风场要求发生变化! ——风机的性能与可靠性变得比以往更加重要 研究项目概要

风场要求发生变化!  ——风机的性能与可靠性变得比以往更加重要 研究项目概要
穆格公司研究报告 – 2010 年 4 月
研究项目概要
风场要求发生变化!
——风机的性能与可靠性变得比以往更加重要
本研究主要以一个全球性风能发
电行业调查中参与者的答卷为基
础。研究旨在更好了解风机制造
商和运营商在变桨控制方面的需
求。该调查通过电话进行,并得
到58个公司的参与及答复,其
中风场运营商28家,风机制造
商21家,其它9家企业多数为咨
询公司。同时也参考了另一个关
于状态监控的全球性调查,作为
二级研究。
执行摘要
排除宏观经济影响的因素,风能源领域共有三种关键的趋势将可能会在中期内影响风机的设计:
越来越多的新风场将位于气候条件恶劣的偏远地方。陆上与海上风场都有这种趋势。
风力发电量占总供电量的比例将不断增大,因而要求更准确的发电量预测以及满足并网规范要求。
风机效率将变得更加重要,尤其在成熟市场。
这些趋势将在以下几方面影响风机的技术规格和参数:
风机尺寸不断增大要求风场运营商增加资金投入,一旦风机发生故障运营商的损失也更大。
因此,风场营运商最关注的焦点将是风机的可靠性。
风机尺寸增大、海上安装以及偏远荒芜的地点可能将增加对状态监控系统的使用。
随着风机尺寸不断增大,变桨控制系统的重要性可能也将增大,因为它们在满足并网规范要求、
提高风机效率、以及载荷控制方面起着一定的作用。鉴于相同的原因,对独立变桨控制技术的
采用也可能增多。
在应对这些问题的同时保持快速的增长将是巨大的挑战。风机制造商需要与关键的系统供应商建立
起互惠互利的关系以提高效绩,扩大产能,同时扩大覆盖的地域范围。
将影响未来风机设计的三个主要趋势
体排放量,则风能所占比重到2020年将提高到5.1%,到
2030年将达到9.3%。4
1) 新风场多位于气候条件恶劣的偏远地方
而欧洲风能所占比重将比世界平均值高出很多。IEA在其
基准情景中预计,到2030年风能比例将提高到14.6%,而
在 其 450情 境 中 则 预 计 欧 盟 范 围 内 的 风 能 比 重 将 升 至
20.1%。而且丹麦和西班牙的比重可能还高于此比例。
随着风能日益重要,越来越多的新风场将位于环境条件恶
劣且交通不便的偏远地区。
风能在总发电量中所占份额(%)
信息来源:国际能源机构(IEA)
海上风电尤其构成艰巨挑战
海上风场尤其如此。海上风力发电能力将增长迅速,
2010年至2014年之间全球预计将安装的新发电能力将达
13,500 兆瓦。当前的海上风机已经能够应对强风条件和高
达一米以上海浪的挑战。
1
全球
0.9%
4.5%
9.3%
3.1%
欧盟
随着海上风场的数量不断增加,其位置将极有可能处于距
离 海 岸 越 来 越 远 的 远 海 地 区 。 以 英 国 为 例 , 2005年 至
2009 年开工项目风机所在地点的平均最大水深为15.6米,
而2010年至2014年间开工项目风机所在地点的平均最大水
深预计将增加到27.1米。同样,离岸距离预计也将从9.1
公里增加到19.8公里。2
美国
中国
14.6%
20.1%
0.8%
6.2%
10.4%
2007
0.3%
2.5%
9.0%
2030 基准情景
2030 450情景
风场规模增大
风场规模也相应增大,50兆瓦以上规模的风场已经变得司
空见惯,中国、美国和海上风电尤为如此。此外,在一个
区域内出现风场群的现象也将更加普遍(如在中国)。随
着风场规模的增大,其对当地的影响力也相应提高,因为
它们在该区域内的总发电量的比例也随之增大。
风机尺寸越来越大
陆上风场所在位置也日具挑战性
陆上风场也有此趋势,即越来越多的新风场位于气候条件
差的偏远地区。以中国为例,中国已经宣布到2020年准备
兴建七个风力发电基地,每个基地的发电能力均达10千兆
瓦以上。其中两个基地位于内蒙古的东部和西部。内蒙古
气候恶劣,冬季时间长,温度会降至零下23°C,且常爆
发大风雪。而在短暂的夏季,则时常出现沙尘暴 。3
预计风机的尺寸也将进一步增大。2009年风机平均尺寸增
加到1,599千瓦 5。这一数据可能还将进一步增大,因为在
