2021海上風(fēng)電機組可靠性、可利用率及維護

海上風(fēng)電機組可靠性、可利用率及維護符號含義A對于風(fēng)力發(fā)電機，該符號指代高湍流特性B對于風(fēng)力發(fā)電機，該符號指代中等湍流特性C對于風(fēng)力發(fā)電機，該符號指代低湍流特性AA可利用率，A=BF/（BF+R）（t）各類子部件可利用率的時間函數(shù)Acc加速壽命試驗中的加速因子AEP年發(fā)電量（單位：h）C容量系數(shù)（%）CoE能耗成本（單位：英鎊/h）F（t）故障強度（可由PLP或威布爾分布方程表示）F或F-1正向/反向快速傅里葉變換FCR年固定費用率（%）ηH效率s海面波浪高度ICC初始資金成本（單位：英鎊）I傳動系統(tǒng)慣性（單位：kg·m2）II湍流強度，定義詳見IEC61400第1部分，計算公式為σ/uIchar湍流特u，定5詳/sEC61400第1部分fref當(dāng)風(fēng)速 re為 時的預(yù)期湍流值ku能量平衡公式中的常數(shù)n當(dāng)風(fēng)速u為n（單位：m/s）時的湍流相關(guān)系數(shù)λ（t）子部件、機器的瞬時危險率函數(shù)（單位：故障/子部件/年）λ隨時間變化的子部件、機器的故障率（單位：故障/子部件/年）N轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（單位：r/n）n年數(shù)PPt功率（單位：W）de故障檢測概率p極對數(shù)Q熱流動量（單位：W/m2）RR電阻（單位：Ω）（t）r各子部件可靠性或存活率函數(shù)的時間函數(shù)（單位：故障/機器/年）貼現(xiàn)率（%）2S具體發(fā)電量（單位：MWh/m/年）σ風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)方差T轉(zhuǎn)矩（單位：N·m）T溫度（單位：℃）ΔT溫升（單位：℃）T波浪時長（單位：s）u風(fēng)速（單位：m/s、e①/h、kn②）θVf子部件的故障間隔時間，計算公式為θ=1/λ（單位：h）re位于風(fēng)力發(fā)電機輪轂高度處的平均風(fēng)速（單位：m/s）V方均根電壓（單位：V）W風(fēng)力發(fā)電機傳動系統(tǒng)做功量ω角頻率（單位：d/s）①1e=1609.344m。②1kn=1ne/h=1.852km/h?？s略語英文全稱中文解釋AEPnnudnypdun年發(fā)電量Psnnewrs創(chuàng)新能源公司ALTdeng加速壽命測試AMtnnt資產(chǎn)管理AMSAAylSsnsy軍用材料系統(tǒng)分析活動BGBuhsdubydndunnr無刷雙饋異步發(fā)電機BMSBdenngSm葉片監(jiān)控系統(tǒng)BOPBnefnt工廠平衡CAPEXCplpndue資本支出CBMCndn-bdnnne基于狀態(tài)的維護CMSCndnnngSm狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)CoECtfny發(fā)電成本DCSbudCnlSm分布式控制系統(tǒng)DDPMGtettsr直驅(qū)永磁同步發(fā)電機DDTlehny（P）數(shù)字驅(qū)動技術(shù)（P）DDWRSGEDirectdrivewoundrotorsynchronousgeneratorandexciter直驅(qū)繞線轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機和勵磁機DEendfnrrbx發(fā)電機或齒輪箱的驅(qū)動端Gubydndunnr雙饋異步發(fā)電機EAWEEupndyfndEny歐洲風(fēng)能學(xué)會EFCEnyhrnl緊急順槳控制EIEcwrhnue，SA美國電力研究院EWEAEupnndEnyn歐洲風(fēng)能協(xié)會FBGbeBgng光纖光柵FCRdhee，ntenbwdny固定收費率（即借款利率）FFTturnm快速傅里葉變換FMdnnne現(xiàn)場維修Ⅷ海上風(fēng)電機組可靠性、可利用率及維護Ⅷ（續(xù)）縮略語英文全稱中文解釋FMEAuedsndEsns故障模式及效果分析FMECAueds，EsndCyns故障模式、效果及危險性分析FSVdupptl現(xiàn)場支援船HAWTnlswndubne水平軸風(fēng)力發(fā)電機HMhnng健康監(jiān)測HPPnusnps齊次泊松過程HSSbxhh-pdht齒輪箱高速軸HVhe高壓ICSndCnlSm綜合控制系統(tǒng)IECnnnlEhnlCn國際電工委員會IEEEnuefElndEncEnns美國電氣與電子工程師學(xué)會IETnfgdy（r）英國工程技術(shù)學(xué)會（前國際電氣工程師學(xué)會）Mnnnnt信息管理Sbxndeht齒輪箱中間軸IPIntellectualproperty知識產(chǎn)權(quán)LCCeeng壽命周期成本LSSbxw-pdht齒輪箱低速軸LVLowvoltage低壓LWKrg-nery德國ndwhkr石勒蘇益格-荷爾斯泰因數(shù)據(jù)庫MCAnendCudny海洋海岸警衛(wèi)隊L-KSbyyndbk美國軍方可靠性手冊MMnnnennt維修管理MTBFnebwnus平均故障間隔時間MTTRneopr平均維修時間MVdume中壓NDENon-driveendofgeneratororgearbox發(fā)電機或齒輪箱的非驅(qū)動端NHPPlhnusnps正態(tài)齊次泊松過程NPRDn-ncsbya非電類可靠性數(shù)據(jù)O&Mpnsndnnne運行與維護OEMnlqupntnuur原始設(shè)備生產(chǎn)商OFGEMefsndEyks天然氣與電力市場辦公室Ⅸ縮略語表Ⅸ（續(xù)）縮略語英文全稱中文解釋OFTOhenpr海上輸電運營商OMpnsnnt運行管理OPEXpnlpne運行成本OREDAhebya海上運行可靠性數(shù)據(jù)OWThewndubne海上風(fēng)力發(fā)電機PLCbecnr可編程序控制器PLPwrwps冪律過程PMG1Gnntntnhnusnrwh1-stagegearbox含一級齒輪箱的永磁同步發(fā)電機PMSGnntntnhnusnr永磁同步發(fā)電機PSDPowerspectraldensity功率譜密度RBDbybkdm可靠性框圖RMPbydngndpdn可靠性建模與預(yù)測RNArneby轉(zhuǎn)子艙裝配RPNkyubr風(fēng)險優(yōu)先數(shù)SCGSquirrelcageinductiongenerator籠型異步發(fā)電機TBFebwnus故障間隔時間TTFeoue失效時間TTTlent總測試時長VAWTlswndubne垂直軸風(fēng)力發(fā)電機WFndm風(fēng)電場WMEPns-d-menhhns-undEuunp-m數(shù)據(jù)庫Gundrndunnr繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機Eundrndunnrndr繞線轉(zhuǎn)子異步發(fā)電機和勵磁機WRSGEundrnhnusnrndr繞線轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機和勵磁機WSDndsdberny德國風(fēng)電數(shù)據(jù)庫WSDKndsdbernk丹麥風(fēng)電數(shù)據(jù)庫WTndubne風(fēng)力發(fā)電機WTCMTRndubnendnnngtg風(fēng)力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)控測試臺譯者序原書前言致謝術(shù)語表縮略語表第1章 海上風(fēng)電發(fā)展概述 1.1風(fēng)電的發(fā).2大型風(fēng)電

