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    基于KPI指标体系的海上风电场风电机组选型方法

    浏览次数:502来源:中国风电能源网编辑:李锴时间:2017-06-28
    引言

    随着国家可再生能源发展战略的推进,海上风电场开发成为可再生能源发展重要的领域之一。风电机组选型作为海上风电场建设中最为关键的环节之一,选择合适的风电机组不仅可以节约海上风电场的工程投资,还可以提高海上风电场收益以及降低海上风电场的运行维护成本。在国内,海上风电场风电机组选型中采用的主要方法是通过比较初选不同风电机组的技术性和经济性来确定推荐机型。经济性主要依据度电成本这个量化指标来衡量;而技术性主要考虑风电机组的制造水平、技术成熟程度、产品可靠性及运行维护的方便程度,更多地是从定性的角度进行比较,缺乏较强的说服力;另外,在经济性的比较中缺少运行维护成本的考虑。笔者在现有国内外规范的基础上,结合多年海上风电场设计经验,引入KPI指标体系,建立海上风电机组选型评估体系,解耦量化评估指标,使得风电机组选型更具有科学性和易操作性,具有较好的示范和推广意义,本方法是对现行规范体系的有益补充。

    KPI(Key Performance Indicator,关键绩效指标)是用来衡量流程绩效的一种目标式量化管理指标,其核心是把目标解耦量化,即通过把一个逻辑维度的目标,分解成多个可以用数据来衡量的子目标,这些数据全部由目标达成的过程事件里产生或转化而来。将其运用到海上风电场风电机组选型中,关键是将评估海上风电机组的逻辑要素转化为可量化的指标,同时需要制定衡量评估指标的标准,海上风电场风电机组选型KPI 指标体系见示意图1。

    基本原则

    海上风电场风电机组选型KPI 指标体系的基本流程为,首先,选定全部符合设定条件的海上风电机组,然后对选择的海上风电机组进行比较,最终找到选择的海上风电机组中最适合风电场的风电机组。主要的过程有风电机组机型比选范围确定和风电机组机型的比选,建议遵循以下基本原则:

    一、风电机组机型比选范围确定的基本原则

    风电机组机型比选范围确定应尽量做到三个“全覆盖”,即国内国外全覆盖、大容量小容量全覆盖、商业运行和样机实验全覆盖,机型的选择尽量囊括全部的海上风电机组。但为了保证风电机组的质量,建议在全覆盖的基础上按以下原则进行筛选:对于国内风电机组,需要有商业化的运行业绩或者长时间成熟的样机运行业绩;对于国外风电机组,需要有商业化的运行业绩。

    二、风电机组机型比选基本原则

    风电机组机型比选重点遵循科学、客观和量化的原则,按照设定的评价标准,客观对比分析不同的风电机组。重点比较不同风电机组的技术性和经济性。技术比选重点考虑风电机组的可靠性和稳定性,经济比选应满足经济评价指标要求,同时要考虑不同风电机组的运维成本。

    基本方法

    基于以上原理,形成如下方法进行机型比选:

    (1)从技术可行性经济性两大方面进行综合比较;

    (2)从机组的适应性、技术成熟度、运行可靠性、机组业绩、供货进度要求、售后服务、施工工期、施工设备选择、认证情况、海域占用范围和尾流影响这11 个指标分析比较技术可行性;

    (3)从发电量、造价、度电成本和运行维护成本这4 个指标分析比较经济性,之所以将发电量、造价和度电成本单独列取,目的是便于查明度电成本差异的原因,是由于造价引起还是由于电量引起,便于后期的决策;

    (4)根据对各机型的调研以及各机型的技术经济方案,分别对每种机型在15 个指标中的表现进行排序,并对其进行赋分,排序第一取10 分,排序第二取9 分,以此类推;

    (5)考虑各要素在比选中的重要性不同,对各要素赋以不同的权重值。笔者建议的各要素权重赋值见表1,其中将风电机组的经济性和运行可靠性两个指标作为主要考虑的因素,因此分别赋予40% 和20% 的权重。

