西门子歌美飒的海上风机是如何实现97％可利用率

西门子歌美飒的技术负责人在与Wind Power Monthly访谈时谈到如何提高产品可靠性，减少停机时间，以及随着风电行业的发展与其他制造商进行合作的可能性。


西门子歌美飒的SG 11.0-200 DD样机（Østerild, 丹麦)

西门子歌美飒近期宣布，其直驱型海上风电机组在2020年的全球平均可利用率超过97％。可利用率定义为风机可用于发电的时间量，高利用率意味着更高的年发电量，可为风电场业主/运营商带来更多的年度收入。

收入增长

通过实例计算可知，欧洲北海一个风电场（配备80台11 MW风机，风力分布正常）在年发电量增加1％的情况下，年收入可增加140万欧元。由于项目现场和风机现场人员难以实施实时运维，尤其是在秋季和冬季，因此，对于海上风机而言，提高风机的可靠性对于减少停机时间和计划外的维护工作显得尤为重要。

提高安装可利用率的主要影响因素是技术的稳健性和可靠性，以及负责长期资产维护的专业快速响应服务团队。

西门子歌美飒技术负责人默滕·拉斯姆森（Morten Pilgaard Rasmussen）表示，西门子歌美飒当前直驱型海上风电机组的高利用率可以归结为几个主要因素的结合。

他说：

“这些影响因素包括我们自1991年开创Vindeby项目以来积累的丰富的海上风电经验，系统化渐进式的产品开发策略，以及全球最大的可运行海上风电机组，包括1200多台直驱型风机，以及2500多个齿轮型风机。”拉斯姆森补充道，这些数字不包括西门子歌美飒的中国合作伙伴上海电气生产的风机（主要是齿轮型）。


Vindeby（上图）是全球首座海上风电场，于1991年安装在波罗的海，其配备了11台半标准、失速调节的高速齿轮型Bonus450 kW风机。它成功运行了26年，于2017年退役并被拆除。

2009年，西门子歌美飒开始设计开发直驱型海上风机，最初的3 MW平台 SWT-3.0-101。这种开创性的风机概念将完全集成的传动系统与前置的外转子分段式永磁发电机和支承转子和发电机的单双列圆锥滚子轴承结合在一起，并成为所有后续型号的蓝图。

产品不断演变

两年后，海上风电专用的6 MW平台 SWT-6.0-120 ( 第一代) 成为了下一个开发的主要产品。2012年，它演变为升级版的 SWT-6.0-154，该升级版将叶轮直径扩大至154米。

经过几代人的努力，该设计已演变为最新的11 MW平台 SG 11.0-200 DD (第五代) , 现已获得临时型号认证，并且正在加速生产。

2019年1月发布的SG 10.0-193 DD 样机和2019年11月发布的升级版 SG 11.0-193 DD拥有10-11MW的额定功率都处于样机阶段, 之前的公司合同均已升级为SG 11.0-200 DD。


丹麦Østerild测试风场运输B97叶片，安装于SG 11MW样机

拉斯姆森继续说道：

“逐渐演变的产品开发策略的一个关键是，各代风机均需要不断地进行必要的改进和优化，并将其延续到下一代平台中，这种不断发展的系统化方法和成熟的技术原理在实现当前的高可靠性以及超过97％的海上风电机组可利用率方面发挥了重要作用。这符合我们的座右铭，即‘除非人为干预，风机不应停止运转’。”

这一策略使得西门子歌美飒最新的11 MW平台 SG 11-200样机快速达到95％的平均可利用率。这也是能够提高所有新平台机型量产的关键因素。

即将面世的旗舰产品 SG 14-222 DD (第六代) 将采用类似的可利用率途径，计划于今年晚些时候安装样机。西门子歌美飒遵循一个简单而又实用的原则：如果可行，那就广泛应用！

因此，完全集成的传动系统从早期开始就被证明是一种高度可靠的解决方案。尽管3 MW直驱型风机的单转子-发电机轴承存在一些早期问题，但在根本原因分析表明其与某个特定供应商和质量问题存在直接联系之后，这些问题得以迅速解决。拉斯姆森解释说，偶尔发生的转子-发电机轴承故障无法避免，因为这些故障与任何滚子型元件都有着内在联系。

简易化处理

他认为，机械上更为简单的直驱型风机（旋转元件较少）优于海上安装的所有早期齿轮型风机。但是，拉斯姆森指出，西门子歌美飒的整个海上风电机组（包括齿轮型风机）也达到了97％以上的平均可利用率。