……………1……………4.3首批海上風(fēng)電建設(shè) 54北歐海上風(fēng)電 6..1概述 6.2波羅的..3英國海

…………8…………8.5世界其他地方的海上風(fēng)電 10..1美..2亞

……………10……………106海上風(fēng)電技術(shù)與經(jīng)濟 11.1專業(yè)術(shù)..2安裝成..3發(fā)電成..4運維成

…………11…………13…………13…………15..5可靠性、可利用率以及維護對發(fā)電成本的影響 16..6歷史工作 167任務(wù)分工..1概述.2管理..3投資

……………17……………17…………17…………17..4認(rèn)證機構(gòu)與擔(dān)保人 17..5開發(fā)商 18..6原始設(shè)備生產(chǎn)商 18..7運營商與資產(chǎn)經(jīng)理 18..8維護公司 18Ⅺ目 錄Ⅺ.8小結(jié) 199參考文獻 20第2章 海上風(fēng)電機組相關(guān)的可靠性理論 21.1引言 212基本定義 21.3隨機變量及連續(xù)變量 22.4可靠性理論 23..1可靠性函數(shù) 23..2可靠性函數(shù)計算示例 24..3故障率不變時的可靠性分析 25..4點過程 26..5非齊次泊松過程 27..6冪律過程 28..7測試總時長 28.5可靠性框..1綜述

…………30……………30..2串聯(lián)系..3并聯(lián)系

…………30…………30.6小結(jié) 317參考文獻 31第3章 實際風(fēng)電機組的可靠性 32.1引言 322典型風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)及主要部件 33.3可靠性數(shù)據(jù)采集 33.4風(fēng)電機組分類 34.5故障定位、故障模式、根本原因及故障原理 34.6可靠性實際數(shù)據(jù) 35.7數(shù)據(jù)對比分析 36.8已知可靠性相關(guān)內(nèi)容 38.9已知故障模式 3910故障模式與根本原因間的聯(lián)系 40.1小結(jié) 41.2參考文獻 42第4章 風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)對可靠性的影響 431現(xiàn)代風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu).2風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)的分

…………………43…………………45..1概述 45..2不同概念與結(jié)構(gòu) 45Ⅻ海上風(fēng)電機組可靠性、可利用率及維護Ⅻ..3各種子部件 46..4運行經(jīng)驗 47..5子部件的工業(yè)可靠性數(shù).3恒定故障率下的可靠性分析

………47…………48.4不同風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)的分析 49..1不同風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)的比較 49..2子部件的可靠性 51...1概述 51...2發(fā)電...3齒輪...4變流

………………………51………………………54………………………54.5現(xiàn)有不同風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)的評估 57.6各種新型風(fēng)電機組結(jié)構(gòu) 58.7小結(jié) 608參考文獻 61第第5章 針對提高可利用率的風(fēng)電機組設(shè)計與測試 62.1引言 ………………….2提高可靠性的方法……………………..1可靠性結(jié)果與未來的風(fēng)電機組 …………………626262..2設(shè)計 ……………63..3測試 ……………64..4監(jiān)測與運維……………………….3設(shè)計技術(shù) ……………..1風(fēng)電機組設(shè)計概念………………..2風(fēng)電場設(shè)計與配置………………64646465..3檢查設(shè)計法………………………..4故障模式與效應(yīng)分析以及故障模式-效應(yīng)-危險度分析 ………..5集成設(shè)計技術(shù)…………………….4測試技術(shù) ……………..1引言 ……………6667727373..2加速壽命測試……………………..3子部件測試………………………7474..4原型機與驅(qū)動系統(tǒng)測試 …………..5海上環(huán)境測試……………………7576..6產(chǎn)品測試…………76..7試運行 ………….5從高可靠性到高可利用率……………..1可靠性與可利用率的關(guān)系 ………..2海上環(huán)境…………78797979..3故障的發(fā)現(xiàn)與解釋………………79〓目 錄〓.4預(yù)防維修與改善維修 80..5全壽命資產(chǎn)管理 80.6小結(jié) 80第6章 可靠第6章 可靠性對海上風(fēng)電機組可利用率的影響 831歐洲早期海上風(fēng)電場的經(jīng)驗 83..1丹麥sv1期風(fēng)電場 83..2英國第一階段建設(shè)的海上風(fēng)電場 84..3荷蘭dne風(fēng)電場 86.2海上風(fēng)電場運行的經(jīng)驗 87..1概..2環(huán)

