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西門子歌美颯的海上風(fēng)機是如何實現(xiàn)97%可利用率

2021-05-13 來源:SiemensGamesa 瀏覽數(shù):671

西門子歌美颯的技術(shù)負(fù)責(zé)人在與Wind Power Monthly訪談時談到如何提高產(chǎn)品可靠性,減少停機時間,以及隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展與其他制造商進行合作的可能性。

  西門子歌美颯的技術(shù)負(fù)責(zé)人在與Wind Power Monthly訪談時談到如何提高產(chǎn)品可靠性,減少停機時間,以及隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展與其他制造商進行合作的可能性。
 
 
 
西門子歌美颯的SG 11.0-200 DD樣機(Østerild, 丹麥)
 
  西門子歌美颯近期宣布,其直驅(qū)型海上風(fēng)電機組在2020年的全球平均可利用率超過97%。可利用率定義為風(fēng)機可用于發(fā)電的時間量,高利用率意味著更高的年發(fā)電量,可為風(fēng)電場業(yè)主/運營商帶來更多的年度收入。
 
收入增長
 
  通過實例計算可知,歐洲北海一個風(fēng)電場(配備80臺11 MW風(fēng)機,風(fēng)力分布正常)在年發(fā)電量增加1%的情況下,年收入可增加140萬歐元。由于項目現(xiàn)場和風(fēng)機現(xiàn)場人員難以實施實時運維,尤其是在秋季和冬季,因此,對于海上風(fēng)機而言,提高風(fēng)機的可靠性對于減少停機時間和計劃外的維護工作顯得尤為重要。
 
  提高安裝可利用率的主要影響因素是技術(shù)的穩(wěn)健性和可靠性,以及負(fù)責(zé)長期資產(chǎn)維護的專業(yè)快速響應(yīng)服務(wù)團隊。
 
  西門子歌美颯技術(shù)負(fù)責(zé)人默滕·拉斯姆森(Morten Pilgaard Rasmussen)表示,西門子歌美颯當(dāng)前直驅(qū)型海上風(fēng)電機組的高利用率可以歸結(jié)為幾個主要因素的結(jié)合。
 
  他說:
 
  “這些影響因素包括我們自1991年開創(chuàng)Vindeby項目以來積累的豐富的海上風(fēng)電經(jīng)驗,系統(tǒng)化漸進式的產(chǎn)品開發(fā)策略,以及全球最大的可運行海上風(fēng)電機組,包括1200多臺直驅(qū)型風(fēng)機,以及2500多個齒輪型風(fēng)機。”拉斯姆森補充道,這些數(shù)字不包括西門子歌美颯的中國合作伙伴上海電氣生產(chǎn)的風(fēng)機(主要是齒輪型)。
 
 
  Vindeby(上圖)是全球首座海上風(fēng)電場,于1991年安裝在波羅的海,其配備了11臺半標(biāo)準(zhǔn)、失速調(diào)節(jié)的高速齒輪型Bonus 450 kW風(fēng)機。它成功運行了26年,于2017年退役并被拆除。
 
  2009年,西門子歌美颯開始設(shè)計開發(fā)直驅(qū)型海上風(fēng)機,最初的3 MW平臺 SWT-3.0-101。這種開創(chuàng)性的風(fēng)機概念將完全集成的傳動系統(tǒng)與前置的外轉(zhuǎn)子分段式永磁發(fā)電機和支承轉(zhuǎn)子和發(fā)電機的單雙列圓錐滾子軸承結(jié)合在一起,并成為所有后續(xù)型號的藍圖。
 
產(chǎn)品不斷演變
 
  兩年后,海上風(fēng)電專用的6 MW平臺 SWT-6.0-120 ( 第一代) 成為了下一個開發(fā)的主要產(chǎn)品。2012年,它演變?yōu)樯壈娴?SWT-6.0-154,該升級版將葉輪直徑擴大至154米。
 
  經(jīng)過幾代人的努力,該設(shè)計已演變?yōu)樽钚碌?1 MW平臺 SG 11.0-200 DD (第五代) , 現(xiàn)已獲得臨時型號認(rèn)證,并且正在加速生產(chǎn)。
 
  2019年1月發(fā)布的SG 10.0-193 DD 樣機和2019年11月發(fā)布的升級版 SG 11.0-193 DD擁有10-11MW的額定功率都處于樣機階段, 之前的公司合同均已升級為SG 11.0-200 DD。
 
