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誰來看守離岸風機?

監控系統提供了風機運維最基本的資料, 風場營運商可以藉由監控資料分析風機目前的功率、性能衰退的情況, 然後做出正確的運維決策。
 
 
國內首座離岸示範風機(單機4 MW)。
▲國內首座離岸示範風機(單機4 MW)。
 
 在各種再生能源技術中,風力發電是最成熟的技術,其發電成本已可和傳統的火力發電競爭。為了減少溫室氣體的排放,世界各國都積極發展風力發電,尤其是離岸風力發電。全球離岸風電預估在2020年前可以達到75 GW,其中中國大陸與美國將有顯著貢獻,歐洲風能協會則計劃於2030年達到150 GW,經濟合作與發展組織更預測同年的離岸風能可以增加逾2,000億美元的價值,風力發電的盛況與前景規模由此可見一斑。 

 

全球最佳風況區台灣佔八成 離岸風電前景可期

 
平均風速的量測數據顯示,在全球風況最佳的20個地區中,台灣海峽就占有16處位置,達8成之多,而其總裝置容量高達29 GW,可提供2千萬戶的年用電量。政府於2012年公布「千架海陸風力機」計畫,期望在2030年達成累計容量超過4 GW離岸風場的建置,約等於核二與核三發電量的總和。從以上的資料可看出國內離岸風場的開發正如火如荼地展開,目前的第一個目標是在2020年完成520 MW裝置容量離岸風機的建置,第二個目標是在2025年完成5.5 GW的建置。
 
離岸風機設置於海上,主要的優點是可以獲得比較好的風場(沒有地貌及建築物干擾風速),還可以降低視覺的衝擊,也不會對鄰近的居民產生噪音干擾。
 

台灣高溫、高濕、有颱風 如何維護風機是一大挑戰

 
台灣離岸風場的設置地點,因為考慮保護中華白海豚棲息地的因素,需要離海岸6公里以上。但也因為風機設置於外海,運轉維護的困難度提高,價格也更昂貴。美國通用電氣公司曾報導,有架離岸風機要更換一個價值約5千美元的軸承,卻因維修過程中需動用大型吊車、作業人員、齒輪箱更換、發電機重新繞線等,導致總費用竟高達25萬美元,更換作業期間沒有發電收入的損失尚需另計。
 
台灣的離岸風機必須承受颱風、鹽分、高溫、高溼、波浪及海流的侵蝕等環境挑戰,離岸風機的運維費用估計達整體收入的20~25%(甚至更高),如何確保設備的可用率及降低運維成本,是離岸風場經營上重要的課題。有鑑於傳統的定期保養成本昂貴,甚至可能因不當施工反而造成設備故障;若發生故障時再處理,又常會演變為事態擴大、不預期停機等情況而使得成本劇增。因此離岸風機必須能夠監控本身重要元件及運作,從適當的訊息中判讀情況以防患於未然。

 

離岸風機監控系統大拆解

 
離岸風機的監控系統主要功能與目的是維持離岸風機的正常運作,以下分項介紹離岸風機配備的各種監控系統,包含:風機的監控及數據蒐集系統、狀態監控系統、基樁的淘刷監控系統、塔柱結構健康的監控系統、葉片表面損傷的監控系統、腐蝕監測系統。
 
   監控及數據蒐集系統
 
監控及數據蒐集系統是一種讓操作者可以對工廠或工業流程,由遠端取得設備數據及發送控制指令的技術。這個系統具備直接數位控制、分散式控制及大範圍分布場域的應用,包含主控制單元與多個遠端控制單元,遠端控制單元再和分布在場域中的感測器通聯。
 
這個系統具備的功能有人機介面、通訊、資料採集、監測、控制、資料計算擷取和產生報告。一個風場平均設有幾十隻以上的風機,風機和風機之間的距離與風機的直徑成正比,一般至少相距300公尺以上。
 