……………87……………88..3海上風(fēng)電場的可達性 89..4海上低壓、中壓與高壓電網(wǎng) 91...1變電站 91...2集線電...3輸出電

……………………91……………………91..5其他的英國第一階段風(fēng)電場 91..6試運行 92..7運維的規(guī)劃 92.3小結(jié) 934參考文獻 93第7章 風(fēng)電機組狀態(tài)監(jiān)測 94.1概述 942數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（A）系統(tǒng) 95..1為什么采用A系統(tǒng) 95..2信號與警報 95..3A系統(tǒng)的價值與成本 95.3狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng) 98..1為什么采用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù) 98..2各種狀態(tài)監(jiān)測技術(shù) 98...1振動 98...2油殘...3應(yīng)變...4電氣

………………………99………………………100………………………101..3狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的價值與成本 102.4A與狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的成功應(yīng)用 102..1概述 102..2A系統(tǒng)的成功應(yīng)用 103〓海上風(fēng)電機組可靠性、可利用率及維護〓..3狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的成功應(yīng)用 107.5數(shù)據(jù)集成 114..1多參數(shù)監(jiān)..2系統(tǒng)架構(gòu)

……………………114………………………115.3英國能源技術(shù)局項目 115.6小結(jié) 115.7參考文獻 115第8章 海上風(fēng)電機組的維護 1171人員與培訓(xùn) 117.2維護方法 118.3備件 118.4天氣因素 119.5運輸和物流 119..1遠距離海上運輸..2無準(zhǔn)入系統(tǒng)的船..3有準(zhǔn)入系統(tǒng)的船

………………119……………121……………122..4直升機 124..5固定式裝置 126..6移動自升式裝置 127..7小結(jié) 128.6海上風(fēng)電場維護數(shù)據(jù)管理 129..1數(shù)據(jù)來源與獲取 129..2海上風(fēng)電場信息管理系統(tǒng) 130...1架構(gòu)、數(shù)據(jù)流與風(fēng)電場 130...2健康監(jiān)...3資產(chǎn)管...4運行管...5維護管...6現(xiàn)場維...7信息管

…………………131…………………132…………………134…………………135…………………136…………………137..3完整的海上風(fēng)電場信息管理系統(tǒng) 1377小結(jié)：面向集成維護的策略 139.8參考文獻 139第9章 結(jié)論 140.1收集數(shù)據(jù) 1402運維方案的規(guī)劃：基于可靠性的維護與基于狀態(tài)的維護 142.3資產(chǎn)管理 142.4考慮可靠性與可利用率的風(fēng)電場設(shè)計 143.5海上風(fēng)力發(fā)電成本的預(yù)期 143〓目 錄〓.6認(rèn)證、安全與生產(chǎn) 143.7未來的展望 144.8參考文獻 144第10章 附錄1：風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展歷程 5第11章 附錄2：第11章 附錄2：風(fēng)電工業(yè)可靠性數(shù)據(jù)收集 7..1背景 157..2以前的方法 158.2風(fēng)電機組分類方法的標(biāo)準(zhǔn)化 158..1引言 158....

分類的指導(dǎo)原則分類體系的結(jié)構(gòu)

………………158………………160.3收集風(fēng)電機組可靠性數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化方法 161.4記錄停機事件的標(biāo)準(zhǔn)化方.5記錄故障事件的標(biāo)準(zhǔn)化方

………164………164......