    (6)最终根据各机型在各指标中的表现及各要素的权重值,得到各机型的综合得分,并进行排序,得出综合表现较好的机型。

    15 项评估指标的衡量标准如下:

    一、机组的适应性

    机组的适应性主要考量的是机组的安全性以及对海上复杂环境的适应性。风电机组的安全性为风电机组选型考虑的首要因素,具有关键否决权,即所选择的风电机组应满足风电场安全风速的要求。海上复杂环境的适应性主要包括风电机组须具备较强的抗潮湿、防盐雾、防腐蚀、防覆冰(如有)和防低温(如有)等性能。

    二、技术成熟度

    风电机组技术成熟度主要考虑的是整机及关键零部件技术推出的时间长短、技术来源、机组控制系统的自主化程度以及海上风电机组一体化设计的能力。

    三、运行可靠性

    运行可靠性是衡量风电机组表现的重要指标。可靠性是一个系统工程,单一的指标无法体现机组可靠性的全部表现,需要多维度的可靠性指标共同表征机组的可靠性,而且不同机组的关键可靠性指标是不完全相同的。评估可靠性指标有时间可利用率(TBA)、平均无故障运行时间(MTBF)、平均维修间隔时间(MTBM)、能量可利用率(EBA)等,建议将平均维修间隔时间(MTBM)、能量可利用率(EBA)作为重点考核指标。

    四、机组业绩

    海上风电场投资规模大,考虑到风电场经济安全性,要求所选机型为有已投运海上风电机组业绩或者长时间成熟运行的样机业绩的机组。投运规模越大,运行时间越长,主要零部件(叶片、轴承、传动链、齿轮箱和电机等)无故障的机组受认可的程度越高。

    五、供货进度要求

    随着海上风电发展速度的加快,风电机组生产企业的供货能力成为制约海上风电建设进度的关键因素。所选风电机组生产企业应该具备足够的产能,以满足风电场的安装进度要求。另外,风电机组生产企业应具备一定的技术实力,能够配合完成风电机组土建、电气等配套工程的设计和建设,具备指导风电机组吊装、调试的能力,以保证项目的建设进度。

    六、售后服务

    海上风电场离岸距离远,且海上环境复杂,一旦机组发生故障需要较长的维修时间,风电场发电效益的损失较大。因此机组一旦出现故障,机组厂家对故障的响应时间、故障判断和投入的人力直接影响了故障修复的时间和发电效益的损失大小。因此选择的风电机组厂家需要有较快的故障响应时间、较强的故障判断能力和高效的人力投入。

    七、施工工期

    由于海上风电场建设条件复杂,施工工期较长,施工工期的长短对风电场的成本和效益产生较大的影响,而施工工期长短与机组的台数有直接关系:对于同样基础型式的机组,机组台数越多,施工进度越慢;机组台数越少,施工进度越快。

    八、施工设备选择

    施工设备包括机组基础的施工以及机组安装的施工。不同风电机组对基础形式的要求不同,比如大容量机组对单桩基础要求较高,对施工设备的要求也较为苛刻;另外机舱、叶片的重量也影响机组安装设备的选择。机组设备对施工设备的要求也是衡量风电机组选型的一个重要因素。

    九、认证情况

    根据国家能源局有关规范风电设备市场秩序有关要求的通知,“接入公共电网(含分布式项目)的新建风力发电项目所采用的风力发电机组及其风轮叶片、齿轮箱、发电机、变流器、控制器和轴承等关键零部件,须按照《GB/Z25458-2010 风力发电机组合格认证规则及程序》进行型式认证”,因此风电机组取得型式认证也将成为必要条件。机组的认证体现了机组的设计水平和整体性能,因此,认证机构的权威性、认证的级别间接反映了机组的性能。

    十、海域占用范围

    在风电场前期工作中取得海洋主管部门的批复是较为关键的环节之一,因此海域占用范围也是海上风电机组型式比选中较为重要的因素之一。海域占用范围主要受单机容量影响较大,同时也取决于风电机组的布置方式,应在充分考虑风电场资源的条件下,通过计算选择该单机容量下最合理的布置方式来确定该单机容量的海域占用范围。可按不同单机容量相同尾流影响下所占用的海域面积计。

