تحسين منظومة دعم الصيانة لمزارع الرياح الكهربائية

ضرورة تحسين منظومة دعم الصيانة لمزارع الرياح الكهربائية

من المعروف أن تكلفة الصيانة جزء مهم من تكلفة الطاقة المولدة من حدائق الرياح البحرية، بحيث يجب أن يتم نقل فنيي الصيانة إلى توربينات الرياح بواسطة زوارق العمل، والتي تكون مقيدة بارتفاع الموجة وقد تؤدي إلى ضعف إمكانية الوصول مما يؤدي إلى فترات توقف طويلة أو بواسطة طائرة هليكوبتر وهي بدائل مكلفة.

كذلك تم الإبلاغ عن موثوقية توربينات الرياح البرية في مصادر متعددة، كما أنه عادة ما يكون توافر توربينات الرياح البرية في حدود (95٪ – 99٪) بينما بالنسبة للمشروعات البحرية المبكرة، بحيث لوحظ توافر منخفض يصل إلى (60٪ – 70٪) في بعض مزارع الرياح، وعلى الرغم من التكلفة الرأسمالية المرتفعة وتكلفة التشغيل والصيانة.

لذلك فقد زادت السعة المركبة لطاقة الرياح البحرية بشكل كبير في أوروبا من(800) ميغاوات مثبتة في نهاية عام 2006م إلى 3.8 جيجاوات في نهاية عام 2011م ومن المتوقع أن تقوم العديد من مزارع الرياح البحرية سيتم بناؤها في المستقبل القريب، لا سيما في المملكة المتحدة وألمانيا والدنمارك وهولندا.

كذلك؛ فإن أسباب هذا الاتجاه هي موارد الرياح العالية وتوافر المساحة وتأثير الرؤية والضوضاء المنخفض والفهم الأفضل للمخاطر الاقتصادية والحوافز المالية العالية، كما أن هدف الرابطة الأوروبية لطاقة الرياح هو الوصول إلى 230 جيجاوات من طاقة الرياح المركبة في أوروبا بحلول نهاية عام 2020م، منها 40 جيجاوات سيتم توليدها بواسطة محطات طاقة الرياح البحرية.

كما أنه من المتوقع أن يساهم التشغيل والصيانة بنسبة تتراوح بين (15٪ و 30٪) من تكلفة الطاقة المولدة من مزارع الرياح البحرية، بحيث يمكن فصل تحسين الصيانة إلى مناطق مترابطة، بما في ذلك استراتيجيات الصيانة وجدولة الصيانة، بالإضافة إلى منظمة دعم الصيانة.

الوصف المتعلق بمنظمة دعم الصيانة لمزارع الرياح الكهربائية

تتكون مزرعة الرياح البحرية من توربينات الرياح (NWT) بسعة مركبة تبلغ (P [MW]) لكل منها وعامل قدرة يعتمد على الموسم لـ (Csf).

الوقت والموسم والظروف البيئية

يتم جمع البيانات التاريخية المتعلقة بالظروف البيئية في مزارع الرياح البحرية بشكل عام في سلسلة زمنية من خطوة واحدة أو ثلاث ساعات، وفي النموذج المقترح؛ فإنه من المفترض أن يتم فهرسة السلاسل الزمنية بواسطة [t∈T = {0،1،…، NT − 1}]، حيث (T) هو وقت محدد بعدد من خطوات (NT Δt)، كما يُشار إلى السلاسل الزمنية لسرعة الرياح وارتفاع الموجة الملحوظ بالوزن و (ht) على التوالي.

كذلك؛ فإن السنة مقسمة إلى أربعة “فصول موسمية” متعارف عليها وهي “الشتاء” و”الربيع” و”الصيف” و”الخريف” مفهرسة بـ [s∈S = {win ، spr ، sum ، aut}]، بحيث يشير (Ts⊂T) إلى “المجموعة الفرعية” لمجموعة الوقت التي تنتمي إلى كل موسم المشار إليها بخطوات الوقت (NsT).