離岸風場遠離岸邊且分布面積遼闊,風機又是高價格設備,必須維持高可用率,因此每部風機都裝有監控及數據蒐集系統,用來控制風機的操作以及起動和停止,並以10分鐘的時間間隔蒐集風機的各種運作數據,包含:環境的條件,如溫度、風速、風向;風機運作的狀態,如產生的功率;葉片轉速;葉片旋角;機艙內的溫度及機艙內不同設備(如發電機、軸承、潤滑油)的溫度資料。
 
系統蒐集到的資料會存在資料庫中,用來計算風機的可用率(風機實際發電的時間和風機可以發電時間的比率)與發電量,然後計算風機的容量因子(風機的實際發電和最大發電量的比率),同時在風機操作發生問題時送出警告碼或錯誤碼。這套監控系統提供風機運維最基本的資料,風場營運商可以藉由監控資料分析風機目前的功率、性能衰退的情況,然後做出正確的運維決策。
 
   狀態監控系統
 
風機都配備監控及數據蒐集系統,提供十分鐘平均的操作狀態資料。目前新風機更可能提供數以百計的各項訊號,包含各組件的溫度、壓力、電氣特徵訊號、塔架振動等。但有大型研究指出,利用蒐集的資料庫與現有操作狀況的資料比對,雖然可提供風機元件劣化趨勢分析,但是故障的辨識率仍低於7成,不適合做為唯一的狀態監控系統。國際認證機構的認證規範也要求監控及數據蒐集系統之外的監控系統。
 
長期應用於產業的實績顯示,狀態監控系統通常以設備振動訊號分析為主流。主要是用加速度感測器量測風機驅動鏈的各主要元件的振動狀況,這種系統稱為條件狀態監控系統。
 
行星齒輪的示意圖
▲行星齒輪的示意圖
 
一般可用條件狀態監控系統的訊號來分析的元件狀態都屬於定轉速的系統,但風機葉片轉速會隨著風速不斷變化,使得驅動鏈的振動狀況變得非常複雜。風機驅動鏈的升速比約高達120,風機一般使用行星齒輪來達到這樣的升速比。風機葉片受風力推動而帶動數顆行星齒輪,在固定大環齒輪的情況下,可於太陽齒輪產生升速的效果。接著經由兩階段平行軸系的升速達到整體升速比,可使每分鐘15轉的風機葉片經由這三個階段升速,達到每分鐘約1,800轉,順利驅動發電機。
 
當風機葉片轉速變動時,驅動鏈各元件的振動特徵頻率也會隨之改變。若直接以測得的加速度時間訊號進行頻譜分析,會因負載與轉速的變動而無法顯現驅動鏈中各齒輪、軸承元件的故障特徵,便無法進行有效的狀態監控。
 
為了改善上述問題,可運用轉速感測器提供的轉軸定位資訊,把原先由於轉速變動造成的每圈時域樣本數量不均的情況,經由重取樣而取得每圈一致的轉動角度樣本數,以利後續的分析。在軸承的監控方面,軸承的內圈、外圈、保持架、滾子都有其獨特的特徵頻率,追蹤這些特徵頻率可鑑識軸承損傷部位,但由於損傷處造成結構衝擊的頻率響應很大,常掩蓋這些特徵頻率的顯現。這樣的情況可用包絡分析來改善,包絡頻譜可把結構本體承受衝擊的頻率響應濾除,而凸顯軸承的特徵頻率以供監控用。
 
目前有多個商用系統可用來監控離岸風機的狀態,但由於離岸風機運轉狀態複雜,仍有很多地方待進一步的研究。不同的狀態監控技術各有其優勢與缺點,如何有效結合振動監控與其他先進技術,並參考監控及數據蒐集系統提供的操作狀態資訊,對離岸風機進行整合性監控,以充分發揮狀態監控系統的效能,值得進一步深入研究。
 