    十一、尾流影响

    风电场内布置不同型式的风电机组,产生的尾流效应也会不同。尾流对风电场产生的影响主要表现在两方面:一是对发电量的折减;二是对机组安全性产生影响。尾流越大,对发电量折减越大,安全影响也越大。

    十二、发电量

    风电场发电量大小是风电机组性能好坏的直接体现,同时也直接影响了风电场的收益率。因此,应尽可能选择发电量较大的风电机组。发电量应计算各风电机组的上网电量,要考虑到不同风电机组的上网电量折减系数的差异性。

    十三、造价

    不同风电机组的价格以及配套工程的投资均不一样,风电场的造价直接决定了风电场的效益,建议测算每种风电机组型式对应的风电场工程整体造价。

    十四、度电成本

    度电成本是指风电场的造价除以风电场的上网电量,衡量的是风电场投资和产出比。

    十五、运维成本

    海上风电场离岸距离远,且海上环境复杂,可达性较差,风电场的运维成本较高,直接影响到风电场的整体收益率。因此,应选择运维成本较低、运维水平较高的机组厂家。
     

    工程实例

    选择我国北部海域某海上风电场,利用海上风电场风电机组选型KPI 指标体系进行机型比选,首先,根据“国内风电机组需要有商业化的运行业绩或者长时间成熟的样机运行业绩、国外风电机组需要有商业化的运行业绩”的原则选择所有符合条件的海上风电机组,逐一进行函调,考虑到部分机组制造厂商的财务状况、市场策略、样机运行情况和业主的要求,最终选择了8 种满足上述条件的海上风电机组。采用海上风电场风电机组选型KPI指标体系逐步进行比选,最终比选结果见表1。

    由表可见,综合比选后,单机容量为4.2MW 的WTG-3 风电机组更为适合本海上风电场。由于本风电场属于IEC Ⅲ类风电场,年平均风速不高,而目前国内外适合IEC Ⅲ类风电场的海上风电机组还不多,尤其是大容量的海上风电机组,这从比选机型中各机组的单位容量扫风面积就可以看出,WTG-3 机组因其出色的发电量以及优秀的运行业绩脱颖而出。值得一提的是,在经济性比较中除了考虑度电成本外,将造价和发电量再次进行比较的目的是为了让投资方挑选出发电量高但投资也高的风电机组,特别是由于机组价格高造成投资高的风电机组,一些投资方可以利用集中采购等方式达到降低机组价格的目的,从而避免将质量较高的风电机组排除在外的情况。

    结论

    本文阐述了利用海上风电场风电机组选型KPI 指标体系来进行海上风电机组机型比选的方法,其目的是将海上风电机组机型比选的要素进行量化,从而更具有操作性,避免人为主观因素的判断。本方法的核心是要罗列出所有符合选型条件的风电机组,然后进行比较得出最符合本风电场的海上风电机组。

    具体操作时有以下几点需要重视:

    (1)在计算各风电机组发电量时,对功率曲线应进行评估和判断,避免出现收集到的功率曲线虚高的现象。

    (2)影响各方案造价的两大主要因素为风电机组的价格和机组基础的费用,机组基础费用与机组基础的形式、施工方式、场址区域地质条件和海洋水文条件等息息相关,因此在计算机组基础费用时应充分考虑到各机组的载荷特征和建设条件,选择最为合适的基础形式才具有比选的代表性。

    (3)规模较大的海上风电场如果使用单一的风电机组往往风险较大,降低风险措施之一是采用两种风电机组,同时结合风电场的风资源、地质和海洋水文特征开展个性化的设计,提高风电场的整体效益。

    ( 4)目前量化指标的赋分值含有一定的主观性,随着海上风电的发展和海上风电机组建设、运行和维护数据量的增加,本方法将会逐步客观、精确。
     

     

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