 
丹麥Østerild測試風(fēng)場運輸B97葉片,安裝于SG 11MW樣機
 
  拉斯姆森繼續(xù)說道:
 
  “逐漸演變的產(chǎn)品開發(fā)策略的一個關(guān)鍵是,各代風(fēng)機均需要不斷地進行必要的改進和優(yōu)化,并將其延續(xù)到下一代平臺中,這種不斷發(fā)展的系統(tǒng)化方法和成熟的技術(shù)原理在實現(xiàn)當(dāng)前的高可靠性以及超過97%的海上風(fēng)電機組可利用率方面發(fā)揮了重要作用。這符合我們的座右銘,即‘除非人為干預(yù),風(fēng)機不應(yīng)停止運轉(zhuǎn)’。”
 
  這一策略使得西門子歌美颯最新的11 MW平臺 SG 11-200樣機快速達到95%的平均可利用率。這也是能夠提高所有新平臺機型量產(chǎn)的關(guān)鍵因素。
 
  即將面世的旗艦產(chǎn)品 SG 14-222 DD (第六代) 將采用類似的可利用率途徑,計劃于今年晚些時候安裝樣機。西門子歌美颯遵循一個簡單而又實用的原則:如果可行,那就廣泛應(yīng)用!
 
  因此,完全集成的傳動系統(tǒng)從早期開始就被證明是一種高度可靠的解決方案。盡管3 MW直驅(qū)型風(fēng)機的單轉(zhuǎn)子-發(fā)電機軸承存在一些早期問題,但在根本原因分析表明其與某個特定供應(yīng)商和質(zhì)量問題存在直接聯(lián)系之后,這些問題得以迅速解決。拉斯姆森解釋說,偶爾發(fā)生的轉(zhuǎn)子-發(fā)電機軸承故障無法避免,因為這些故障與任何滾子型元件都有著內(nèi)在聯(lián)系。
 
簡易化處理
 
  他認(rèn)為,機械上更為簡單的直驅(qū)型風(fēng)機(旋轉(zhuǎn)元件較少)優(yōu)于海上安裝的所有早期齒輪型風(fēng)機。但是,拉斯姆森指出,西門子歌美颯的整個海上風(fēng)電機組(包括齒輪型風(fēng)機)也達到了97%以上的平均可利用率。
 
  齒輪型風(fēng)機產(chǎn)品組合包括2 MW(1999年/2000年)和升級后的2.3 MW系列(2003年),已廣泛安裝的3.6 MW“海上風(fēng)電經(jīng)久耐用產(chǎn)品”(2004年,轉(zhuǎn)子尺寸于2009年有所增加)以及最終的4 MW 平臺SWT-4.0-130(于2012年推出)。
 
 
630 MW London Array風(fēng)電場包括175臺齒輪型SWT-3.6-120風(fēng)機
 
  他說道:
 
  “從一開始,我們的海上風(fēng)電產(chǎn)品的整體開發(fā)策略包括對所有主要組件進行嚴(yán)格測試。在資產(chǎn)運營階段,我們的重點是確定任何意外停機的根本原因,并算出必要補救措施的成本。如今,數(shù)字化技術(shù)的進步可為單個風(fēng)機、各代風(fēng)機以及跨平臺級別積累大量的運行數(shù)據(jù),停機的根本原因分析因此大大受益。”
 
  作為公司戰(zhàn)略的一部分,西門子歌美颯對可利用率的關(guān)注不僅僅局限于主要組件。在惡劣的天氣條件下無法接近風(fēng)機時,若所謂的小組件(如開關(guān)和印制板之類相當(dāng)便宜的小物件)發(fā)生故障,也會導(dǎo)致停機、發(fā)電小時數(shù)減少并因此導(dǎo)致收入損失。
 
  拉斯姆森說,一種可能的應(yīng)對策略是通過增加具有類似功能的組件來保證充足庫存,該組件可以立即接管相同的工作,但這并不是海上風(fēng)電的常用方法。
 
  他解釋說:“相反,我們選擇使用專門的程序來解決那些可導(dǎo)致大量故障的設(shè)計相關(guān)問題,通常發(fā)生在相對廉價的關(guān)鍵組件中。”
 