新的地点安装的都是更大型的风机,而且欧洲的现有风机
也正在由新的型号所取代。
欧洲的成熟市场如丹麦、西班牙和德国对原有老旧的较小
型风机进行增容改造以提高优质风场的发电量,这将加强
此趋势的发展。参与调查的作答者普遍同意,风机的增容
改造将在欧洲变得日益重要。
“有些风场几乎已经运作了10年,因此我们在接下来的
10年内将看到其中很多开展增容改造工作。丹麦和德国
目前已经开始了小规模改造项目。”(欧洲风机制造
商)
2)风能发电量将占总供电量的一大部分
总供电量中风能发电量份额增长,尤其在欧洲
国际能源机构(IEA)在其基准情景中预期,假定能源政
策不发生重大变化,则风能在全球发电总量中所占的比重
将从2007年的0.9%上升到2020年的3.7%,到2030年则会
达到4.5%。根据其450情景假定各国积极配合控制温室气
资料来源:2009年世界市场发展动向
(World Market Update 2009). BTM Consult
2
资料来源:英国海上风电行业 - 绘制正确的航向
(UK Offshore Wind – Charting the right course),BWEA
3
资料来源:新闻文章
1
“在欧洲,土地有限,而且很多发电厂已经老旧,因而
不得不被取代(美国风机制造商)
准确的发电量预测以及满足并网规范要求重要将日益突显
准确的发电量预测以及满足并网规范要求重要将日益突显
随着风力发电量在总发电量中所占份额越来越高,将要求
进行准确的发电量预测以使系统营运商能够有效规划其它
4
5
资料来源:2009年世界能源展望。国际能源机构(IEA)
资料来源:2009年世界市场发展动向。BTM Consult
发电资源的操作。这一要求在风能装机容量份额达到5% 时
会变得更加重要,而份额达到10%时则会变得不可或缺。
当风能份额日益增大时,满足并网规范要求的重要性也日
益凸显。关键领域包括:
容差:这要求风场在最大和最低电压限制之间运行。
无功功率控制:一个风场可能被要求在发电时以固定
的功率因数运行,或者调节其反应式功率消耗量或发
电量,以将电压控制在设定点。
“技术可用性更加重要,即使(风机的)价格更高也在
所不惜。我们的合约保证技术可用性和实际的性能。如
果未达到这些要求,我们提供补救整改和/或赔偿。”
(美国风机制造商)
“它(可靠性)变得更加重要。发电厂已经改进,可用
性得到提高,因而,营运商的期望也相应提高。”(欧
洲风机制造商)
有功功率控制:这通常要求将一个风场或风场群的总
发电量保持在一定水平以下。风场也可能需要控制斜
率或输出功率升高率。有时还要求进行频率控制,即
在频率较低时增加输出,在频率较高时减小输出。6
3)更多焦点集中于改进成熟市场内的风机效率
与2003年的23% 相比,2008年最大15个风场运营商的风
力发电量占总风力发电量的35%。而其中的9个是公用事
业公司7。由于公用事业公司的现金充足,而且不像开发商
那样面对财政限制,其风力发电量的份额将继续增长。
公用事业公司发挥的作用不断增加,使得其将更多焦点集
中在改进风机效率上。他们将需要更加可靠的解决方案,
并将焦点集中在风机效率、正常运行时间以及成本管理等
方面。
参与调查的作答者普遍同意,营运商正在扩大风力发电的
规模,因而需要更高级别的操作效率。
“大的能源供应商将成为主要的风场营运商。这也意味
着对质量和效率的要求将更加严苛。”(欧洲咨询公
司)
对于海上风场,可靠性尤为重要
在参与调查的作答者看来,可靠性对海上风机尤为重要,
因为一旦发生故障,这些地点较难接近,而且花费高昂。
“我们主要经营海上风场,那里可靠性极其重要。与陆
上风场相比,海上风场更难接近,因而使停机时间及更
换维修成为比实际备件的成本更关键的考虑因素。”
(欧洲风场运营商)
“海上系统需要更具抵抗力(防腐),并配备可靠的备
用系统,以打造100%正常运行/发电输送的无故障系
统。同样,因为从物流保障角度来说,海上系统的维护
和修理更加困难。”(欧洲风场运营商)
“经营的大电厂越多,他们越关注发电效率问题。”
(欧洲风机制造商)
影响 – 可靠性、状态监控和变桨控制将变得更加重要
这些趋势可能会改变风场运营商管理和考核效绩时所考量
的因素,进而影响其采购风机时所看重的性能属性。
