1、书书书新能源开发与利用丛书海上风电机组可靠性、可利用率及维护 英彼得塔夫纳（P e t e r T a v n e r）著 张通等译机 械 工 业 出 版 社为避免使用化石燃料并寻求新的电源，开发海上风电已经成为目前全球能源产业需要迫切解决的问题。英国风力资源丰富且海上风电场对环境影响较小，因此作为几个主要国家之一，英国正在大力发展海上风电技术。然而，为了开发海上风电必须解决一些重要的工程技术问题。这些问题主要围绕在如何能以与传统发电相竞争的单位成本捕获风能实现发电。这取决于海上风电场中风电机组的可靠性、可利用率以及寿命。通过经济高效的维护确保风电机组可利用率与寿命是降低海上风电寿命周期成本并
2、推进这项新技术进一步发展的关键。本书旨在对这些问题进行论述，并为风电生产商、开发商以及运营商展示恶劣环境中的海上风电机组的运行与维护的状况。在此基础上，进一步建议如何能够通过维护降低海上风电机组寿命周期成本。最近几年全球风电发展速度加快，而海上风电因其具有资源丰富、不占用土地、通常靠近传统电力负荷中心等优点而受到了业界的广泛关注，正成为未来风电发展的重要方向之一。目前英国、德国、丹麦、荷兰等欧洲国家正在加大海上风电的开发力度。据估计，2 0 2 0年欧洲近海风电装机容量将达到 7 0 G W。我国于 2 0 0 7年开始发展海上风电，取得了长足的进步，至 2 0 1 6年底，我国海上风电累计装
3、机容量已达到 1 6 3 0 M W，预计 2 0 2 0年将达到 3 0 G W。然而，为了开发海上风电必须解决一些重要的工程技术问题。这些问题主要围绕在如何能以与传统发电相竞争的单位成本捕获风能实现发电。这取决于海上风电场中风电机组的可靠性、可利用率以及寿命。通过经济高效的维护确保风电机组可利用率与寿命是降低海上风电寿命周期成本并推进这项新技术进一步发展的关键。本书旨在对这些问题进行论述，并为风电生产商、开发商以及运营商展示恶劣环境中的海上风电机组的运行与维护的状况。在此基础上，进一步建议如何能够通过维护降低海上风电机组寿命周期成本。本书主要由张通翻译，其他参加翻译的人员有马辰智、边晓婕、
4、张茹敏、韩凝、张瑀彤、喻一伟、何淇彰、曹可凡、张鑫、吕晓薇、陈逍雨、向大为。本书内容所涵盖的领域非常宽广，限于译者的水平，加之时间仓促，书中难免会出现翻译不当甚至错误之处，恳请广大读者批评指正。译者为避免使用化石燃料并寻求新的电源，开发海上风电已经成为目前全球能源产业需要迫切解决的问题。英国风力资源丰富且海上风电场对环境影响较小，因此作为几个主要国家之一，英国正在大力发展海上风电技术。然而为了开发海上风电必须解决一些重要的工程技术问题。这些问题主要围绕在如何能以与传统发电相竞争的单位成本捕获风能实现发电。这取决于海上风电场中风电机组的可靠性、可利用率以及寿命。通过经济高效的维护确保风电机组的可
5、利用率与寿命是降低海上风电寿命周期成本并推进这项新技术进一步发展的关键。本书旨在对这些问题进行论述，并为风电生产商、开发商以及运营商展示恶劣环境中的海上风电机组运行与维护的状况。在此基础上，进一步建议如何能够通过维护降低海上风电机组寿命周期成本。作者在相关领域具有 1 0年以上的工作经验，特别是在运行与制造用于传统化石燃料电站与核电站的电气设备方面。风电行业可从传统发电工业中获得很多经验来降低全寿命周期成本。然而现代化石燃料电站与核电站都是专门设计、室内安装、一天 2 4 h/一周 7天不间断人工值守的电厂，它们的工程实用性已经经过 8 0多年的长期验证。作者从早年海军培训的经历中还了解到优良
6、的设计、制造及维护对确保舰船在远海运行具有十分重要的作用，尽管舰船同样采取 2 4 h/7天不间断操控。过去 1 0 0多年的海洋贸易经验已经证明如何实现海上设备可靠高效运行。另外，从过去 4 0多年海上石油与天然气工业中，特别在北海（这里已安装或即将安装许多海上风电机组），可以学到如何安装、维护以及高效运行海上工程设备的经验，包括吸取一些减少人工操作运行过程中出现的教训。海上风电与上述工业相类似，但具有无人值守、2 4 h/7天自动运行以及岸上远程监控的新特点。在海上风力发电站建造、维护以及高度自动化运行中会出现许多工程问题与挑战。利用现有传统电站、航海以及海上石油与天然气工业的经验可以帮助
7、我们克服这些工程难题。与此同时，海上风电工业的成功同样离不开不断创新、新技术的研发以及优秀的制造与管理。英国风电咨询公司加勒德哈森 G L联合创始人 A n d r e wG a r r a d曾说过：“在很长一段时间内风电工业的口头禅是 越来越大，但现在它已经变成 越来越好，这表明风电技术创新方向的改变。”我希望这本根据我们在杜伦大学的研究工作并从英国的角度写作完成的图书可以帮助大家在未来达到这个目的。P e t e rT a v n e r杜伦大学在此，我要感谢对本书做出贡献的同事们以及我的博士生们，包括 M i c h a e lWi l k i n s o n、F a b i o S
8、p i n a t o、C h r i s C r a b t r e e、C h e nB i nD i、M a h m o u t Z a g g o u t 和 D o n a t e l l aZ a p p a l a；以及本科生、研究生及博士后们，包括 H o o m a nA r a b i a nH o s e y n a b a d i、L u c yC o l l i n g w o o d、S i n i s aD j u r o v i c、Y a n h u iF e n g、R o s aG i n d e l e、A n d r e w H i g g i n s
