由UL組織發(fā)起建立了全球范圍內(nèi)風電機組關(guān)聯(lián)利益方參加關(guān)于風電機組延壽標準編制的工作組，其中包括金風、西門子、歌美颯、遠景等在內(nèi)的風電機組制造商以及中國質(zhì)量認證中心、丹麥技術(shù)大學(xué)、日本東京大學(xué)等機構(gòu)共40余家單位參加。ANSI /UL 4143標準今年2月已經(jīng)得到美國國家標準化委員會ANSI批準，成為全球首個國家級風電機組延壽標準。

      01 風電機組延壽的目的和意義

      風電機組設(shè)計壽命按照GB/T18451.1/IEC61400-1標準要求至少20年。目前有些機組已經(jīng)或接近設(shè)計壽命，需要確定其整機或主要部件壽命損耗及剩余可用壽命(RUL)。從過去幾年風電裝機容量高速增長來看，意味著可能在不久的將來，更多的風電機組最終將接近或達到其設(shè)計壽命的終結(jié)。

      機組的擁有者在風電機組運行后期時，由于設(shè)備較高的故障率，是否需要(提前)報廢拆除，還是評估、改造及升級、延長壽命后繼續(xù)運行將面臨艱難抉擇。因此需要進行機組延長壽命成本和效益的評估，并與新建更大單機容量機組的成本效益進行比較，特別是山區(qū)和海島等復(fù)雜地形，大型機組建設(shè)困難成本高的區(qū)域。

圖1：風電機組壽命周期

      1.1 風電場資產(chǎn)回報效益的提升

      一般一個風電場主要在4個方面影響風電場資產(chǎn)回報率即內(nèi)部收益率，即設(shè)備可用率、風電場發(fā)電效率、運維成本、機組壽命及延長。

      1.1.1 設(shè)備可用率

      風電場主設(shè)備即風電機組的可用率是影響風電場內(nèi)部收益率最主要的因素之一。通常要求機組單臺可用率達到95%以上才能達到風電場正常效益的需求。要達到這一目標需要分析機組大部件及小部件的故障率、風電場運行維護策略及水平、備品備件的供應(yīng)等因素。如果采用更高可靠性的機組和設(shè)備(高可靠性部件配置)或可靠性提升的技術(shù)改造，高水平的運行維護隊伍及充分及時的備件供應(yīng)，風電機組可用率可以提升3%或以上。

      1.1.2 風電場發(fā)電效率

      風電場的發(fā)電效率包括設(shè)備的風能轉(zhuǎn)換效率、電能轉(zhuǎn)換及傳輸效率、風電場的綜合廠用電率、發(fā)電量和上網(wǎng)電量等。有可能機組控制策略、風電機組機群控制策略、監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)的優(yōu)化控制、AGC/AVC系統(tǒng)控制都會影響風電場發(fā)電效率。風電機組故障如風向標故障、偏航錯誤等影響風能最佳轉(zhuǎn)換效率、葉片表面污染物附著引起空氣動力學(xué)性能下降導(dǎo)致風能轉(zhuǎn)換效率下降等。一些技術(shù)升級改進措施可以提升風電設(shè)備風能轉(zhuǎn)換效率，如葉片延長、渦流發(fā)生器等。上述因素有可能影響風電場的發(fā)電效率提升2%或以上。

      1.1.3 運維成本

      風電場運維成本與運維商業(yè)模式、運維策略、管理和技術(shù)的持續(xù)改進有關(guān)。目前一般風電場運維分為業(yè)主自主(包括業(yè)主設(shè)立的區(qū)域檢修公司)、主機廠設(shè)備質(zhì)保期運維、第三方運維或檢修等商業(yè)模式。運維策略包括定期及應(yīng)急、預(yù)防性等策略。運維成本受到機組本身質(zhì)量和維修成本及備件價格影響、運維人員數(shù)量和成本、運維質(zhì)量、運維隊伍管理和技術(shù)改進水平有關(guān)。上述不同的運維方式可能影響成本降低達到10%或以上。

      1.1.4 機組壽命延長

      風電機組結(jié)構(gòu)被設(shè)計成按設(shè)計標淮和規(guī)范，在通常風資源和運行工況下20年的疲勞壽命。一般實際風況如空氣密度、湍流強度與標準設(shè)計工況有所不同，可能設(shè)計是比較保守的。因此預(yù)計的風電機組經(jīng)20年運行之后，有可能結(jié)構(gòu)不會全部消耗殆盡，而是可能更長壽命，需要判斷其剩余壽命和價值。

      每種機組機型和技術(shù)在不同邊界條件下，有不同敏感度，因此確定每個部件的壽命如剩余有用壽命(RUL)和延長壽命，應(yīng)采用不同的方法進行評估。

      是否采取風電機組延長壽命策略，需要從技術(shù)、項目經(jīng)濟性及金融風險等多方面進行認真分析，確保風電業(yè)主投資回報的效益最大化。

      02 風電機組壽命評估

      2.1 風電機組壽命確定

      如上所述，運行多年的一臺風力發(fā)電機不是一個封閉的、孤立的元素，而是由多個部件與各自的壽命和各自的敏感度邊界組成。風電機組壽命僅僅是當維護投資不會有經(jīng)濟回報時，由是否進行財務(wù)方面的終止而決定。