A-可靠性将越来越重要
可靠性将成为采购决策中一个重要的影响因素
参与调查的作答者普遍同意,可靠性已经成为越来越重要
的影响营运商采购决策的因素。
“运营商希望获得更大的产能,因而风机系统有向更大
规格发展的趋势。不过,系统越大(因而产能越高),
当系统出现故障时所蒙受的损失也越大。换句话说,可
靠性和正常运行时间极为重要。”(欧洲咨询公司)
6
7
资料来源:风能源-事实。EWEA
资料来源:2009年世界市场发展动向。BTM Consult
B-状态监控系统将变得更加普遍
基于以下若干原因,通常用来对齿轮箱、轴承和发电机进
行监视的状态监控系统将极有可能在未来被广泛采用。
首先,风机尺寸不断增大使营运商在一旦发生故障时蒙受
巨大的损失并支付昂贵的修理费用。营运商因此更愿意投
资监控系统以便在早期就能检测到任何潜在的问题,进行
预防性维护,从而最大程度减少停机意外的发生。
“其它一个重要的因素是风机的尺寸。如果我拥有一台
价格二百万美元的机器,而齿轮箱就花费五十万美元,
那么我一定想使用状态监控系统。”(美国风场运营
商)
其次,运营商认为,状态监控对海上风机比对陆上风机更
为重要,因为海上风机不易接近且维护成本高。因而海上
风场的增加势必将带动状态监控系统的增长。
“其主要目标是尽可能将平均故障间隔时间保持在最
低,尤其是海上风机,因为海上风机的维护需要花费更
高费用并承受更大风险。因此,状态监控至关重要,尤
其是不易接近的海上风场。”(欧洲风场运营商)
对改善成熟市场中风机效率的日益关注也可能刺激对变桨
系统的兴趣,因为这些系统可通过减小摩擦和/或更好利用
风能帮助改善风机操作。
第三,运营商们认为位于恶劣环境条件下的风机更需要状
态监控。如我们前面所看到的,位于此等地点的风机数量
可能随着时间的发展而不断增加。
此外,风机尺寸的增大也将会提高变桨系统的重要性,因
为变桨控制系统可有效管理载荷,从而减少对元器件的磨
损,同时最大程度缩短停机时间,并延长使用寿命。
“如果风机位于风速极强的环境中,其发生故障的几率
较高,因此我们会在强风风场安装状态监控系统。”
(欧洲风场运营商)
第四,保险公司越来越多地要求为海上风机安装状态监控
系统,而且对于安装此系统的陆上风机可能会提供较优惠
的条款。
“保险公司在过去的两到三年里已经开始询问状态监控
并更多要求健康监控,尤其针对海上风机。”(美国风
机制造商)
最后,大型公用事业公司更加愿意投资状态监控系统,因
为他们在其它发电形式中已经采用此类系统并清楚了解该
种系统所提供的价值。
C-变桨控制系统也将日益重要
可能更加关注变桨控制系统
如前所述,准确预测能力以及符合并网规范要求的能力将
随着风能发电量在总发电量中份额的不断增大而日益重
要。其中的一些要求可通过改变风场输出来满足,而如果
风场使用变桨控制风机,实现此目的则相对容易一些。随
着这些要求变得日益严格,改进的变桨控制系统在满足这
些要求方面所起的作用可能将会不断增大。
也可能更多地采用独立变桨控制(IPC)技术
独立变桨控制可实时动态调节每个叶片的桨距以优化叶轮
载荷,因而也可能在将来得到更广泛采用。参与调查的作
答者都对此项新技术表示了浓厚的兴趣。
“对IPC技术的采用将会显著增长,尤其是在超大型风
机中,因为桨叶尺寸越大,桨叶和塔架上的负荷越高。
IPC允许对主轴上的负载更好地控制。”(欧洲咨询公
司)
“对风力条件的更精确反应将提高风机的使用寿命和收
入,因此值得投资。”(日本风场)
结论
风机制造商须以经济高效的方式应对风场营运商不断变化
的需求,从而保持在这个以双位数增长市场中的竞争力。
风机制造商须应对的主要课题包括:
寻找可经济高效地满足对更高可靠性需求的解决方案。
变桨控制是需要更多关注的关键系统。
满足对状态监控系统日益增长的需求。
协助风场运营商满足日益严格的并网规范要求。
有效应对这些挑战的同时满足客户的期望,这项任务极其
艰巨,而且风机制造商也不可能凭一己之力独自来完成。
与深入了解这些要求的关键的子系统供应商建立互惠互利
的合作关系将会是取得成功的一个关键因素。
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