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(jī)時間，以及隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展與其他制造商進(jìn)行合作的可能性。
西門子歌美颯的SG 11.0-200 DD樣機(jī)（Østerild, 丹麥)
西門子歌美颯近期宣布，其直驅(qū)型海上風(fēng)電機(jī)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(jī)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(jī)，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(jī)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(jī)而言，提高風(fēng)機(jī)的可靠性對于減少停機(jī)時間和計劃外的維護(hù)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(hù)的專業(yè)快速響應(yīng)服務(wù)團(tuán)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(jī)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(jìn)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(jī)組，包括1200多臺直驅(qū)型風(fēng)機(jī)，以及2500多個齒輪型風(fēng)機(jī)。”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(jī)（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(jī)。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(jī)，最初的3 MW平臺 SWT-3.0-101。這種開創(chuàng)性的風(fēng)機(jī)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(jī)和支承轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)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(lán)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(kuò)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(jī)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(jī)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(jī)
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(jī)均需要不斷地進(jìn)行必要的改進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)快速達(dá)到95％的平均可利用率。這也是能夠提高所有新平臺機(jī)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(jī)。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(jī)的單轉(zhuǎn)子-發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)械上更為簡單的直驅(qū)型風(fēng)機(jī)（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(jī)。但是，拉斯姆森指出，西門子歌美颯的整個海上風(fēng)電機(jī)組（包括齒輪型風(fēng)機(jī)）也達(dá)到了97％以上的平均可利用率。
齒輪型風(fēng)機(jī)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(jī)
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(jìn)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(jī)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(jìn)步可為單個風(fēng)機(jī)、各代風(fēng)機(jī)以及跨平臺級別積累大量的運行數(shù)據(jù)，停機(jī)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(jī)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(jī)、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(jī)控制系統(tǒng)的工控機(jī)。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(jī)定子和由多個模塊組成的兩個變流器等風(fēng)機(jī)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(jī)定子或者變流器發(fā)生故障，風(fēng)機(jī)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(jìn)而減少收入損失。我們的分段型發(fā)電機(jī)設(shè)計甚至能允許發(fā)電機(jī)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(jìn)行計劃外的服務(wù)干預(yù)時，部署運維船或直升機(jī)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(jī)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(jìn)入風(fēng)機(jī)進(jìn)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(jī)，直升機(jī)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(jī)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(jī)組。拉斯姆森表示，“軸承-發(fā)電機(jī)組更換操作已經(jīng)優(yōu)化至可以在一天內(nèi)完成整機(jī)更換的程度，約等于安裝一個新的風(fēng)機(jī)機(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)裝機(jī)量的高速增長而不斷優(yōu)化。這意味著服務(wù)團(tuán)隊的進(jìn)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(jī)的部署。
拉斯姆森表示，無論范圍如何，快速抵達(dá)風(fēng)機(jī)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(jī)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(tuán)隊會是更加經(jīng)濟(jì)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。”
