掃描儀，該掃描儀可以搜索風(fēng)電機組葉片內(nèi)的潛在損壞。通過研究該機器人對一只損壞葉片進行測試檢查的現(xiàn)場視頻，研究人員發(fā)現(xiàn)，這一新的檢測方法可以很快地發(fā)現(xiàn)葉片損壞，并最大程度地降低損失或維修成本。
據(jù)介紹，在視覺檢查中，往往只能看到表面損傷。但是當看到葉片外側(cè)裂縫時，損壞就已非常嚴重了，這就需要馬上進行一些非常昂貴的維修，或者甚至可能需要更換葉片。他們認為，例行檢查對于保持風(fēng)電機組的可利用率，以及發(fā)電量提升都至關(guān)重要。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，在一個典型的風(fēng)電項目全生命周期內(nèi)，一個先進的機器人系統(tǒng)預(yù)計可為其節(jié)省約3300萬美元的運維費用。
目前，BladeBUG機器人已經(jīng)加入了 MIMRee（一個極端環(huán)境下檢查、維護和修理平臺）項目。該項目由歐洲開發(fā)商聯(lián)合英國海上可再生能源孵化中心推出，以無人船為載體，利用無人機、機器人等多種智能化設(shè)備對海上風(fēng)機葉片表面進行檢查、測試和修理。
據(jù)了解，MIMRee項目匯集了機器人技術(shù)、無損檢測、人工智能、空間任務(wù)規(guī)劃、海洋和航空工程以及納米生物技術(shù)等領(lǐng)域的專業(yè)知識，八個領(lǐng)域的合作伙伴將以各領(lǐng)域的創(chuàng)新研究為基礎(chǔ)，其最終目的是開發(fā)一個整體的數(shù)字和機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通信和共享數(shù)據(jù)，并在復(fù)雜的維護任務(wù)中協(xié)同工作。
據(jù)悉，目前MIMRee研究人員正在使用船只到項目現(xiàn)場進行初步掃描，然后利用無人機對葉片進行視覺成像檢查，再將爬行機器人運送到葉片進行維修。這些機器人還可以使用電子皮來“感知”或“感覺”葉片表面的狀態(tài)并采集數(shù)據(jù)。
讓“算力”成為“生產(chǎn)力”
去年10月12日，國家電投江蘇濱海南H3海上風(fēng)電項目首臺風(fēng)機順利并網(wǎng)，這標志著國內(nèi)首個數(shù)字化、智慧化海上風(fēng)力發(fā)電場已進入投運階段。
在海上風(fēng)電面臨去補貼的關(guān)鍵節(jié)點，H3海上風(fēng)電項目的實踐讓業(yè)內(nèi)眺望到數(shù)字化風(fēng)電的未來，也看到了數(shù)字化技術(shù)驅(qū)動行業(yè)降本的希望。
濱海南H3海上風(fēng)電場位于江蘇省鹽城市濱?？h近海海域，離岸距離36公里，平均水深約18米，布置75臺單機容量4.0MW的風(fēng)機，總裝機容量300兆瓦，配套建設(shè)一座220千伏海上升壓站、兩回220千伏海纜送出線路和一座陸上集控中心。該項目建成投產(chǎn)后，將與已建成運營的濱海北H1#100兆瓦、濱海北H2#400兆瓦兩個海上風(fēng)電場共同構(gòu)成亞洲規(guī)模最大的海上風(fēng)電集群“國家電投鹽城陣列”。
據(jù)濱海南H3項目數(shù)字化智能化實施單位江蘇未來智慧信息科技限公司常務(wù)副總經(jīng)理宮照海介紹，在國電投江蘇濱海南H3#海上風(fēng)電項目中，未來智慧與浪潮合作，利用云計算及大數(shù)據(jù)技術(shù)，共同打造了云邊協(xié)同的智慧風(fēng)電設(shè)備監(jiān)測平臺。依托這一平臺，實現(xiàn)了風(fēng)電場設(shè)備統(tǒng)一運行監(jiān)控、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理的全生命周期智慧化管理；實現(xiàn)了無人值守下數(shù)據(jù)實時采集，實時動態(tài)了解設(shè)備運行狀況；最終達成了在線監(jiān)控海上風(fēng)電主要設(shè)備，保障安全、優(yōu)化運行維護策略，降低運營成本的“智慧風(fēng)電場”目標。
數(shù)據(jù)采集和分析處理是實現(xiàn)海上風(fēng)電智能化運維的基礎(chǔ)。
據(jù)介紹，在濱海南H3項目中，完成了升壓站、風(fēng)機監(jiān)控兩個部分的邊緣計算節(jié)點的部署，升壓站邊緣計算節(jié)點實現(xiàn)升壓站數(shù)據(jù)采集與計算、機器人協(xié)同；風(fēng)機監(jiān)控邊緣計算節(jié)點實現(xiàn)對于風(fēng)機狀態(tài)監(jiān)控采集、計算以及風(fēng)機整體數(shù)據(jù)的采集與計算等功能。
“發(fā)電設(shè)備的態(tài)勢感知傳感器接入浪潮超融合InCloud Rail，在邊緣側(cè)進行葉片轉(zhuǎn)速、高性能傾角、潤滑油狀態(tài)監(jiān)測、振動狀態(tài)感知等數(shù)據(jù)分析，有效信息傳至云中心，通過云邊協(xié)同大幅降低建設(shè)運維成本?！崩顺痹朴嬎闩c大數(shù)據(jù)產(chǎn)品線首席架構(gòu)師趙志祥解釋稱。
近年來，海上風(fēng)電運維也在應(yīng)用信息化技術(shù)，比如通過風(fēng)機SCADA監(jiān)控系統(tǒng)傳遞機組運行情況，但距離真正的狀態(tài)感知還相去甚遠。
據(jù)介紹，傳統(tǒng)SCADA系統(tǒng)里缺少豐富的傳感器，無法對螺栓、腐蝕、葉片振動、塔底傾斜等工況實時感知。并且，SCADA系統(tǒng)只是采集了一部分數(shù)據(jù)，并不具備預(yù)警和數(shù)據(jù)分析能力。
在去補貼和降本的壓力下，海上風(fēng)電必須盡快實現(xiàn)從從被動式運維到主動預(yù)防式運維的轉(zhuǎn)變。這需要風(fēng)電運維與大數(shù)據(jù)、云計算、邊緣計算、機器學(xué)習(xí)等新技術(shù)更深度地融合。
在趙志祥看來，海上風(fēng)機復(fù)雜的應(yīng)用場景，對硬件平臺和軟件平臺都是巨大考驗。對數(shù)據(jù)傳送的及時性、應(yīng)用的承載能力和大數(shù)據(jù)的融合能力提出了更高要求。這要求邊緣站點提供超融合的云數(shù)智能力。
“在濱海南H3項目中，依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，在傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)基礎(chǔ)之上增加了五類傳感器和邊緣計算的節(jié)點，實現(xiàn)了從感知到邊緣計算，相當于在海上升壓站建設(shè)了一個邊緣計算的中心。同時，在陸上升壓站建設(shè)一個云平臺，實現(xiàn)了云邊協(xié)同。”宮照海說，“以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了近30類故障預(yù)警模型，可以提前預(yù)警故障，為實現(xiàn)預(yù)防式運維奠定了基礎(chǔ)，有利于提高風(fēng)場的可利用率，切實降低風(fēng)電全生命周期的度電成本?！?/p>
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