………………………164………………………165………………………165.6風(fēng)電機組分類詳細(xì)列表 165.7風(fēng)電機組故障命名詳細(xì)列表 171.8參考文獻 173第12章 附錄3：WP運行人員報告表 4第13章 附錄4：商用風(fēng)電機組A系統(tǒng) 5.1引言 175.2A數(shù)據(jù) 1753商用SCADA數(shù)據(jù)分析工具 175.4小結(jié) 178第14章 附錄5：商用第14章 附錄5：商用風(fēng)電機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng) 0.1引言 1802風(fēng)電機組可靠性 180.3風(fēng)電機組監(jiān)測 181.4商用狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng) 183.5未來的風(fēng)電機組狀態(tài)監(jiān)測 191.6小結(jié) 192.7參考文獻 192〓海上風(fēng)電機組可靠性、可利用率及維護〓第第15章 附錄6：天氣對海上風(fēng)電可靠性的影響 4.1風(fēng)況..1、引天氣與大型風(fēng)電機組 ………言 …………194194..2風(fēng)速 …………194..3風(fēng)湍流…………197..4..5浪溫高與海況……………………度 …………198198..6.2分析..1濕天概度 …………氣影響的數(shù)學(xué)方法 …………述 …………199200200..2周期圖…………200..3交叉相關(guān)圖……………………200..4.3天氣..1相與風(fēng)關(guān)疑慮………………………故障率的關(guān)系………………速 …………201201201..2..3溫濕度 …………度 …………203203..4.4工..1..2.5參考風(fēng)價對對文湍流…………值與意義……………………風(fēng)電機組設(shè)計的意義 ………風(fēng)電機組運行的意義 ………獻 …………204205205205205海上風(fēng)電發(fā)展概述第1章海上風(fēng)電發(fā)展概述1.1.1 展 早在2000多年前，世界各地的人們已經(jīng)開始發(fā)展使用風(fēng)能的旋轉(zhuǎn)式機械裝置，尤其是在伊朗和中國 （具體可見第10章，附錄1）。然而，用于發(fā)電的風(fēng)力發(fā)電機 （T）的發(fā)展則開始于19世紀(jì)末期，歷史上著名的3臺風(fēng)力發(fā)電機為：1883年發(fā)明于美國的水平軸風(fēng)力發(fā)電機 （T），也被稱為uh風(fēng)力發(fā)電機；1887年發(fā)明于蘇格蘭的垂直軸風(fēng)力發(fā)電機 （T），也被稱為lth風(fēng)力發(fā)電機；1887年發(fā)明于丹麥的T，也被稱為laur風(fēng)力發(fā)電機。在20世紀(jì)30～40年代，發(fā)電功率在100kW～1MW之間的大型風(fēng)力發(fā)電機在德國、俄羅斯、美國發(fā)展并生產(chǎn)。然而，現(xiàn)代大型風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展則起源于歐洲、美國，隨著1973年埃及、敘利亞和以色列之間的第4次中東戰(zhàn)爭引起了油價上升，20世紀(jì)70～80年代的歐盟、美國能源部的實驗項目推動著風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展。關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展史，附錄1中的照片給出了具體的說明，過去80年中的重要大型風(fēng)力發(fā)電機項目則在表11中列出，這些風(fēng)力發(fā)電機的進化受到了可靠性、可利用率因素的深刻影響。風(fēng)力發(fā)電機設(shè)計的發(fā)展歷程中，選擇T還是T，雙葉片還是三葉片，逆風(fēng)還是順風(fēng)，齒輪驅(qū)動還是直接驅(qū)動，都對風(fēng)力發(fā)電機之后的發(fā)展造成了影響?？紤]到很多早期的陸上風(fēng)力發(fā)電機原型機的可靠性非常差，這樣的發(fā)展歷程值得我們注意。位于美國佛蒙特州的紐帽山（Grandpa’sKnob）、英國奧尼克郡（Orkney）和德國Growian的風(fēng)力發(fā)電機僅僅運行了幾百個小時，其輪轂和葉片部分便發(fā)生了災(zāi)難性的故障。然而，蓋瑟風(fēng)力發(fā)電機運行了11年，卻未曾進行過大修；這種成功的風(fēng)力發(fā)電機結(jié)構(gòu)以丹麥概念為基礎(chǔ)，這一理論也逐漸開始主導(dǎo)現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)展。始于這些微不足道的開端，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機迅速發(fā)展至如今的盛況。圖1.1展示了全球裝機容量。隨著德國、丹麥風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展，在1985年開始了對風(fēng)力發(fā)電機可靠性的記錄[1]，隨著1973年美國風(fēng)電場數(shù)量的增加，1987錄。各類報告對風(fēng)力發(fā)電機可靠性進行了總結(jié)并已發(fā)布，其中包括參考文獻[2，3]中提到的資料。20世紀(jì)90年的荷蘭[4]在考慮于北海的荷蘭海岸線上建立海上風(fēng)電場時，2海上風(fēng)電機組可靠性、可利用率及維護表1.11931～20112海上風(fēng)電機組可靠性、可利用率及維護年份地點類型功率/MW轉(zhuǎn)子直徑/m塔高/m葉片數(shù)驅(qū)動槳距轉(zhuǎn)速備注1931蘇聯(lián)，雅爾塔E-3D逆風(fēng)HAWT0.10303齒輪驅(qū)動可調(diào)整葉瓣各檔速度與6.3kV分布式系統(tǒng)連接，功率因數(shù)為32%，單柱風(fēng)車全結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，早期大型三葉片風(fēng)力發(fā)電機1941美國，佛蒙特州的紐帽山順風(fēng)HAWT1.2557402齒輪驅(qū)動槳距控制，失速調(diào)節(jié)固定速度與電網(wǎng)相連1951英國，奧克尼郡約翰·布朗工程逆風(fēng)HAWT0.10183齒輪驅(qū)動全跨度槳距調(diào)節(jié)固定速度與電網(wǎng)相連1956法國nt-e-i風(fēng)能研究順風(fēng)HAWT0.803齒輪驅(qū)動全跨度槳距調(diào)節(jié)固定速度與電網(wǎng)相連1956丹麥蓋瑟JohannesJuul逆風(fēng)HAWT0.20243齒輪驅(qū)動葉片上配有空氣動力翼尖制動器（超速時自動運行）固定速度即所謂的蓋瑟風(fēng)車，這便是丹麥三葉片風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計概念1979丹麥，尼伯逆風(fēng)HAWT0.633齒輪驅(qū)動固定槳距，失速調(diào)節(jié)固定速度丹麥概念1980丹麥，尼伯逆風(fēng)HAWT0.633齒輪驅(qū)動全跨度槳距調(diào)節(jié)固定速度1981美國MOD2波音順風(fēng)HAWT2.50912齒輪驅(qū)動全跨度槳距調(diào)節(jié)各檔速度1983德國大型風(fēng)電場（wn）順風(fēng)HAWT3.001002齒輪驅(qū)動全跨度槳距調(diào)節(jié)各檔速度通過全功率周波變流器與電網(wǎng)相連1985英國奧克尼郡LSI風(fēng)能組逆風(fēng)HAWT3.00602齒輪驅(qū)動可調(diào)整葉瓣間距調(diào)節(jié)各檔速度通過全功率變流器與電網(wǎng)相連2007德國庫克斯港EnerconE126逆風(fēng)HAWT7.581263直接驅(qū)動全跨度槳距調(diào)節(jié)各檔速度通過全功率變流器與電網(wǎng)相連3第1章海上風(fēng)電發(fā)展概述3風(fēng)力發(fā)電機維護時的交通便利對于風(fēng)力發(fā)電機的影響引起了人們的顧慮，風(fēng)力發(fā)電機的可靠性、維護工作以及獲取更高的風(fēng)力發(fā)電機可利用率的需求則引起了更廣泛的思考。