標準剖析 | 談風電機組延壽技術及服務與相關標準分析
本文作者：UL 張世惠 / 黃一淩 / 周毛
風能發展時值今日已逾數十載，坊間已有風電機組運行近 20 年的要求年限，故面臨了淘汰抑是繼續升級改造的兩難抉擇。UL DEWI 以多年為風電機組延壽專家經驗，能為設備進行檢查、建模、技術模擬和檢測分析，確定風電機組及其部件可能剩餘有用壽命，助客戶最大化其資產價值。
按照 GB/T18451.1/IEC61400-1 標準，要求風電機組設計壽命至少 20 年。風能發展至今，已有機組正面臨已經甚或接近設計壽命，因此必須確定其整機或主要部件的壽命損耗及剩餘可用壽命 (RUL)。而依近十多年來的風電裝機容量快速成長，意味著在不久的將來，可能有更多的風電機組處於其設計壽命的終結點。
風電機組在運行後期時會發生更高的故障率無可厚非，業主終將來到需 (提前) 報廢拆除，還是評估、改造及升級、延長壽命後繼續運行的困難抉擇。相較機組延長壽命與新建更大單機容量機組的成本和效益評估，尤其在山區和海島等複雜地形，其實大型機組建設更形困難及昂貴。
〈圖一〉風電機組壽命週期
提升風電場資產回報效益
一般主要影響一個風電場資產回報率 (內部收益率) 有四大面向：設備可用率、風電場發電效率、維護成本、機組壽命及延長。
一、設備可用率
即風電機組的可用率，為影響風電場內部收益率最大主因素。通常要求機組單台可用率達到 95% 以上才能達到風電場正常效益的需求。而欲達此目標，必須分析機組大 / 小部件故障率、風電場運作維護策略及水準、備品備件的供應等。不過若採用更可靠的機組和設備 (高可靠部件配置) 或可靠性提升的技術改造，以及高水準的維護團隊與充分及時的備件供應，則風電機組可用率可望提升 3% 或以上。
二、風電場發電效率
可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；但機組控制策略、風電機組機群控制策略、監控系統 (SCADA) 的優化控制、AGC/AVC 系統控制皆可能影響風電場發電效率。而諸如風向標故障、偏航錯誤等影響風能最佳轉換效率、葉片表面附著污染物所引起空氣動力學性能下降，皆會導致風能轉換效率下降。不過進行技術升級改進措施仍可提升風電設備風能轉換效率，如葉片延長、渦流發生
器，可能使發電效率提升 2% 或以上。
三、維護成本
此環節與運作維護模式及策略、管理和技術的持續改進有關。維護方面目前一般可分為業主自主 (包括業主設立的區域檢修公司)、主機廠設備保固期維護、合作廠商維護或檢修等模式。至於可用策略常見包括定期及應急、預防性等。該成本亦受機組本身品質和維修成本及備件價格影響，同時維護團隊人數和成本、維護品質 / 管理、和技術改進水準也有關係。不同的維護方式將能使成本降低達到 10% 或以上。
四、機組壽命延長
風電機組結構的設計，按標準與要求，在正常的風資源和運行工況下為 20 年疲勞壽命；然而實際上的空氣密度、湍流強度等風況皆與標準要求有所不同，故機組設計上通常會比較保守。以此推算，風電機組在運作 20 年後，即有可能發生結構不會全部消耗殆盡，並有更長壽命，因此可進行其剩餘壽命和價值。
風電機組剩餘 / 延長壽命
事實上，應用在不同邊界條件下，風電機組將展現不同敏感度，所以欲確定每個部件的剩餘有用壽命 (RUL) 和延長壽命，就應採用不同的評估方法，包括從技術、專案經濟性及金融風險等下手，確保風電業主可獲最大的投資回報效益。
確定壽命 ── 一台運作多年的風力發電機並非一個封閉且孤立的元素，其乃由多個部件暨個別使用年限、與各自邊界敏感度組成。壽命評估應採用重新計算分析，意即需計算風電機組剩餘使用壽命後，建立實際損傷的模型，同時考慮特定場地的邊界條件，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覆核或重新掃描 (3D) 或測量建模)，以疲勞極限和載荷評估風電機組的結構完整性，才能取得專家等級的剩餘使用
壽命判定結果。
實務上則須包括現場檢查，評估風電機組是否適合繼續運行。此涵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。藉由該檢查結果判斷整個風電機組的狀態。
壽命損耗和剩餘壽命評估 ── 壽命損耗評估為多變數、暫態和多因素耦合組成，如特殊風況條件 (紊流、風切變、流入角度、空氣密度、威布林分佈)、特定運作工況 (瞬變次數、偏航不對中、長期停機工況、覆冰載荷、表面) 以及其他超出部件被設定的使用邊界條件工況，方確定風電機組各自的狀態 (Turbine Own Morphology)，參考〈圖二〉與〈圖三〉。