   結構健康監測
 
結構健康監測就是利用非破壞檢測的技術,得到包含結構響應在內的結構系統特性分析,達到檢測結構損傷或退化的目的。當人生病或受傷時,小症狀多半只要到診所看醫生、吃藥、多休息,身體就會逐漸康復;嚴重者則到大醫院進一步診斷與治療。對於終年位於外海的離岸風機而言,樁柱會因長期浸泡於海水中而侵蝕,樁柱基礎還受到自身振動、風力、海洋力(波浪及海流)或地震等外力作用,導致樁柱結構或固著強度改變,對風機本體安全性造成影響。
 
離岸風機位在外海,維護難度高,無法像人體擁有自癒能力,如何「早期診斷,早期修復」,結構健康監測系統扮演重要角色。離岸風機結構健康監測系統必須在風機上裝設各式感測器,進行訊號量測及分析,提取對結構損壞敏感的指標數據,透過監控各類指標數據判別結構健康狀況。離岸風機機組主要分為風機葉片、風機旋轉機械結構及支撐結構三大部位,不同檢測方法使用於不同部位。
 
檢測方法包含:聲發射檢測法─利用傳感器量測結構產生裂紋時所釋放的應力波,以監測裂紋發生位置,主要應用於風機葉片;熱成像法─量測結構表面下的溫度梯度,以檢測材料表面下的缺陷,主要應用於風機葉片;超音波檢測法─把超音波通過待測物並在另一端接收,以檢測待測物內部的缺陷,主要應用於風機葉片;疲勞與模態參數檢測法─量測結構振動訊號並得知其共振頻率、阻尼係數、模態曲率等參數,透過參數的變化判定健康狀況,主要應用於支撐結構、旋轉機械結構;應變檢測法─量測物體應變並判定其健康狀況,主要應用於風機葉片、支撐結構。
 
結構健康監測是一門多元化的學問,包括結構動力學、感測器技術、訊號處理、統計分析、電腦演算法等專業知識,也需要各個領域的專業人才進行資源共享及統整。離岸風機健康監測系統近年來成為許多研究團隊著手研究的主題。
 
從文獻研究報告看來,目前大多數研究團隊是針對訊號處理、統計分析及電腦演算法三方面進行研究。訊號處理包括感測器訊號的預處理及結構動態參數識別;統計分析及電腦演算法則針對因為自然環境造成的結構動態參數改變所進行的研究,目的都是為了區分結構動態參數改變的原因是由環境或結構損壞所造成。有許多文獻針對局部損壞前後對風機結構動態參數的影響進行研究,也有越來越多的文獻針對損壞區域定位的方法進行研究,期望能透過動態參數改變定位出局部損壞的區域。
 
應力應變監測系統的示意圖
▲應力應變監測系統的示意圖
 
應力應變監測預警系統可透過量測到的應變規訊號預測出桿件最大應力,並針對應力值設定應力危險區、應力警戒區及應力正常區,再利用機器學習方法自動化判別桿件的健康情形,建立自動化預警系統,實時監測支撐結構的健康狀況。
 
   風力發電機葉片監控
 
現階段與診斷風機葉片損傷相關的技術,有利用振動訊號、超音波量測及聲發射測量3種。
 
目前利用振動訊號分析的做法是使風機停機,取下葉片或在風機上直接敲擊葉片量取其振動訊號再分析。超音波分析的做法是在葉片上輸入超音波訊號,量取超音波在傳輸路徑上受結構影響所造成的訊號改變,進而分析結構有無損傷。聲發射的測量方式則是預先置入感測器,當結構物損傷後出現裂縫時,會有聲發射訊號的出現,利用這個訊號可以知道結構出現損傷,也可以推測結構損傷位置。但這種方法必須隨時量取訊號,以避免錯失結構裂開瞬間的聲發射訊號。
 
前述3種方法都需要先停機或拆下葉片,對於營運中的風機會造成干擾,相當不方便。目前最新的做法是在葉片製作過程中就預先埋入光纖感測器,作為監控葉片狀態用。
 
然而,上述葉片損傷診斷技術探討的現象,都發生在結構已經損傷的情況下才有較明顯的特徵出現。但這時已經必須更換葉片,若能先在葉片出現輕微損傷時即刻給予即時修補,可避免葉片結構在損傷的狀態下繼續運作導致更嚴重的損壞與更換葉片,也是最省成本的做法。對風機營運而言,最理想的狀態是在風機20年的壽命期中,風機葉片僅做表面修補而不用更換。
 