  “幸運的是,許多此類廉價和較昂貴的小型組件已經(jīng)具有很高的可靠性,例如廣泛用于風(fēng)機控制系統(tǒng)的工控機。西門子歌美颯從幾十年海上風(fēng)電經(jīng)驗中得到的一個普遍教訓(xùn)是:無論組件大小,要確保其設(shè)計始終符合最高的穩(wěn)健性和耐用性標(biāo)準(zhǔn)。”
 
模塊化設(shè)計的優(yōu)勢
 
  拉斯姆森表示:
 
  分段制造的發(fā)電機定子和由多個模塊組成的兩個變流器等風(fēng)機模塊化設(shè)計也有利于提高可利用率。這些模塊化設(shè)計意味著假如一個或多個發(fā)電機定子或者變流器發(fā)生故障,風(fēng)機也可在降低最大輸出功率的情況下繼續(xù)運行。
 
  “在情況允許以恢復(fù)完整的運營前,這將極大地降低產(chǎn)出損耗,進而減少收入損失。我們的分段型發(fā)電機設(shè)計甚至能允許發(fā)電機在單個或兩個相鄰模塊出現(xiàn)故障并造成不對稱負(fù)載的不利情況下繼續(xù)運行。”
 
  當(dāng)一個特定故障問題需要進行計劃外的服務(wù)干預(yù)時,部署運維船或直升機需要考慮多種因素,并要根據(jù)實際情況具體分析。確定船只可以靠近的天氣、修復(fù)或更換故障部件的所需時間、受影響的風(fēng)機數(shù)量、組件尺寸還有各種方案的成本預(yù)算都是需要考慮的關(guān)鍵因素。
 
 
  技術(shù)人員如何進入風(fēng)機進行維修和保養(yǎng)要根據(jù)實際情況具體分析,取決于天氣和自然條件等因素
 
  如果單個組件更換速度夠快,那么無論是一臺還是多臺風(fēng)機,直升機都是更換小型組件的最佳選擇。
 
  相比之下,大型組件的最大劣勢就是通常需要部署一艘自升船。無論發(fā)生故障的是發(fā)電機還是單個轉(zhuǎn)子軸承,都需要先拆除轉(zhuǎn)子,然后更換整個全集成機組。拉斯姆森表示,“軸承-發(fā)電機組更換操作已經(jīng)優(yōu)化至可以在一天內(nèi)完成整機更換的程度,約等于安裝一個新的風(fēng)機機艙加轉(zhuǎn)子的時間。”
 
  “事實證明,這是快速且具有成本效益的策略,有助于避免漫長且昂貴的海上補救作業(yè),并最大程度降低了發(fā)電小時數(shù)損失。此外,大部分海上作業(yè)的成本實際上都花費在大型船只的調(diào)動上,而不是作業(yè)所需的那幾個小時。”
 
事件捆綁處理

  拉斯姆森解釋道:
 
  “尤其是當(dāng)船只可以捆綁處理多個事件時更是如此,得益于內(nèi)部診斷能力,我們在需要更換的前幾個月就能夠發(fā)現(xiàn)潛在發(fā)展中的損壞。”
 
  在他看來,97%以上可利用率這一里程碑并不是終點,但隨著很多可行的方案已經(jīng)被實施并不斷優(yōu)化,進一步的增長將變得更加困難。
 
  未來,隨著單個風(fēng)場規(guī)模和項目數(shù)量的巨大增長,以及風(fēng)機尺寸的不斷增加,運維服務(wù)的組織結(jié)構(gòu)也必須隨著海上風(fēng)機裝機量的高速增長而不斷優(yōu)化。這意味著服務(wù)團隊的進一步規(guī)模化和專業(yè)化,并要重新思考如何在更大范圍內(nèi)優(yōu)化船只和直升機的部署。
 
  拉斯姆森表示,無論范圍如何,快速抵達風(fēng)機都是重中之重,即便在惡劣的天氣條件下也是如此,這樣才能最大程度地減少停機時間,確保優(yōu)越的性能以及高利用率。不久以后,全球主要市場和地理區(qū)域?qū)⒂懈嗖煌放坪皖愋偷娘L(fēng)電場投入運營。
 
  他總結(jié)道
 
  “未來,考慮到全球海上風(fēng)電的大規(guī)模增長以及隨之而來的變化,在不同的風(fēng)電場業(yè)主和不同平臺之間共用高價設(shè)備甚至服務(wù)團隊會是更加經(jīng)濟的選擇。這種思路可以為所有的相關(guān)方,即制造商、開發(fā)商、承包商和客戶創(chuàng)造共贏的局面。”

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