以上這些問題可以降低風(fēng)電的成本，以此保證風(fēng)電能夠與低成本的化石燃料競爭。圖.16～0年全球年均風(fēng)電裝機容量增長對于發(fā)電量大于1MW，以丹麥概念為基礎(chǔ)的陸上風(fēng)力發(fā)電機，其運行可利用率已經(jīng)高于98%，平均故障間隔時間 （MF）大于7000h，若將故障定義為時長達24h的停機，則故障率稍稍超過1次/臺/年。圖1.2展示了這些早期的風(fēng)力發(fā)電機故障記錄結(jié)果。這些可靠性的改善過程將會在第2章中得到具體闡述。圖1.2來源于參考文獻[2]，其數(shù)據(jù)來自各類公開的資料，顯示了1987～2005年之間陸上風(fēng)力發(fā)電機可靠性的穩(wěn)步提升，并和其他與電網(wǎng)相連的分布式發(fā)電裝置進行比較。然而，風(fēng)力發(fā)電機的可靠性仍有待提高，其中海上風(fēng)力發(fā)電機的排列方案則對其可靠性有重要影響。圖.27～8年間陸上風(fēng)力發(fā)電機總故障率[2]4海上風(fēng)電機組可靠性、可利用率及維護41.1.2 場 從20世紀(jì)從20世紀(jì)80年代開始，隨著我們嘗試采用地理上某些范圍內(nèi)分散的風(fēng)電資源，大型風(fēng)電場中風(fēng)電機組的部署方案成為了現(xiàn)代風(fēng)電的要點之一。加利福尼亞州風(fēng)電場建于20世紀(jì)70、80年代 （見圖1.3），由大規(guī)模的小容量風(fēng)電機組組成，即100多臺低于大規(guī)模風(fēng)電場的優(yōu)勢之一在于電能資源是實質(zhì)的，可以合理地解釋與電網(wǎng)相連所花費的成本，而由于人員、工具與設(shè)備都安排在風(fēng)電場現(xiàn)場或附近，這會使維護工作的收益率更高。目前，無法分辨風(fēng)電機組增長的可靠性 （見圖1.2）是否與其在大型風(fēng)電場中的排列方案有關(guān)，不過排列方案很有可能是一個主要因素。對于大型的陸上風(fēng)電場，其主要的障礙在于視覺上的影響，這一點對于人口密集的國家而言格外重要，舉個例子，英國民眾在風(fēng)電場審批過程中將空間、舒適度和視覺上的影響看得非常重要?？偠灾?，當(dāng)大型風(fēng)電場在美國、西班牙以及德國北部得以修建時，英國的大型風(fēng)電場卻很少見，這是因為英國風(fēng)電場在規(guī)劃過程中不支持建立大型的集中式風(fēng)電場；英國的陸上風(fēng)電場通常僅有1～30臺風(fēng)電機組。不過，英的最大陸上風(fēng)電場由140臺23MW西門子水平軸風(fēng)電機組組成，該風(fēng)電國目前場位于在靠運近行格拉斯哥的hitle（見圖1.4），于2010年開始運行。圖.30世紀(jì)0年代早期加利福尼亞州大型風(fēng)電場（含超過100臺風(fēng)電機組）示意圖5第1章海上風(fēng)電發(fā)展概述5圖.4位于格拉斯哥附近的e處的英國最大風(fēng)電場（含0臺.3MW西門子水平軸風(fēng)電機組）現(xiàn)場圖1.1.3 設(shè) 第一座海上風(fēng)電場在1991年于丹麥indby建設(shè)完成，該風(fēng)電場由11臺風(fēng)電機組組成，部署于波羅的海海域Fyn島附近不受惡劣天氣侵襲的非感潮水域。在英國，由2臺風(fēng)電機組組成的小型海上風(fēng)電場于2001年在靠近thublnd的lth的北海海域建成，該水域有浪潮 （見圖1.5）。圖.5位于h的英國第一座海上風(fēng)電場（含2臺s6水平軸風(fēng)電機組）（來源：MCrd）6海上風(fēng)電機組可靠性、可利用率及維護6海上風(fēng)電場的安裝需要大量資金投入，這使得研發(fā)人員開始增加未來海上風(fēng)電場的規(guī)模。第一座大型海上風(fēng)電場在2000年建于丹麥哥本哈根附近的Middlundn，該風(fēng)電場含有20臺西門子S1.0/54風(fēng)電機組（見圖1.6）。圖.61～0年間北歐海上風(fēng)電場規(guī)模增長趨勢1.1.4 電 1.4.1 概述表12總結(jié)了北歐當(dāng)前運行和計劃建設(shè)中的海上風(fēng)電場，該表說明了隨著德國、荷蘭、瑞典風(fēng)電行業(yè)的進一步發(fā)展，丹麥、英國早期的小規(guī)模風(fēng)電場正在逐漸變大。表1.2中所列出的風(fēng)電場的累計發(fā)電量為5.3GW。圖1.6對表1.2進行了進一步的總結(jié)，顯示了北歐海上風(fēng)電場規(guī)模逐步擴大的趨勢。荷蘭的海上風(fēng)電項目研究結(jié)果則可以在參考文獻[5]中查看。表1.2在建歐洲海上風(fēng)電場名單（至2011年）風(fēng)電場名稱容量/MW國家風(fēng)力發(fā)電機數(shù)量制造商種類風(fēng)力發(fā)電機機額定功率/MW年份ndby4.95丹麥11西門子0.451991Bhhe4英國（第一批）2維斯塔斯V662.020007第1章海上風(fēng)電發(fā)展概述7（續(xù)）風(fēng)電場名稱容量/MW國家風(fēng)力發(fā)電機數(shù)量制造商種類風(fēng)力發(fā)電機機額定功率/MW年份ddundn40丹麥20西門子SWT-2.0-762.02000nsvⅠ160丹麥80維斯塔斯V802.02002Sams?23丹麥10西門子SWT-2.3-822.32002nnd9.2丹麥4西門子SWT-2.3-932.32002dnd/dⅠ166丹麥72西門子SWT-2.3-822.32003dkhn2.3丹麥1西門子SWT-2.3-822.32003he60英國（第一批）30維斯塔斯V802.02003ScrobeSands60英國（第一批）30維斯塔斯V802.02004nhs90英國（第一批）30維斯塔斯V903.02005Barrow90英國（第一批）30維斯塔斯V903.02006EgmondaanZee108荷蘭36維斯塔斯V903.02007und110瑞典48西門子SWT-2.3-932.32007BurboBank90英國（第一批）25西門子SWT-3.6-1073.62007Be10英國2wr5M5.02007nsa120荷蘭60維斯塔斯V802.02008wnd2.3挪威1西門子SWT-2.3-822.32009h1s90英國（第一批）25西門子SWT-3.6-1073.62009nsvⅡ209丹麥91西門子SWT-2.3-922.32009n&rg194英國（第一批）54西門子SWT-3.6-1073.62009phanus60德國12wr&a5M&M50005.02009untSnds173英國（第一批）48西門子SWT-3.6-1073.62010R?dsandⅡ207丹麥90西門子SWT-2.3-932.32010hnt300英國（第二批）100維斯塔斯V903.02010nyⅠ184英國（第二批）51西門子SWT-3.6-1073.62011bng180英國（第二批）60維斯塔斯V903.02010BcⅠ48丹麥21西門子SWT-2.3-932.32010h，d165比利時55維斯塔斯V903.02010rbbd504英國（第二批）140西門子SWT-3.6-1073.6ndny630英國（第二批）175西門子SWT-3.6-1203.6ShnhmShl317英國（第二批）88西門子SWT-3.6-1073.68海上風(fēng)電機組可靠性、可利用率及維護8（續(xù)）風(fēng)電場名稱容量/MW國家風(fēng)力發(fā)電機數(shù)量制造商種類風(fēng)力發(fā)電機機額定功率/MW年份nht400丹麥111西門子SWT-3.6-1203.6i2.3芬蘭1西門子SWT-3.6-1012.3nyⅡ183英國（第二批）51西門子SWT-3.6-1203.6Bkumt108丹麥30西門子SWT-3.6-1073.6BcⅡ288丹麥80西門子SWT-3.6-1203.6DanTysk288丹麥80西門子SWT-3.6-1203.6總計56751.4.2 波羅的海波羅的海沒有潮汐，但其風(fēng)況有結(jié)冰、波浪的潛在危險。