目前對葉片的監控是採用人耳聽取葉片運轉的噪音,據以判斷葉片表面是否已損傷,以作為維修的依據。有鑑於此,臺灣大學的風機研發團隊發展出一套以風機運轉噪音來診斷風機葉片表面損傷的方法,可以在葉片發生損傷的初期及不干擾風機營運的情況下,利用風機運轉時產生的噪音來診斷葉片表面的健康狀況,發生損傷的葉片運轉時會產生比正常葉片運轉時更高頻的噪音。
 
這個技術可量化人耳所接收到的噪音訊號,未來若應用在環境更複雜的離岸風場中,會更安全、可靠。在及早發現、及早治療且不需停擺風機運作的情況下進行監控與診斷,更可有效降低維護成本,有助於國內風機產業發展。
 
歐洲離岸風場常見淘刷監測系統的示意圖
▲歐洲離岸風場常見淘刷監測系統的示意圖
 
   離岸風機基礎的淘刷、監測與預警
 
在近岸海域的海床會在波流作用下造成漂砂移動,海床地形在漂砂沉降與運移達到平衡時趨於穩定,也就是看似穩定的海床地形其實隨時處在動態平衡狀態中。當離岸風機基礎設置於海床,就會對既有的平衡造成破壞,因而產生基礎淘刷。從歐洲發展離岸風電的經驗得知,基礎淘刷已是風場運維的重要議題之一,基礎淘刷的深度過大可能導致基樁傾斜,甚至基樁自然振動頻率改變等問題。
 
從過去歐洲離岸風機基礎淘刷監測與預防經驗,發現主要的因應對策多以「平衡淘刷深度」分析後,再利用拋石等材料施作基樁保護工程。然而近年來透過基礎淘刷的監測發現,保護工程的施作邊緣與原來床底質在波流作用下產生交互作用而發生「邊緣淘刷」,造成保護工程的塊石滑落後遭掩埋,甚至大量流失,最後導致部分風場必須每年進行回填及補拋塊石保護工程,增添運維成本。
 
台灣海峽除了冬夏季季風作用外,從海峽兩側進入的潮波在苗栗到雲林一帶產生最大潮差。此外,在每年平均3.7個侵台颱風的影響下,基樁淘刷問題比歐洲更加嚴峻,因此風機基樁淘刷的監測成為台灣發展離岸風電的運維重點。
 
歐洲經驗對於基礎淘刷的控制迄今仍沒有完全有效的工程手段,多以淘刷監測配合定期回填,另搭配創新保護工程的設置等。然而目前仍然沒有任何保護工程能徹底防止基礎淘刷。以英國早期示範風場Scroby Sands為例,初期設置基樁時,平均每年基礎淘刷深度是5.0 m,最大是5.8 m;施作基礎拋石保護工程後,最初5個月確實能有效減緩基樁周邊淘刷,但隨著邊緣淘刷發生造成拋石位移,即使定期回填但很快又發生淘刷現象,必須不斷編列維護經費定期回填。
 
近十餘年來歐洲離岸風電基樁淘刷成為風場運維的重要議題,相關淘刷監測系統也已發展成熟。其主要原理是利用潮波流儀(Acoustic Doppler Current Profiler, ADCP)搭配單音束或多音束測深儀放置於主流向或主波向0度及180度位置,定期進行水深測掃。
 
然而,淘刷的監測系統由於儀器昂貴,整體成本過高,往往先透過數值模擬或水工模型試驗分析,只安裝在風險較高的基樁上。數值模擬所使用的海象條件是由過去長期觀測或推算而來,加上數值模式有其極限,模擬預測仍有誤差。未設置淘刷監測的基樁仍可能因淘刷而造成風險,加上台灣海峽風能優異廠址海域使用功能重疊、颱風頻繁,監測系統受到外力撞擊後損壞的風險過高,並不適用於台灣海域。
 
