انتخاب استراتژی تعمیر و نگهداری مناسب برای بهبود هزینه بهره وری سیستم های بادی در دریا

چکیده

کلمات کلیدی

1.مقدمه

2. مدل خرابی (از کار افتادگی) توربین بادی

3. روش شناسی

3.1. خلاصه ای از رویکرد پیشنهاد شده

3.2. رویکرد بهینه سازی شده  تعمیر و نگهداری مجزا پویا

3.3. رویکرد بهینه سازی تعمیر و نگهداری گروهی 

4. نتایج

4.1 داده های ورودی

4.2 هزینه تولید  برق و افت تولید در طول فعالیت های تعمیر و نگهداری

4.3. برنامه تعمیر و نگهداری مجزا

4.4. برنامه  تعمیر و نگهداری گروهی

5. نتیجه گیری

اهداف این مقاله ارائه روشهایی برای تعیین برنامه های تعمیر و نگهداری مطلوب برای سیستم بادی در دریا می باشد که هزینه های نگهداری آن را به حداقل برساند. هدف رویکردهای پیشنهادی به منظور ارائه برنامه های تعمیر و نگهداری مطلوب برای هر مولفه با استفاده از یک رویکرد پویا و برای مولفه های چندگانه با پیشنهاد یک الگوریتم برای بهینه سازی برنامه های نگهداری چندگانه گروه بندی شده است. برای افزایش دقت برآورد هزینه نگهداری در رویکردهای پیشنهادی، تعدادی از پارامترهای تاثیرگذار مانند قابلیت اطمینان سیستم، مقرون به صرفه بودن، شرایط آب و هوایی، مدت نگهداری، افت تولید برق در طول تعمیر و نگهداری، قیمت برق بازار و محل استقرار سیستم بادی دریایی همه در نظر گرفته شده است. اولا، یک استراتژی نگهداری پویا برای تعیین یک برنامه نگهداری مجزای مطلوب برای هر مولفه در توربین بادی دریایی پیشنهاد شده است، که در آن میزان خرابی و هزینه نگهداری پارامترهای بحرانی برای مدل هزینه تعیین شده است. سپس، یک استراتژی بهینه سازی شده تعمیر و نگهداری گروه بندی شده برای تعیین برنامه نگهداری گروه بندی که فعالیت های تعمیر و نگهداری چندگانه گروهها را به فعالیت تعمیر و نگهداری گروه بندی اختصاص می دهد پیشنهاد شده است. نتایج نشان می دهد که برنامه نگهداری مجزا و برنامه نگهداری گروهی ممکن است به طور متوسط صرفه جویی در هزینه تعمیر و نگهداری را بمیزان بیش از 2.33٪ و 4.56٪ در برنامه تعمیر و نگهداری پایه باعث شود.

