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海上能源开发掀起新风尚

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海上风能在初期发展阶段就应该建立数字化思维,以便随着其普及程度的提高而充分发挥其潜力。

编辑 | 大安

COVID-19给全球经济造成巨大冲击,企业需要重新考量产业多元化发展的必要性。石油市场一片狼藉,众多油气公司现在被迫向海上风能等相近且具有广阔发展前景的基础设施市场扩张。

海上风电市场概述

市场的变化趋势,正在为海上风电发展汇聚能量。随着国际油价持续下跌,风力发电量超过水力发电量,这也是可再生能源发电量经常超过煤炭发电量的主要原因。预计2020年至2025年间,风电市场将增长7.9%左右。根据国际能源署IEA的统计数据,海上风力发电能力预计将增加15倍,到2040年将成为一个价值1万亿美元的产业。政府的优惠政策、风力发电项目投资增加、气候变化对可再生能源的需求以及风力发电成本降低都在增强对可再生能源的需求。

海上风能项目具备独特的吸引力,这源于风力更强劲、可预测性高、HSE风险更低以及来自当地社区的阻力更小。海上风能确实是一个“不在我家后院”的解决方案。

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图1 数据双子星技术将是海上浮动风电场远程操作的必要条件。(消息来源:Aker Solutions公司)

海上风电哪家强?

欧洲的海上风能开发较为成熟,Equinor等欧洲能源公司在海上风能开发方面非常活跃。在美国,罗德岛州布洛克岛的第一座海上风力发电厂投入运行,为美国社区提供电力。海上风力发电厂预计会得到迅速发展,因为开发商正在排队建造第一批加州海岸的风力涡轮机。

机遇与挑战并存,海上风力发电厂的设计、建造与维护等方面还存在诸多技术难题需要攻克。

海洋是地球上最活跃、最强大的力量,建造海上风力发电厂需要把500多英尺高的陆上风力涡轮机“移植”到海上。具备相关工程经验的供应商必须联合攻关,群策群力商讨出最富有弹性和效率的解决方案。由于海上建造环境的特殊性,原型设计昂贵且危险。在项目设计阶段,必须借助数字模拟手段实现建造风险最小化并增加运营利润。

面对海上油气开发商近百年来一直在试图征服的广袤海洋,风能开发商希望能充分挖掘海上风电所带来的丰厚财富。谁更适合与风力工程专家合作,领导海上风电项目从可行性研究推进到实质性建设?

风能投资和生产热潮也推动了运营和维护(O&M)支出的急剧增长。事实上,据估计,2030年风能行业的年度运营管理支出将达到75亿美元,比2018年增长50%。与社区健身房一样,风电场的收入增长也伴随着越来越多的损耗。在初始投资之后,盈利的主要驱动因素是优化维护成本。这使得智能维护成为整个项目生命周期盈利的一大驱动因素。

总体而言,目前海上风电项目进展未能始终按照模型预测的方向“前行”。运营商对大规模海上风电场的认识还不够深入,通过持续优化工程、布局和运营,还可以获得诸多好处。

解决挑战

目前,海上风能开发还未建立完善的数字基础设施来应对这些挑战,因为数据存在于竖井中,供应商和运营商之间无法实现数据共享。运营商欠缺必需的工具,无法实现资产的最优化运营。

因此,行业必须通过数据共享和情境化来全面实现数字化,从而实现远程操作、优化维护和降低生命周期成本。油气行业内通过数据共享和情境化,有力提升了运营绩效,这将为新能源领域提供可参考性解决方案。

例如,DataOps/Fusion将维护记录和工程图纸与系列资产运行数据的完整视图联系起来,使监管人员能够远程优化资产维护活动。

众所周知,数据模型可用于从预防性维护常规程序(以预定频率不必要地更换零件)过渡到预测性维护例行程序(在即将发生故障前及时更换零件)。不得不承认的是,由于资产的物理复杂性、对数据竖井的依赖以及模型对少数失败案例的过度拟合,这些模型往往无法实现规模化。

对DataOps的投资将使风电运营商能够全面查看数据和综合建模,进而从数据中攫取更大价值。

总的来说,数字化可以通过收集从概念到运营的数据,大幅节省资产生命周期成本。通过数据共享与管理应用,可以实现以绝对最优的方式构建和经营这些资产,帮助运营商稳步扩大业务规模并建立可持续化的业务流程。

新一代数字风能解决方案

Cognite公司和Aker Solutions公司最近收到加州能源委员会的专项政府拨款,用于研发新一代海上风能综合性数字化解决方案,通过实时数据流监控海上浮动风电场的运行状况及其对环境的影响。

Cognite公司计划提出的数字解决方案之一是应用数字双子星技术(digital twins)。由于与陆地风力类似的涡轮机只是整体资产的一个组成部分,海上风力发电仍然面临着一系列的独特挑战。因此,必须着重考虑数字双子星技术,包括结构顶部的涡轮机、系泊设备、潮流和始终存在的“顽固”天气威胁。

由于操作环境的复杂性,浮动海上风电基础结构建设仍处于初期探索阶段。尽管面临着很多技术难题,但支持可再生能源发展的计划仍在持续推进之中,这些地区的水运风力资源丰富,但由于深度太大,无法在海底安装涡轮机。

虽然目前已有一些技术原型,但全面研究海上浮风实际情况的可用数据来源有限。因此,有必要应用Cognite Data Fusion技术开展模拟,可获得很多益处。

包括:实现远程数据访问并优化20英里外海上现场作业决策;帮助现场操作人员随时轻松掌握所有相关数据;Digital twins技术能够远程监控并为人员提供新型数字工具,提升价值并扩大影响。

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图2 要想全面了解海上浮动风电场的情况,需要融合众多复杂、相互依赖的设备和现象的数据。(来源:Aker Solutions)

案例研究

最近,Cognite已经在应用数字双子星技术来解决维护和优化问题,并为一个客户的海外生产资产建立了一个全面的数字孪生系统,然后将竖井内的工业数据投入运营。这个强大的数字双子星融合了3D设计模型、现场实时序列数据、设计资料、维护数据等方面信息,成功创建了一个数字化案例。

这项技术已经快速配备了50多项应用程序,目的是实现个体产品最优化和节约维护成本。预计到2020年年底,每年将获得超过7000万美元的价值。

能源行业市场日趋活跃,企业领导必须注重投资并适应数字技术发展,利用创新技术充分挖掘数据与数字化的优势。能源公司必须技术挑战具备预见性,释放盈利能力,用数字工具增强员工的工作能力,提升技艺水平,跟上数字化技术发展速度并驾驭它。

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