-
-
-
-
WhatsApp
-
WeChat
Промышленная Ethernet-связь на морских ветряных электростанциях (Часть 1)
2025-11-04
- Введение
На фоне глобальной ориентации на развитие низкоуглеродной экономики и предложенной Китаем цели «двойного углерода», ветроэнергетика как чистый и устойчивый возобновляемый источник энергии стала центром внимания правительств и энергетических гигантов по всему миру. Благодаря непрерывному строительству наземных ветровых электростанций, все более зрелым технологиям и снижающимся затратам, наземная ветроэнергетика быстро развивалась, и только в 2019 году мировая установленная мощность наземной ветроэнергетики достигла 61,8 ГВт. Однако, ввиду ограниченности пригодных для эксплуатации земель на суше и ресурсов ветроэнергетики, морская ветроэнергетика постепенно стала тенденцией развития. В частности, юго-восточные прибрежные районы Китая экономически развиты, имеют хорошо налаженную энергосистему и богатые ресурсы морской ветроэнергетики, что делает их весьма подходящими для крупномасштабного развития и подключения к сети морской ветроэнергетики.
- Текущее состояние отрасли морской ветроэнергетики
В 2020 году общая мощность новых подключенных морских ветроэнергетических установок в мире превысила 6 ГВт, что примерно соответствует уровню 2019 года. Десятью годами ранее, в 2010 году, общая установленная мощность морских ветроэнергетических установок в мире составляла менее 1 ГВт. При этом доля морской ветроэнергетики в общем объеме новых установленных мощностей ветроэнергетики в мире также выросла с 2,5% в 2010 году до 7% в настоящее время.
2.1
Текущее состояние и тенденции развития зарубежной морской ветроэнергетики
В рейтинге стран по установленной мощности в 2020 году пять крупнейших рынков морской ветроэнергетики в мире составили Китай, Нидерланды, Бельгия, Великобритания и Германия. Отраслевые эксперты прогнозируют, что среднегодовой темп роста мирового рынка морской ветроэнергетики в период с 2020 по 2025 год составит более 30%. Эта оценка основана на следующих причинах:
01
Быстрое снижение стоимости морской ветроэнергетики обусловлено увеличением размера морских ветровых турбин (см. рисунок 2-1), что позволяет существенно сэкономить на первоначальных инвестициях и последующих расходах на эксплуатацию и техническое обслуживание.
Рисунок 2-1 Глобальные тенденции развития морских ветряных турбин
Источник данных: Платформа рыночных данных GWEC, август 2020 г.
02
В связи с тем, что правительства по всему миру повышают свои целевые показатели по развитию морской ветроэнергетики, ожидается быстрый рост азиатских рынков Китая, Вьетнама, Японии и Южной Кореи. На европейском рынке, помимо стран Западной Европы, продолжающих активно развивать морскую ветроэнергетику, страны Восточной Европы также начнут строительство морских ветроэнергетических установок. Кроме того, в 2023 году к сети будет подключена первая крупная морская ветроэлектростанция в США.
03
Индустриализация плавучих ветроэлектростанций (см. рис. 2-2) будет иметь более широкий спектр применения, поскольку конструкция плавучего фундамента подходит для глубоководных районов с глубиной воды от 50 до 200 метров. Согласно докладу «Мировая энергетика», к 2030 году глобальная установленная мощность плавучих ветроэлектростанций достигнет 8–10 ГВт.
Рисунок 2-2. Принципиальная схема плавучей морской ветровой электростанции
2.2
Текущее состояние морской ветроэнергетики Китая
Китайская отрасль морской ветроэнергетики стартовала относительно поздно, но в последние годы её развитие было чрезвычайно быстрым. С 2018 года Китай стабильно опережает другие страны по установленным мощностям морской ветроэнергетики. В частности, в 2020 году мощность новых подключенных сетей Китая впервые превысила 3 ГВт. По совокупной установленной мощности Китай к концу 2020 года обогнал Германию и стал вторым по величине рынком морской ветроэнергетики в мире. Согласно оценкам, основанным на темпах роста морской ветроэнергетики в разных странах, в 2021 году Китай обогнал Великобританию в качестве крупнейшего в мире рынка морской ветроэнергетики.
2.2.1
Масштабы установленной мощности и присоединения к сетям продолжают расти.