      風電機組壽命評估應(yīng)通過重新計算分析，這種方法需計算風電機組剩余使用壽命后，建立實際損害的模型。考慮到特定場地邊界條件，如風況載荷，新的或額外的計算風電機組，包括風電機組原設(shè)計計算評估復(fù)核或重新掃描(3D)或測量建模，以疲勞極限和載荷來驗證風電機組結(jié)構(gòu)完整性。這種方法將給出剩余使用壽命專家級的判定結(jié)果。

      在實踐中需要現(xiàn)場實際檢查。目的是評估風電機組是否適合繼續(xù)運行。它覆蓋了機械設(shè)備的檢查，包括傳動力系和齒輪箱、風輪葉片、安全系統(tǒng)、塔筒和基礎(chǔ)。通過檢查的結(jié)果來判斷整個風電機組的狀態(tài)。

      圖2：上圖為產(chǎn)品生命周期所謂“浴盆曲線”，下圖為產(chǎn)品失效過程曲線示意圖，來源：DEWI、VDE

      2.2 風電機組壽命損耗和剩余壽命評估

      風電機組壽命損耗評估是多變量、瞬時和多因素耦合所組成，如特殊風況條件(如紊流、風切變、流入角度、空氣密度、威布爾分布)、特定運行工況(如瞬變次數(shù)、偏航不對中、長期停機工況、覆冰載荷、表面)以及其他超出部件設(shè)計邊界條件工況來確定風電機組各自的狀態(tài)(Turbine Own Morphology)。

圖3：有限元計算與試驗方法結(jié)合進行壽命評估

圖4：風電機組有限元分析

      03風電機組壽命延長分析過程

      在確定是否進行風電機組壽命延長之前，應(yīng)進行現(xiàn)場核查、載荷及損傷壽命分析，確定設(shè)備和部件的剩余壽命，決定進行延壽的技術(shù)改造和升級工作，項目實施后，進行后評估，確定延壽的效果。

      3.1 風電場及風電機組檢查

      在確定是否進行風電機組壽命延長之前，應(yīng)進行現(xiàn)場核查，檢查內(nèi)容包括：

      • 風電場基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)場檢查

      • 風電機組部件現(xiàn)場檢查

      • 已有檢查報告的復(fù)核(葉片、齒輪箱等，如有)

      • 竣工單的復(fù)核 (如有)

      3.2 文件記錄分析

      在確定是否進行風電機組壽命延長之前，應(yīng)進行現(xiàn)場記錄的核查，內(nèi)容包括：

      • 風電場手冊、技術(shù)文件和技術(shù)參數(shù)的復(fù)核

      • 歷史運維報告包括溫度及內(nèi)窺鏡檢查、特殊振動和齒輪箱油樣分析的復(fù)核

      • 歷史風資源、發(fā)電量和可用率數(shù)據(jù)復(fù)核

      • 功率曲線評估

      • 基于長壽命周期分析結(jié)果和運行條件的存貨分析如備品備件

      • 新CAPEX/OPEX資本性支出/運營成本評估及財務(wù)分析

      CMS狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)評估：CMS系統(tǒng)通過對風電設(shè)備的溫度、位移、速度、加速度等參數(shù)進行實時在線或離線的數(shù)據(jù)采集，然后采用專家分析系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)不同角度的特定數(shù)學(xué)模型下的轉(zhuǎn)換和計算，得出風電設(shè)備的運行狀態(tài)并進行故障預(yù)警的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的評估結(jié)果，對于設(shè)備的剩余有用壽命和技術(shù)改造升級的決策，有很大幫助。

      3.3 延長壽命分析

      在進行了上述檢查后，應(yīng)進行特定場地風力發(fā)電機設(shè)計壽命的重新定義和延壽可能性分析。一般需要基于一個獨特的和差異化的氣動彈性載荷分析，分析其占主要部件風電機組結(jié)構(gòu)性壽命損耗原因的比重。

      然后對于在每個特定風場中風電機組壽命損耗進行診斷，并提供一個重新定義的風電機組部件設(shè)計、剩余有用壽命。通過設(shè)計、仿真、計算、實際檢查和測試，為決定是否進行延壽的技術(shù)改造和升級工作提供報告。如果決定進行延壽，需要在項目實施后，應(yīng)進行后評估，確定延壽的效果。

      04 結(jié)論

      通過主要部件故障風險評估，確定投資在維修或改造方面，是否將有足夠的回報。隨著被檢測主要部件故障率及其長期故障維護費用的上升，建議應(yīng)采取狀態(tài)檢修的方式將其轉(zhuǎn)化為預(yù)防性維護，從而減少運營管理的成本。

      通過對特定的風電機組及部件的建模仿真有限元分析及現(xiàn)場檢測，確定設(shè)備的損耗壽命和剩余有用壽命，從而進行風電設(shè)備長期的資產(chǎn)價值評估，為是否進行風電機組延壽提供科學(xué)依據(jù)目標是達到資產(chǎn)的增值和更長、更合適的債務(wù)回報期，使資產(chǎn)長期價值最大化。

      UL風能基于多年風電機組研究、測試、認證和技術(shù)性盡職調(diào)查經(jīng)驗以及多個風電設(shè)備延壽服務(wù)項目成功的背景，為國內(nèi)外客戶提供風電機組的延壽評估服務(wù)，旨在為客戶的資產(chǎn)增值和利益最大化提供幫助。