انرژی های تجدید پذیر یکی از مهم ترین راه حل ها در بسیاری از کشورها برای دستیابی به تامین انرژی پایدار و حفاظت از محیط زیست است. در کنار منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی، زیست توده، انرژی زمین گرمایی، انرژی آبی، انرژی موج و جزر و مد، انرژی باد دریایی به طور فزاینده به دلیل مزایای فوق العاده ای مانند فضای نصب نامحدود و منابع باد قوی، جلب توجه میکند. همان طور که در شکل 1 نشان داده شده است، ظرفیت باد نصب شده در سرتاسر جهان از 801 مگاوات در سال 2006 به 3.01 گیگاوات در سال 2010 افزایش یافته و در سال 2016 به 12.63 گیگاوات رسیده است (در مجموع 3589 توربین بادی دریایی). با این حال، به دلیل اینکه سیستم باد دریایی دور از خط ساحلی است، هزینه نصب و نگهداری سیستم باد دریایی بسیار زیاد است. با توجه به نظر کرس و همکاران، هزینه نگهداری سیستم باد دریایی 18 تا 23 درصد هزینه کل در طول عمر مفید است که پنج برابر بیشتر از هزینه نگهداری در سیستم بادی است. برای افزایش کارآیی سیستم باد دریایی، لازم است که هزینه های تعمیر و نگهداری با بهبود کارایی فعالیت های تعمیر و نگهداری کاهش یابد. هدف از برنامه ریزی تعمیر و نگهداری تعیین یک برنامه تعمیر و نگهداری دقیق است که ممکن است بهینه بودن سیستم را با حداقل هزینه تعمیر و نگهداری فراهم کند. برنامه ریزی تعمیر و نگهداری برای سیستم باد دریایی پیچیده و چالش برانگیز است. اگر فعالیت های تعمیر و نگهداری ناکافی باشد، سرعت شکست افزایش خواهد یافت و قابلیت اطمینان سیستم کاهش خواهد یافت. در غیر این صورت، اگر فعالیت های تعمیر و نگهداری بیش از حد انجام شود، قابلیت اطمینان سیستم تضمین میشود، اما هزینه های تعمیر و نگهداری ممکن است تا سطح نامطلوب افزایش یابد. به طور کلی، سه نوع روش تعمیر و نگهداری در سیستم باد وجود دارد از جمله روش تعمیر و نگهداری اصلاحی ، تعمیر و نگهداری پیشگیرانه و تعمیر و نگهداری مبتنی بر شرایط. در مقایسه با تعمیر و نگهداری پیشگیرانه و نگهداری مبتنی بر شرایط، روش تعمیر و نگهداری اصلاحی ممکن است از تعمیرات غیر ضروری و بازرسی سیستم باد جلوگیری کند، اما نرخ خرابی و دست نیافتن به هدف در این روش بیشتر است و قابلیت اطمینان به سیستم بدتر میشود. تعمیر و نگهداری مبتنی بر شرایط با استفاده از تجهیزات ویژه برای بازرسی و نظارت، شرایط تجهیزات واقعی را ارزیابی می کند. تعمیر و نگهداری مبتنی بر شرایط معمولا نیاز به سیستم های نظارتی پیچیده و تجهیزات گران قیمت دارد. در حال حاضر، روشهای تعمیر و نگهداری اصلاحی و تعمیر و نگهداری پیشگیرانه روشهای اصلی تعمیر و نگهداری برای سیستم باد هستند. شکل 1: ظرفیت انرژی باد دریایی نصب شده اروپایی در سال 2006-2017 تعداد زیادی از مطالعات برای ارائه برنامه های تعمیر و نگهداری برای سیستم باد دریایی منتشر شده است. بوور، آندراواس و همکاران٬ بسنارد، وانگ، هافمن، رادمارکس و همکاران و التالجی و همکاران برنامه های تعمیر و نگهداری مختلف سیستم باد را مورد بررسی قرار دادند. اسچو و همکاران فاز عملیاتی یک مزرعه باد را با تاکید ویژه بر مدل سازی خرابیها و اجرای مدل در MATLAB شبیه سازی کردند و تأثیر تغییرات ناوگان نگهداری را مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد که صرفه جویی در هزینه 780 میلیون یورو به طور متوسط در هر توربین می تواند به علت افزایش ارزش های موجود در ناوگان تعمیر و نگهداری از 62 درصد به 93 درصد برسد. بسنارد و برتلینق٬ شافی و همکاران و تیان و همکاران روشی را برای بهینه سازی تعمیر و نگهداری مبتنی بر شرایط برای تیغه های توربین بادی ارائه دادند که خرابی (فرسایش سیستم به مرور زمان) می تواند بر اساس شدت آسیب طبقه بندی