由UL組織發起建立了全球范圍內風電機組關聯利益方參加關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、遠景等在內的風電機組制造商以及中國質量認證中心、丹麥技術大學、日本東京大學等機構共40余家單位參加。ANSI /UL 4143標準今年2月已經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。目前有些機組已經或接近設計壽命，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計壽命的終結。

      機組的擁有者在風電機組運行后期時，由于設備較高的故障率，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，特別是山區和海島等復雜地形，大型機組建設困難成本高的區域。

圖1：風電機組壽命周期

      1.1 風電場資產回報效益的提升

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

      1.1.1 設備可用率

      風電場主設備即風電機組的可用率是影響風電場內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、備品備件的供應等因素。如果采用更高可靠性的機組和設備(高可靠性部件配置)或可靠性提升的技術改造，高水平的運行維護隊伍及充分及時的備件供應，風電機組可用率可以提升3%或以上。

      1.1.2 風電場發電效率

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

      1.1.3 運維成本

      風電場運維成本與運維商業模式、運維策略、管理和技術的持續改進有關。目前一般風電場運維分為業主自主(包括業主設立的區域檢修公司)、主機廠設備質保期運維、第三方運維或檢修等商業模式。運維策略包括定期及應急、預防性等策略。運維成本受到機組本身質量和維修成本及備件價格影響、運維人員數量和成本、運維質量、運維隊伍管理和技術改進水平有關。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

      風電機組結構被設計成按設計標淮和規范，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、湍流強度與標準設計工況有所不同，可能設計是比較保守的。因此預計的風電機組經20年運行之后，有可能結構不會全部消耗殆盡，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、項目經濟性及金融風險等多方面進行認真分析，確保風電業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濟回報時，由是否進行財務方面的終止而決定。

      風電機組壽命評估應通過重新計算分析，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，包括風電機組原設計計算評估復核或重新掃描(3D)或測量建模，以疲勞極限和載荷來驗證風電機組結構完整性。這種方法將給出剩余使用壽命專家級的判定結果。

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

      圖2：上圖為產品生命周期所謂“浴盆曲線”，下圖為產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、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計邊界條件工況來確定風電機組各自的狀態(Turbine Own Morphology)。

圖3：有限元計算與試驗方法結合進行壽命評估

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，應進行現場核查、載荷及損傷壽命分析，確定設備和部件的剩余壽命，決定進行延壽的技術改造和升級工作，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，應進行現場核查，檢查內容包括：

      • 風電場基礎設施現場檢查

      • 風電機組部件現場檢查

      • 已有檢查報告的復核(葉片、齒輪箱等，如有)

      • 竣工單的復核 (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，應進行現場記錄的核查，內容包括：

      • 風電場手冊、技術文件和技術參數的復核

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

      • 歷史風資源、發電量和可用率數據復核

      • 功率曲線評估

      • 基于長壽命周期分析結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分析

      CMS狀態監視系統評估：CMS系統通過對風電設備的溫度、位移、速度、加速度等參數進行實時在線或離線的數據采集，然后采用專家分析系統包括數據不同角度的特定數學模型下的轉換和計算，得出風電設備的運行狀態并進行故障預警的系統。這種系統的評估結果，對于設備的剩余有用壽命和技術改造升級的決策，有很大幫助。

      3.3 延長壽命分析

      在進行了上述檢查后，應進行特定場地風力發電機設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構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計、剩余有用壽命。通過設計、仿真、計算、實際檢查和測試，為決定是否進行延壽的技術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，應進行后評估，確定延壽的效果。

      04 結論

      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，建議應采取狀態檢修的方式將其轉化為預防性維護，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場檢測，確定設備的損耗壽命和剩余有用壽命，從而進行風電設備長期的資產價值評估，為是否進行風電機組延壽提供科學依據目標是達到資產的增值和更長、更合適的債務回報期，使資產長期價值最大化。

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