波羅的海的第一座海上風(fēng)電場于2000年在丹麥哥本哈根附近的Middlundn建成，該風(fēng)電場含有20臺風(fēng)電機組（見圖1.7）。隨著Middlundn附近一系列海上風(fēng)電場的建設(shè)，如丹麥的td（72臺風(fēng)電機組）、瑞典的illund（48臺風(fēng)電機組，見圖1.8）和丹麥的dnd（90臺風(fēng)電機組）等的建設(shè)，波羅的海海域內(nèi)的海上風(fēng)電場發(fā)展得以迅速地加快。圖.7波羅的海海域第一座大型風(fēng)電場（位于哥本哈根附近的n含0臺西門子.0水平軸風(fēng)電機組）1.4.3 英國海域當(dāng)英國lth風(fēng)電場完成建設(shè)后，皇冠地產(chǎn)公司分三批完成了英國海上風(fēng)電場的許9第1章海上風(fēng)電發(fā)展概述9圖.8位于瑞典d的大型海上風(fēng)電場（含8臺風(fēng)電機組）可執(zhí)照的發(fā)放工作。第一批的許可證發(fā)放工作較為謹(jǐn)慎，為了讓開發(fā)人員、安裝人員和運行人員積累經(jīng)驗，采用的是由25臺或30臺風(fēng)電機組組成的風(fēng)電場模型。事實證明，這是一種成功的模型，該模型的益處可以從圖1.6看出。在丹麥，對于波羅的海環(huán)境較好的水域，許可證的發(fā)放速度更快，海上風(fēng)電場的規(guī)模也急速增大，如北海的nsRev風(fēng)電場 （含80臺風(fēng)電機組）。由于在海上風(fēng)電場的安裝過程中采用的風(fēng)電機組為陸上風(fēng)電機組，這使得nsv風(fēng)電場在第一年的運行中出現(xiàn)了運行問題，也引發(fā)了風(fēng)電機組原始設(shè)備生產(chǎn)商 （M）、風(fēng)電場開發(fā)商對于未來北海風(fēng)電方案的重要反思，降低了風(fēng)電場規(guī)模擴大的速度。在接下來的英國第二批許可證發(fā)放過程中，規(guī)劃的風(fēng)電場的規(guī)模增加到了50臺風(fēng)電機組以上，但規(guī)模的增長速度變緩。不過，即使使用了與nsv風(fēng)電場同樣類型的風(fēng)電機組，第一批中小型風(fēng)電場的早期運行是成功的，并未發(fā)生nsv風(fēng)電場的嚴(yán)重運行問題，這一成果激勵著開發(fā)商。故以2011年開始的Thanet風(fēng)電場 （含100臺風(fēng)電機組）為首的第二輪建設(shè)在快速進行。同時，荷蘭、比利時、丹麥的研發(fā)人員也同樣加快其北海海域的風(fēng)電場建設(shè)，如inslia風(fēng)電場（含60臺風(fēng)電機組）、lind風(fēng)電場 （含55臺風(fēng)電機組）以及nsv二期風(fēng)電場（含91臺風(fēng)電機組）。在英國，第三批許可證將會面向更大規(guī)模，如含500～600臺風(fēng)電機組的風(fēng)電場，不過此類風(fēng)電場仍在規(guī)劃階段。10海上風(fēng)電機組可靠性、可利用率及維護101.1.5 電 1.5.1 美國美國尚未建設(shè)海上風(fēng)電場，但正在進行大量的資源量測、開發(fā)工作，以對在東部沿海建設(shè)海上風(fēng)電場的可能性進行考察。1.5.2 亞洲中國海上風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展已經(jīng)開始，目前為止，中國已經(jīng)建造了三座小型海上風(fēng)電場，如表1.3所示。2007年，由一臺風(fēng)電機組組成的風(fēng)電場在渤海灣謹(jǐn)慎地投入運行；在如東，一座由16臺風(fēng)電機組組成的潮間風(fēng)電場也已開始運行。在上海東海大橋，一座規(guī)模更大的海上風(fēng)電場已經(jīng)開始了建設(shè)工作，圖19展示了其中一臺正在安裝中的3MW風(fēng)電機組。表1.3中國海上風(fēng)電場、潮間風(fēng)電場統(tǒng)計風(fēng)電場類型容量/MW省份風(fēng)電機組數(shù)量/臺原始設(shè)備生產(chǎn)商和類型年份北海海上風(fēng)電場，與海上石油平臺相連1.5遼寧1金風(fēng)1.5MW2007如東潮間風(fēng)電場，與電網(wǎng)相連30江蘇16各類生產(chǎn)商2009東海海上風(fēng)電場，與電網(wǎng)相連102上海34SinovelSL3000/902010圖.9在上海附近的東海安裝一臺華銳風(fēng)電公司生產(chǎn)的3MW風(fēng)電機組11第1章海上風(fēng)電發(fā)展概述111.1.6 濟 1.6.1專業(yè)術(shù)語風(fēng)電工作組開機組可利用率的定義需要被闡述清楚。從2007年起，國際電工委員會的一個始著手構(gòu)建IEC61400-Pt26標(biāo)準(zhǔn)，通過時間、能量輸出對風(fēng)電機組的可利用率進行定義。然而，直至標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，國際上仍未有從時間、能量角度對風(fēng)電機組可利用率進行的統(tǒng)一定義。不過，在英國已有兩種可利用率的定義被廣泛地采用[6]，總結(jié)如下：技術(shù)可利用率，也稱為系統(tǒng)可利用率，是指某臺風(fēng)電機組或某座風(fēng)電場可以發(fā)電的時長的百分比，通常用理論最大百分比表示。商業(yè)可利用率，也稱為風(fēng)力發(fā)電機可利用率，通常為風(fēng)電場與風(fēng)電機組原始設(shè)備生產(chǎn)商的商業(yè)合同中的關(guān)鍵條款，用于評估風(fēng)電場項目運行情況。部分商業(yè)合同的項目可能將必要停機時間、計劃維修時間、電網(wǎng)故障、極端天氣等導(dǎo)致的停運時間排除。對于本書其余部分，“可利用率”這一術(shù)語用于指代技術(shù)可行性，其具體定義如上文所示，將用于不同項目之間的比較。從以上的定義可知，技術(shù)可利用率必然低于商業(yè)可利用率，這是因為前者算入了更多的停機風(fēng)速u的時間。對于海上風(fēng)電場，一個非常重要的問題便是可利用率A同時受到時間t、影響，即A（u，t）[7]。對于可靠性，以下表達式非常有用：平均故障時間MTTF平均后勤維修時間MTTR（1.1）延遲時間LDT停機平均時長MTTR+LDT故障間隔時間MF≈MF （1.2）MF≈MF+MR=1+1 （1.3）λ μMF=MF+MR+T （1.4）故障率 λ=1 （1.5MTBF維修率 μ=1 （1.6MTTR商業(yè)可利用率 A=MF-MR=1-（λ） （1.7）MTBF μ技術(shù)可利用率 A=MF<1-（λ） （1.8MTBF μ12海上風(fēng)電機組可靠性、可利用率及維護12以上表達式中，時間為變量。而可利用率也可以通過產(chǎn)能表示，這對于運行人員來說更有用 （見圖1.10）。容量系數(shù)和比能率是兩種常用的術(shù)語，用來表達一臺風(fēng)電機組或一座風(fēng)電場的發(fā)電能力。容量系數(shù)C的定義為某一額定功率為P的風(fēng)電機組 （或風(fēng)電場）實際年均發(fā)電量E（Mh）占額定年均發(fā)電量P的百分比：P×C=P×100 % （1P×比能率S（MWh/m2/年）的定義為某臺風(fēng)電機組的AEP與其轉(zhuǎn)子掃過的區(qū)域面積的歸一值A(chǔ)（m2）的比值：AS=AEPA