شود. یک مدل هزینه نگهداری برای توربین باد دریایی پس از استراتژی نگهداری پیشگیرانه چند سطحی توسط شارکر و فیض معرفی شد. ژانگ و همکاران یک روش نگهداری فرصت طلبانه برای توربین های بادی را با توجه به اقدامات نگهداری مختلف بر اساس تجزیه و تحلیل قابلیت اطمینان پیشنهاد کرد. ایروان و همکاران و دای و همکاران مسیریابی نگهداری و برنامه ریزی برای مزارع بادی دریایی را برای یافتن هزینه حمل و نقل بهینه و مسیریابی مناسب کشتی مورد بررسی قرار دادند. آفانسیوا و همکاران، گان و همکاران٬ وو و همکاران و سیال و همکاران تأثیر هزینه نگهداری را بر ریسکهای مالی پروژه های بادی ارزیابی کردند. مطالعات زیادی درباره تاثیر پارامترهای فنی بر تولید برق وجود دارد. شرایط محیطی از قبیل سرعت باد بر تولید برق؛ تخمین قابلیت اطمینان سیستم یا محل مناسب برای نصب سیستم باد دریایی تاثیر دارد. با این حال، تنها تعداد کمی از مطالعات برای ایجاد یک مدل تعمیر و نگهداری از پارامترهای مختلف (قابلیت اطمینان سیستم، مقرون به صرفه، شرایط آب و هوایی، تولید برق، قیمت برق بازار و محل استقرار سیستم باد در دریا) استفاده می کنند. به طور خلاصه، نشریات در حال حاضر به طور عمده بر موارد زیر تمرکز دارند:(i) برنامه های تعمیر و نگهداری برای توربین بادی مجزا یا یک ترکیب مجزا توربین بادی؛ (ii) بررسی انواع مختلف روشهای تعمیر و نگهداری توربین های بادی مانند روش تعمیر و نگهداری پیشگیرانه، تعمیر و نگهداری اصلاحی و تعمیر و نگهداری مبتنی بر شرایط؛ (iii) برنامه های تعمیر و نگهداری با دوره تعمیر و نگهداری ثابت (آستانه زمان)، جایی که یک فعالیت تعمیر و نگهداری در طی دوره ثابت انجام می شود. علاوه بر این، برخی از مطالعات موجود، برنامه های تعمیر و نگهداری را بر اساس فرضیات تئوریک ارائه می دهند که هزینه نگهداری سیستم باد دریایی به میزان شکست (از کار افتادگی) سیستم بستگی ندارد. و مدت نگهداري و هزينه توليد را مي توان نادیده گرفت. برنامه های تعمیر و نگهداری موجود براساس یک مولفه مجزا به نظر نمی رسد برای سیستم باد مدرن مناسب باشد. علاوه بر این، برنامه تعمیر و نگهداری موجود با دوره تعمیر و نگهداری ثابت و برنامه های تعمیر و نگهداری موجود با پیش فرض های تئوری (صرف نظر از میزان شکست، مدت نگهداری و هزینه خسارت تولید) قادر به ارزیابی دقیق هزینه های تعمیر و نگهداری و بهره وری اقتصادی سیستم باد نیستند . این مقاله رویکردی برای تعیین برنامه های تعمیر و نگهداری ارائه می دهد که می تواند هزینه های تعمیر و نگهداری را کاهش دهد در حالی که قابلیت اطمینان سیستم را تضمین می کند. فاصله تعمیر و نگهداری به صورت پویا تنظیم می شود تا از فعالیت های تعمیر و نگهداری نامناسب اجتناب شود. برنامه های تعمیر و نگهداری پیشنهادی می تواند برای مولفه های مجزا یا چندگانه در سیستم باد دریایی استفاده شود. علاوه بر این، تأثیرات میان اجزای مختلف برای گروه بندی فعالیت های تعمیر و نگهداری چندگانه به منظور بهبود هزینه های عملیات تعمیر و نگهداری مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد. پارامترهای مانند قابلیت اطمینان سیستم، شرایط آب و هوایی، مدت نگهداری، از دست دادن تولید برق در طی تعمیر و نگهداری، و موقعیت مکانی باد در دریا به دقت مورد توجه قرار می گیرد تا دقت مدل های پیشنهادی افزایش یابد. این مقاله در پنج بخش تشکیل شده است که در آن دو بخش مدل خرابی (از کار افتادگی) توربین بادی دریایی را توصیف می کنند. بخش سوم مدل ریاضی پیشنهاد شده را نشان می دهد. کارایی مدل بکار گرفته شده در تایوان به طور خاص در قسمت چهارم مورد ارزیابی قرار می گیرد. در نهایت، نتیجه گیری ها در بخش پنج خلاصه ای از این مقاله را ارائه می دهد.