NEPII離岸風機基礎淘刷預警系統作業示意圖
▲NEPII離岸風機基礎淘刷預警系統作業示意圖
 
科技部支持的能源國家型科技計畫NEPII離岸風電主軸計畫團隊發展出適合台灣本土型的監測系統,透過數值模擬分析不同情境下颱風可能造成的基礎淘刷深度與風險較高位置後,埋設漂浮球於該深度位置。未來若淘刷持續發生至漂浮球位置,浮球就上浮並利用重力開關喚醒系統發出警報,開始量測淘刷瞬間的流速與環境資訊,以有效達成預警任務。這浮球裝置成本低且國內能自製,未來能廣泛應用於風機淘刷預警,再加上能記錄淘刷瞬間水動力機制,將有效提供防治工程設計依據。
 
   腐蝕監測
 
台灣位處於亞熱帶,高溫高溼高鹽分的海洋環境使得離岸風力發電機組件面臨嚴重的腐蝕問題。風機材料的腐蝕一旦發生,不但造成財產的損失,更嚴重時會導致風力發電結構材料整體的耐久性、安全性大幅降低,甚至有倒塌毀損的可能。
 
目前最普遍及有效的風機防腐蝕方法,是在離岸風機外部塔架與海水接觸的部分披覆上高效能的抗蝕塗層,來達到抗蝕及保護的功能,以確保離岸風機在嚴苛的環境中可以持續運轉10年至20年。然而,抗蝕塗層在海洋環境中仍會劣化而失去保護效果,加上離岸風機一般設置於非航道區,人員無法頻繁前往現地維護及修補,因此腐蝕及塗層健康狀態監測成為重要的課題。
 
由於腐蝕是一種電化學的反應,加上電化學法有量測速度快、靈敏度高、可長時間監測等優點,因此電化學檢測法受到很大的重視。隨著電化學技術的不斷演進,現今常見的腐蝕檢測方法如交流阻抗頻譜法、線性極化電阻量測等,都是基於電化學理論所衍生出的應用。其中交流阻抗法是一種以小振幅的交流電位為擾動信號的量測方法,具有非破壞檢測的優點。
 
近年來交流阻抗頻譜法廣泛應用於評估腐蝕程度及塗層健康狀態的研究,藉由簡化恆電位儀的設計及評估塗層於交流阻抗頻譜中低頻阻抗值的變化,可以有效監控塗層於目前的環境是否具有足夠的保護性。
 
當監測儀監測到塗層的低頻阻抗值高於臨界值時,代表塗層仍具有足夠的保護性。相反地,當低頻阻抗值低於臨界值時,代表塗層已經失去其保護性,便可派遣維修人員前往現地進行維護工作。腐蝕監測除了可以透過離岸風機不同區域的不間斷監測,診斷其塗層健康狀態是否保持在設計指定的範圍裡,更重要的是能夠及早透過監測過程得知塗層保護性是否有因為劣化產生下降的現象。一旦腐蝕監測儀提供的數據讓管理者發現異狀,可提早對離岸風機進行維修作業。 
 

除了積極設置離岸風機 維修保護才能永續經營 

 
在2018年經濟部能源局透過遴選機制核定3.836 GW的建置容量,競價機制核定1.664 GW,合計5.5 GW容量,須在2025年完成離岸風場的建置。離岸風場的設計一般有20年至25年的生命周期,在這段期間如何維持離岸風機的高可用率及高容量因子,是台灣建置離岸風場必須思考的問題。台灣由於市場規模不大,國內的廠商不願投入風機的開發製造,因此目前採用的風機都是外商製造。然而離岸風場位於台灣西部沿岸,這20年的運轉維護工作勢必需要依賴國內相關產業的能量投入,離岸風場才能有效地營運。
 
 
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