（1.10）A額定功率P與轉(zhuǎn)子掃過區(qū)域A的比值由Rs表示，對于同一風(fēng)電機組類型，Rs值不變：A也可以表示為

Rs=PRs= S C×Rs=

（1.11）（1.12）對于某種特定的風(fēng)電機組，比能率與容量系數(shù)成正比：S=Rs×C×8760 （1.13）因此，對于某臺風(fēng)電機組或某座風(fēng)電場，其運行性能可以用實際的C或S的期望值的比例表達。圖.0由風(fēng)電機組性能、交通便利程度、維護策略決定的風(fēng)電機組可利用率函數(shù)[8]131.6.2 13

第1章海上風(fēng)電發(fā)展概述海上風(fēng)電場由大型風(fēng)電機組組成，這些大型的風(fēng)電機組的資本成本大概為120萬英鎊/MW，而陸上風(fēng)電機組的資本成本則為65萬英鎊/MW[6]。海上風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)龐大，對于35MW海上風(fēng)電機組，其輪轂需要安裝在高于海平面90m的位置；其轉(zhuǎn)子直徑的數(shù)量級則為100m。最初，風(fēng)電機組的框架將在淺水區(qū)（水深5～20m）進行組裝，每個框架的重量也會相對較輕，大約為400t，具體視額定功率而定。與典型的陸上石油、天然氣裝置不同的是，海上風(fēng)電機組對于地基的垂直外加負(fù)荷力矩與風(fēng)力、海浪產(chǎn)生的傾覆力矩相比較小。故海上風(fēng)電機組的地基成本可能最高占安裝成本的35%[6]。于是，海上風(fēng)電機組的單位資本成本偏大，并隨著風(fēng)電場安裝水域的水深的增加而增加。不過，和油氣行業(yè)一樣，一份海上風(fēng)電機組的設(shè)計方案可以通過批量生產(chǎn)應(yīng)用于一座或多座海上風(fēng)電場，而不是每一個結(jié)構(gòu)或地基都需要進行單獨設(shè)計。因此，海上風(fēng)電機組的資本成本將會隨著未來的后續(xù)風(fēng)電項目的開展而逐漸降低，這一點已在丹麥、瑞典、英國、德國以及荷蘭的海上風(fēng)電項目中得到體現(xiàn)。將中國東海大橋的海上風(fēng)電場與英國第一批風(fēng)電項目的資本成本進行比較，其結(jié)果如圖1.11所示。中國海上風(fēng)電場的資本成本為215萬英鎊/MW，高于英國125萬英鎊/MW。這是因為中國的海上風(fēng)電行業(yè)仍在起步階段，而英國已經(jīng)積累了一定的風(fēng)電發(fā)展經(jīng)驗。隨著風(fēng)電資產(chǎn)的增加，中國風(fēng)電成本將會逐漸降低。關(guān)于成本的更多具體信息，請見參考文獻[9]。1.6.3