Проект морской ветроэнергетики «Шанхайский мост Дунхай» — первый в Китае крупномасштабный проект морской ветроэнергетики, стартовавший в 2006 году, строительство которого началось в 2008 году. В ходе проекта были успешно установлены 34 отечественные морские ветровые турбины мощностью 3 МВт каждая, общей установленной мощностью 102 МВт, что положило начало развитию морской ветроэнергетики в Китае.
В 2016 году Национальное энергетическое управление опубликовало 13-й пятилетний план развития ветроэнергетики и ввело ряд крупных благоприятных политических мер, направленных на стимулирование развития морской ветроэнергетики, что также означает, что развитие морской ветроэнергетики в Китае перешло от стадии «демонстрационных проектов» к ускоренному «быстрому развитию».
В 2020 году морские ветроэнергетические проекты вступили в критический период ускоренного строительства. Согласно статистике, в первой половине года одновременно строилось 30 проектов общей установленной мощностью 12 972 800 киловатт, включая 11 новых проектов и 3 проекта, полностью подключенных к сети.
2.2.2
Мощность единичных ветровых турбин увеличивается с каждым годом.
По данным на конец 2019 года, с точки зрения мощности единичного блока, блоки мощностью 4 МВт имеют наибольшую совокупную установленную мощность, в то время как модель мощностью 5 МВт стала основной для проектов морской ветроэнергетики (см. рисунок 2-3).
12 июля 2020 года первая в Китае ветряная турбина мощностью 10 МВт была успешно подключена к сети и начала вырабатывать электроэнергию на морской ветроэлектростанции залива Синхуа в провинции Фуцзянь, установив новый рекорд мощности для одной морской ветроустановки в Китае. С точки зрения планов развития производителей ветрогенераторов, мощность 8 МВт стала новой отправной точкой, а крупные морские ветрогенераторы мощностью 10 МВт и более были включены в список ключевых моделей развития.
Рисунок 2-3. Процент мощности морских ветровых турбин в Китае на конец 2019 года
2.2.3
Строительство морских ветроэнергетических установок постепенно смещается с прибрежного мелководья в глубоководные и глубоководные районы.
К концу 2019 года общая утвержденная мощность морской ветроэнергетики в Китае достигла 35 миллионов киловатт. В провинциях Цзянсу и Гуандун утвержденная мощность превысила 10 миллионов киловатт, а в провинциях Фуцзянь и Чжэцзян – более 3 миллионов киловатт. Доступные прибрежные ресурсы для дальнейшего освоения ограничены, в то время как Китай обладает обширной зоной пригодных для освоения глубоководных акваторий, которые, как ожидается, станут основным направлением развития морской ветроэнергетики в будущем.
- Требования к оборудованию промышленных коммутаторов Ethernet на морских ветряных электростанциях
Морские ветряные турбины и подстанции строятся в десятках километров от берега, в крайне суровых условиях. Это предъявляет очень высокие требования к оборудованию, особенно к основному коммуникационному оборудованию, в первую очередь к надежности, устойчивости к соляному туману, высоким и низким температурам, а также электромагнитным помехам. Более того, обслуживание морского оборудования ограничено погодными условиями, морскими правилами и режимом работы судов, что делает как аварийное, так и плановое обслуживание крайне сложным, а сроки его проведения крайне непредсказуемы. Это предъявляет чрезвычайно высокие требования к стабильной и надежной работе коммутаторов Ethernet.
3.1
Требования к надежности
Несколько основных показателей надежности оборудования:
1) Среднее время до отказа (MTTF)
2) Среднее время наработки на отказ (MTBF)
3) Среднее время ремонта (MTTR)
3.1.1
Индикатор среднего времени безотказной работы
Одним из важнейших показателей производительности промышленных Ethernet-коммутаторов является среднее время наработки на отказ (MTBF). Наиболее широко принятыми и авторитетными стандартами являются MIL-HDBK-217, GJB/Z299B и Bellcore. Большинство зарубежных производителей промышленных коммутаторов используют американский стандарт MIL-HDBK 217F в качестве эталонного и проводят испытания HALT (High-Accelerated Life Test) и HASS (High-Accelerated Stress Screening) в ходе НИОКР и производственных испытаний, чтобы проверить соответствие MTBF изделия проектным требованиям. Среднее время наработки на отказ большинства промышленных Ethernet-коммутаторов составляет более 20 лет, а некоторых даже более 50 лет.