〈圖二〉以結合有限元計算與試驗方法進行壽命評估
〈圖三〉風電機組有限元分析
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，應執行現場核查、載荷及損傷壽命分析，確定設備和各部件的剩餘壽命後，再決定要否進行延壽的技術改造和升級工作。在實施專案後則必須再評估，以確定延壽的效果。以下為是否延長壽前的分析過程摘述：
- 現場核查：針對風電場與風電機組，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、已有檢查報告的覆審 (葉片、齒輪箱等，若有)、竣工單的覆核 (如有)。
- 文件備檔分析：內容包括 ─ 風電場手冊、技術文件和技術參數的覆審、運作維護歷史報告 (包括溫度及內窺鏡檢查、特殊振動和齒輪箱油樣分析的覆審)、歷史風資源暨發電量和可用率資料覆審、功率曲線評估、基於長壽命週期分析結果和運作條件的存貨 (備品備件) 分析、新 CAPEX / OPEX 資本性支出 / 營運成本評估及財務分析。
- CMS 狀態監視系統評估：此系統藉由對風電設備的溫度、位移、速度、加速度等參數進行即時線上或離線的資料擷取，再採用專家分析系統，包括資料不同角度的特定數學模型下的轉換和計算，獲風電設備的運作狀態並進行故障預警的系統。評估結果將對設備的剩餘有用壽命和技術改造升級決定有極大幫助。
- 延長壽命分析：完成前述檢查過程後，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。一般需要基於一獨特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。接著則對在每個特定風場中的風電機組壽命損耗進行診斷，並提供一個重新定義的風電機組部件設計、剩餘有用壽命。透過設計、模擬、計算、實際檢查和測試，提供一份是否進行延壽技術改造和升級的
報告。一旦決定進行延壽，需在專案實施後再評估，確定延壽的效果。
風電機組延壽標準
基於多年風電機組研究、測試、認證和技術性盡職調查經驗以及風電設備延壽服務專案成功實例等，UL 能為全球的製造商及業主提供風電機組的延壽評估服務。除此之外，由 UL DEWI 在全球主導的風電機組利益方參與風電機組延壽標準編制的工作小組，成員橫跨產官學研逾 40 所單位，包括金風、西門子、歌美颯、遠景等多家跨國性風電機組製造商，以及中國品質認證中心、丹麥技術大學、日本東京大學等機構代表。目前 UL 已經確定了風電機組延壽標準 ── UL 4143 已正如火如荼草擬當中。
綜合來看，藉由對主要部件故障風險評估，將能確定維修或改造的投資能否有相對的回報。而隨著主部件故障率的評估及長期保固維護成本的提升，我們建議採用將狀態檢修方式轉化為預防性維護，將有顯著降低營運管理成本。
另透過對特定風電機組及部件的建模仿真有限元分析及現場檢測，可確定設備的損耗壽命和剩餘有用壽命，來進一步評估風電設備長期的資產價值。此舉能為風電機組延壽提供科學依據，旨達到資產的增值和更長、更合適的債務回報期，讓資產長期價值最大化。
主要作者 ─ 張世惠：現任 UL 在中國的風能首席工程師，自 1984 年進入風電產業，備有多達 33 年經驗。張世惠曾任多個產業協會委員職務，並曾在華北電力科學研究院八達嶺風電試驗站工作近 20 年，同時曾任國家級專家和副總工程師，專長於風電設備檢測鑒定工作。其他歷程包括 2003 年在中國國電集團龍源集團擔任部門主任及集團專家、2008 年在中國風電集團任副總工程師、總經理等。歡迎進一步聯絡：shihui.zhang@ul.com。
參考資料
[1] 《以風電機組葉片延壽為目標的風電場優化調度》，太陽能學報 2013 年 11 期
[2] UL 6141 WIND TURBINE GENERATING SYSTEMS / UL 6142 UL Standard for Safety for Small Wind Turbine Systems
[3] GB/T 18451.1《風力發電機組設計要求》/ IEC 61400-1 Design Requirements
[4] GL-2012, Guideline for the Certification of Wind Turbines
[5] 《300MW汽輪機壽命管理》，華北電力大學碩士論文，2007 年 3 月