圖.1中英海上風(fēng)電場資本成本對比發(fā)電成本 （E）通常用于評估不同風(fēng)電場的經(jīng)濟效益。該方法被用于國際能源署（A）、歐盟經(jīng)濟合作與發(fā)展組織 （D）與美國核能署 （A）的一份聯(lián)合報告14海上風(fēng)電機組可靠性、可利用率及維護14中[0]。該報告比較了不同電能生產(chǎn)方式的成本。美國所采用的一種風(fēng)電機組系統(tǒng)E（英鎊/Mh）的簡化計算公式如下：CoE=ICC+FCR

（1.14）式中，ICC為初始資本成本 （英鎊）；FCR為年均固定收費率 （%）；AEP為年均發(fā)量 （Mh）；M為年均運行維護成本 （英鎊）。該方法的計算結(jié)果與參考文獻 [11]中平準(zhǔn)化發(fā)電成本一致，F(xiàn)CR是以貼現(xiàn)率為變量的函數(shù)：FCR=1-

r（1+

n （1.15）式中，r不為零。貼現(xiàn)率r是通貨膨脹率與實際利率之和。若將通貨膨脹率忽略不計，貼現(xiàn)率等于利率。實際運行中，r通常不為零，若出現(xiàn)r0的特殊情況時，F(xiàn)CR則為ICC除以風(fēng)電場經(jīng)濟壽命的年數(shù)的值，通常年數(shù)n設(shè)為20年。參考文獻 [12]針對英國早期第一批發(fā)放許可的海上風(fēng)電場進行了E的初步估計。估計結(jié)果表明，該階段英國海上風(fēng)電場的CoE為陸上風(fēng)電場的1.5倍 （見1.12）。λ和μ的改善可能會使這些數(shù)據(jù)更加理想。英國對第一批海上風(fēng)電場E的資助大概為69英鎊/Mh，而陸上風(fēng)電場則為47英鎊/MWh。圖1.13將中英CoE進行了比較，其中中國上海的東海大橋風(fēng)電項目CoE為980元/Mh（即約91英鎊/Mh），安裝成本大約為23000元/Mh（即約2150鎊/kW）。同樣的，E將會隨著風(fēng)電行業(yè)的運行經(jīng)驗的積累而逐漸降低，運行管理成本會下降，資本投資的風(fēng)險也會減小。這些計算是基于發(fā)電成本補助得到的，近期的研究減去了這些福利，計算得到英國海上風(fēng)電場CoE大概為140英鎊/MWh。同理，該成本也會隨著經(jīng)驗的積累、資本成本的降低以及風(fēng)電機組壽命變長而降低，其中風(fēng)電場的運行維護方案對后者的影響甚大。早期的研究表明，當(dāng)運行人員采取高質(zhì)量的運行維護方案時，風(fēng)電場的可利用率將更高，全壽命周期成本與CoE將變低。CoE與風(fēng)電機組的設(shè)計、運行之間的關(guān)系在參考文獻 [13]中列出，如圖1.14所示。本書的重點部分則已在圖中標(biāo)出。圖.2英國、歐盟海上風(fēng)電場的E[2]15第1章海上風(fēng)電發(fā)展概述15圖.3中英海上風(fēng)電場E對比圖.4E組成結(jié)構(gòu)（灰色區(qū)域內(nèi)容為本書重點內(nèi)容）[3]1.6.4運維成本海出，海境愈發(fā)展示了上上適典風(fēng)電成本的估計值隨著風(fēng)電場的地點、具體項目而波動，不過162節(jié)風(fēng)電項目的成本遠遠超過陸上風(fēng)電項目[4]。隨著風(fēng)電場設(shè)計方案對海上運應(yīng)，良好的經(jīng)濟方案將會通過風(fēng)電場全壽命周期成本的控制而實現(xiàn)。圖型的淺水區(qū)風(fēng)電場系統(tǒng)全部成本的費用明細(xì)[4]。海上風(fēng)電場的大部分溢已指行環(huán)1.15價主要由風(fēng)電機組的地基、與電網(wǎng)的連接以及運維費用造成。海上風(fēng)電場的運維工作遠比陸上風(fēng)電場復(fù)雜。因此，歐洲的某些海上風(fēng)電場的運維成本占總成本的18%～23%，遠高于陸上風(fēng)電場12%的比重[8]。海上的運行環(huán)境使架設(shè)工作、試運行工作更加繁重；與此同時，海上風(fēng)電場日常養(yǎng)護、維修工作的交通問題也不可無視。在冬季，由于嚴(yán)酷的海況、風(fēng)況或較低的能見度，工作人員可能連續(xù)很多16海上風(fēng)電機組可靠性、可利用率及維護16圖.5淺水區(qū)海上風(fēng)電場成本組成天無法到達風(fēng)電場現(xiàn)場。即使天氣適宜，運維工作的成本也高于陸上風(fēng)電場，具體的成本受到離岸距離、風(fēng)電場位置、風(fēng)電場規(guī)模、