9、、M a r kK n o w l e s、T i n gL e i、L u k eL o n g l e y、Y i n g n i n gQ i u、P a u lR i c h a r d s o n、S a j j a dT o h i d i、We n j u a nWa n g、X i a o y a nWa n g、M a t t h e wWh i t t l e、J i a n p i n gX i a n g和 We n x i a nY a n g。同时，我也要感谢各位学术同僚，包括杜伦大学的 R o bD o m i n y、S i m o nH o g g、H u i
10、L o n g、L i R a n 和 Wi l l i a mS o n g；以及 S u p e r g e nWi n d联盟的各位成员，他们是 G e o f fD u t t o n、B i l l L e i t h e a d、S a n d yS m i t h和 S i m o nWa t s o n；还有 B e r t h o l dH a h n、S t e f a nF a u l s t i c h、J o a c h i mP e i n k e、G e r a r dv a nB u s s e l 等欧洲风能学会（E u r o p e a nA c a d
11、e m yo fWi n dE n e r g y）的同事们，感谢你们帮助我了解风能在欧洲的发展情况。我还要特别感谢之前就职于 G LG a r r a dH a s s a n 公司，现已工作于斯特拉思克莱德大学的 P e t e rJ a m i e s o n，感谢他在风电行业的数年经验，也要感谢他出版的 风力发电机设计创新一书（J a m i e s o n，2 0 1 1），这本书在提高风力发电机寿命性能方面起到了非常重要的作用。在此我也要提到卡塞尔大学的 J u r g e nS c h m i d 教授，他不仅是欧洲风能学会的创立人之一，还首次开展了对风力发电机可靠性的研究，并于
12、 1 9 9 1年出版了此类内容的第一本图书（S c h i m i d&K l e i n，1 9 9 1）。我还要对在编写附录2的过程中，R e l i a Wi n d 协作项目中来自 G LG a r r a dH a s s a n公司的成员对我的帮助，以及E.O NC l i m a t ea n dR e n e w a b l e s 公司提出的宝贵意见表示衷心的感谢。我也要感谢为本书提供支持的各类研究基金：感谢英国工程及物理科学研究委员会对 S u p e r g e r nWi n d 项目一期、二期提供的资金；感谢欧盟提供了欧盟第七框架计划的 R e l i a Wi n
13、 d 协作项目基金。最后，我还要向为本书提供数据、照片的各位企业内的同僚表示感谢，感谢 A l n m a r i t e c 船业公司、A B B电气传动公司、阿尔斯通风电公司、科里坡海上风电公司、科孚德公司、G LG a r r a dH a s s a n公司、H a n s e nT r a n s m i s s i o n s M T S 公司，英国国家新能源中心、美国国家新能源实验室、西门子风电公司和 Wi n dC a t s 公司；感谢杜伦大学的 C h r i s O r t o n 精心制作的图表。符号含义A对于风力发电机，该符号指代高湍流特性B对于风力发电机，该符号指代
14、中等湍流特性C对于风力发电机，该符号指代低湍流特性A可利用率，A=M T B F/（M T B F+M T T R）A（t）各类子部件可利用率的时间函数A c c加速寿命试验中的加速因子A E P年发电量（单位：M Wh）C容量系数（%）C o E能耗成本（单位：英镑/M Wh）F（t）故障强度（可由 P L P或威布尔分布方程表示）F或 F-1正向/反向快速傅里叶变换F C R年固定费用率（%）效率Hs海面波浪高度I C C初始资金成本（单位：英镑）I传动系统惯性（单位：k g m2）I湍流强度，定义详见 I E C6 1 4 0 0第 1部分，计算公式为 /uIc h a r湍流特性，定义
15、详见 I E C6 1 4 0 0第 1部分Ir e f当风速 ur e f为 1 5 m/s 时的预期湍流值k能量平衡公式中的常数k un当风速 u 为 n（单位：m/s）时的湍流相关系数（t）子部件、机器的瞬时危险率函数（单位：故障/子部件/年）随时间变化的子部件、机器的故障率（单位：故障/子部件/年）N转子转速（单位：r/m i n）n年数P功率（单位：W）Pd e t故障检测概率p极对数Q热流动量（单位：W/m2）R电阻（单位：）R（t）各子部件可靠性或存活率函数的时间函数（单位：故障/机器/年）r贴现率（%）S具体发电量（单位：M Wh/m2/年）风速的标准方差T转矩（单位：N m）
16、T温度（单位：）T温升（单位：）T波浪时长（单位：s）u风速（单位：m/s、m i l e/h、k n）子部件的故障间隔时间，计算公式为 =1/（单位：h）Vr e f位于风力发电机轮毂高度处的平均风速（单位：m/s）V方均根电压（单位：V）W风力发电机传动系统做功量角频率（单位：r a d/s）1 m i l e=1 6 0 9.3 4 4 m。1 k n=1 n m i l e/h=1.8 5 2 k m/h。缩略语英文全称中文解释A E PA n n u a l i s e de n e r g y p r o d u c t i o n年发电量A I PA r t e m i s I n n o v a t i v eP o w e rA r t e m i s 创新能源公司A L TA c c e l e r a t e dl i f et e s t i n g加速寿命测试A MA s s e t m a n a g e m e n t资产管理A M S A AA r m y M a t e r i e l S y s t e m s A n a l y s i s A c