齿轮型风机产品组合包括2 MW（1999年/2000年）和升级后的2.3 MW系列（2003年），已广泛安装的3.6 MW“海上风电经久耐用产品”（2004年，转子尺寸于2009年有所增加）以及最终的4 MW 平台SWT-4.0-130（于2012年推出）。


630 MW London Array风电场包括175台齿轮型SWT-3.6-120风机

他说道：

“从一开始，我们的海上风电产品的整体开发策略包括对所有主要组件进行严格测试。在资产运营阶段，我们的重点是确定任何意外停机的根本原因，并算出必要补救措施的成本。如今，数字化技术的进步可为单个风机、各代风机以及跨平台级别积累大量的运行数据，停机的根本原因分析因此大大受益。”

作为公司战略的一部分，西门子歌美飒对可利用率的关注不仅仅局限于主要组件。在恶劣的天气条件下无法接近风机时，若所谓的小组件（如开关和印制板之类相当便宜的小物件）发生故障，也会导致停机、发电小时数减少并因此导致收入损失。

拉斯姆森说，一种可能的应对策略是通过增加具有类似功能的组件来保证充足库存，该组件可以立即接管相同的工作，但这并不是海上风电的常用方法。

他解释说：“相反，我们选择使用专门的程序来解决那些可导致大量故障的设计相关问题，通常发生在相对廉价的关键组件中。”

“幸运的是，许多此类廉价和较昂贵的小型组件已经具有很高的可靠性，例如广泛用于风机控制系统的工控机。西门子歌美飒从几十年海上风电经验中得到的一个普遍教训是:无论组件大小，要确保其设计始终符合最高的稳健性和耐用性标准。”

模块化设计的优势

拉斯姆森表示：

分段制造的发电机定子和由多个模块组成的两个变流器等风机模块化设计也有利于提高可利用率。这些模块化设计意味着假如一个或多个发电机定子或者变流器发生故障，风机也可在降低最大输出功率的情况下继续运行。

“在情况允许以恢复完整的运营前，这将极大地降低产出损耗，进而减少收入损失。我们的分段型发电机设计甚至能允许发电机在单个或两个相邻模块出现故障并造成不对称负载的不利情况下继续运行。”

当一个特定故障问题需要进行计划外的服务干预时，部署运维船或直升机需要考虑多种因素，并要根据实际情况具体分析。确定船只可以靠近的天气、修复或更换故障部件的所需时间、受影响的风机数量、组件尺寸还有各种方案的成本预算都是需要考虑的关键因素。


技术人员如何进入风机进行维修和保养要根据实际情况具体分析，取决于天气和自然条件等因素

如果单个组件更换速度够快，那么无论是一台还是多台风机，直升机都是更换小型组件的最佳选择。

相比之下，大型组件的最大劣势就是通常需要部署一艘自升船。无论发生故障的是发电机还是单个转子轴承，都需要先拆除转子，然后更换整个全集成机组。拉斯姆森表示，“轴承-发电机组更换操作已经优化至可以在一天内完成整机更换的程度，约等于安装一个新的风机机舱加转子的时间。”

“事实证明，这是快速且具有成本效益的策略，有助于避免漫长且昂贵的海上补救作业，并最大程度降低了发电小时数损失。此外，大部分海上作业的成本实际上都花费在大型船只的调动上，而不是作业所需的那几个小时。”

事件捆绑处理

拉斯姆森解释道：

“尤其是当船只可以捆绑处理多个事件时更是如此，得益于内部诊断能力，我们在需要更换的前几个月就能够发现潜在发展中的损坏。”

在他看来，97%以上可利用率这一里程碑并不是终点，但随着很多可行的方案已经被实施并不断优化，进一步的增长将变得更加困难。

未来，随着单个风场规模和项目数量的巨大增长，以及风机尺寸的不断增加，运维服务的组织结构也必须随着海上风机装机量的高速增长而不断优化。这意味着服务团队的进一步规模化和专业化，并要重新思考如何在更大范围内优化船只和直升机的部署。

拉斯姆森表示，无论范围如何，快速抵达风机都是重中之重，即便在恶劣的天气条件下也是如此，这样才能最大程度地减少停机时间，确保优越的性能以及高利用率。不久以后，全球主要市场和地理区域将有更多不同品牌和类型的风电场投入运营。

他总结道

“未来，考虑到全球海上风电的大规模增长以及随之而来的变化，在不同的风电场业主和不同平台之间共用高价设备甚至服务团队会是更加经济的选择。这种思路可以为所有的相关方，即制造商、开发商、承包商和客户创造共赢的局面。”