Метод HALT (Highly Accelerated Life Testing) в основном применяется на этапе исследований и разработки продукции. Он эффективен для выявления потенциальных дефектов и является важным методом испытаний для инженеров-конструкторов, позволяющим повысить надёжность продукции.
HASS (Highly Accelerated Stress Screening) — это ускоренный процесс стресс-скрининга, проводимый на производственной линии после прохождения изделиями теста HALT для определения их эксплуатационных или разрушающих пределов. В скрининге должны участвовать 100% изделий. Цель скрининга — гарантировать отсутствие скрытых дефектов в изготовленной продукции или, по крайней мере, выявить и устранить их до того, как продукция покинет завод. HASS использует ускоренный стресс для быстрого выявления дефектных изделий, сокращения цикла корректирующих действий и выявления изделий с аналогичными проблемами.
3.1.2
Индикатор MTTR
Типичные требования к площадкам морских ветряных электростанций: среднее время ремонта (MTTR), предоставляемое производителем, которое обычно составляет от 0,5 до 1 часа, если не учитывать время управленческой поддержки и время доставки; а также время диагностики (или осмотра) и обновления неисправных свечей зажигания должно составлять менее 30 минут.
Если в промышленном коммутаторе произошел сбой оборудования, и время оказания управленческой поддержки и время доставки не учитываются, а требуется только простая замена, в большинстве случаев промышленный коммутатор можно заменить в течение 1 часа, что соответствует требованиям заказчика к среднему сроку восстановления.
3.2
Требования к коррозионной стойкости
Ключевой характеристикой морской среды является высокая концентрация соляного тумана. Промышленные Ethernet-коммутаторы должны иметь защитное покрытие печатной платы для достижения уровня защиты G3 и полностью соответствовать требованиям стандартов ISA-S71.04-1985 (классификация G3 – группа хешей A) и EN60068-2-60 (метод 4) для стабильной и надежной работы в течение длительного времени в суровых морских условиях.
На первых морских ветровых электростанциях наблюдалось большое количество отказов переключателей. При вскрытии корпусов переключателей на печатных платах были обнаружены видимые следы сгорания. Одной из причин этого было отсутствие защитного покрытия на переключателях.
3.3
Требования к высоким и низким температурам
Поскольку различные морские ветропарки расположены на разных широтах, их климатические условия существенно различаются. Например, зимой минимальная температура на морской ветропарке «Чжуанхэ» в Даляне может достигать -15 градусов Цельсия, а летом максимальная температура на морской ветропарке «Сюйвэнь» в Чжаньцзяне может достигать 38 градусов Цельсия. Температура внутри башен ветрогенераторов может быть даже выше наружной. Поэтому к нормальной рабочей температуре промышленных выключателей предъявляются очень высокие требования.
Хотя большинство производителей промышленных коммутаторов указывают рабочие температуры своих коммутаторов в диапазоне от -40°C до +70°C или даже от -40°C до +85°C, эти значения получены в результате краткосрочных лабораторных испытаний. Например, требования к испытаниям, установленные авторитетным отечественным испытательным центром, предписывают, что в условиях высоких температур коммутатор, находясь под напряжением, должен быть помещен в центр климатической испытательной камеры, температура должна быть повышена до 70°C и поддерживаться в течение 2 часов. Устройство должно нормально функционировать при температуре +70°C, а скорость передачи данных с промежуточным хранением должна достигать 100%. При выполнении этого требования коммутатор считается квалифицированным/приемлемым.
Технические требования к той же низкотемпературной среде следующие: включённый коммутатор помещается в центр испытательной климатической камеры, температура в которой понижается до -40 °C и поддерживается на этом уровне в течение 2 часов. Устройство должно нормально функционировать при -40 °C со скоростью передачи данных 100%; оно также должно нормально запускаться при -40 °C. При соблюдении этих требований устройство считается прошедшим проверку (合格). Таким образом, испытание проверяет только его способность стабильно работать в течение 2 часов при этой экстремальной температуре.
Хотя промышленные переключатели на морских ветровых электростанциях не обязаны выдерживать столь экстремальные температуры, они должны работать непрерывно в течение длительного времени в условиях суровых температур и могут подвергаться дополнительному неблагоприятному воздействию других внешних факторов. Только промышленные переключатели, выдержавшие испытание временем, могут утверждать, что соответствуют требованиям морских ветровых электростанций к высоким и низким температурам.
(Продолжение следует)