الصيانة التصحيحية والوقائية

تخضع توربينات الرياح للصيانة التصحيحية (CM) وأنشطة الصيانة الوقائية (PM)، كما يتم تنفيذ (CM) بعد حدوث فشل ويهدف إلى إعادة عنصر إلى حالة يمكنه فيها أداء وظائفه المطلوبة، وفي حالة حدوث عطل؛ ستتوقف توربينات الرياح عن العمل حتى يتم إجراء الإصلاح المطلوب، وبسبب هذا الاحتمال ومحدودية الوصول إلى توربينات الرياح البحرية، يمكن أن يكون لحدوث حالات فشل غير متوقعة تأثير شديد على توافر التوربينات، وبالتالي على عائدات الإنتاج.

كذلك يمكن تصنيف حالات الفشل إلى أعطال بسيطة وكبيرة وفقاً للاحتياجات اللوجستية للإصلاح، ولإصلاح عطل طفيف، يمكن الوصول إلى توربينات الرياح بواسطة كل من زورق العمل أو طائرة هليكوبتر، بينما يتطلب الفشل الكبير دائماً قارب عمل.

كما أن هذا التصنيف ضروري بسبب الاختلافات الكبيرة في أبعاد ووزن قطع الغيار وكذلك المعدات المطلوبة لأداء الصيانة، بحيث يتم الإشارة إلى معدل الفشل في حالات الفشل الطفيفة والكبيرة لكل موسم بواسطة (λsm و sM) على التوالي، كما ويتم الإشارة إلى فترات أنشطة الصيانة التصحيحية ذات الصلة في التوربينات الهوائية بواسطة (rm ، rM)، لذلك من المفترض أن يتطلب كل إجراء إصلاح فريق صيانة واحداً.

يتم تنفيذ (PM) على فترات محددة مسبقاً أو مطابقة لمعايير محددة، كما ويهدف إلى تقليل احتمالية فشل النظام أو تدهوره، وفي حالة توربينات الرياح البحرية، تغطي (PM) صيانة الخدمة السنوية والصيانة حسب الحالة، بحيث تتطلب أنشطة (PM) ساعات (rsPM) وفرق صيانة (NsPM) لكل توربين رياح، لذلك من المفترض أن أنشطة (PM)، بحيث تتكون من أنشطة قصيرة المدة يمكن أداؤها على عدة نوبات عمل متقطعة، وفي حالة الجسيمات الدقيقة، يتم إيقاف توربينات الرياح طوال مدة أعمال الصيانة فقط.

دور فنيو الصيانة وورديات العمل

يتم تنظيم فنيي الصيانة في مزرعة الرياح في فرق من فنيي (Nteam)، بحيث يعملون في نوبات لمدة dsshift) [h])، كما يعمل فريق الصيانة لـ dsteam) [h]) لكل موسم ويتميز بين فنيي الصيانة المعينين بشكل دائم وفنيي الصيانة التكميلية، كما يمكن لفنيي الصيانة المعينين بشكل دائم أداء أنشطة (CM) و (PM)، بينما يتم دائماً إعطاء الأولوية لأنشطة (CM) نظراً لتأثيرها الحاسم على توافر التوربينات وإنتاجها كما هو موضح أعلاه.

كما أن الحد الأدنى لمدة نشاط الصيانة الكهربائية في التوربينات الهوائية هو rmin) [h])، خاصةً إذا لم يكن عدد فنيي الصيانة الدائمة كافياً لأداء جميع أنشطة (PM) المجدولة لموسم ما، لذلك فسيتم تعيين فنيي الصيانة التكميلية الذين يعملون بشكل أساسي في (PM) للموسم بالاتفاق مع الممارسة الشائعة في مزارع الرياح البحرية الحالية.

كما أن هناك مجموعة متنوعة من ترتيبات نوبات العمل الممكنة، على سبيل المثال العمل (7) أيام في الأسبوع لمدة (12) ساعة في اليوم أو (7) أيام في الأسبوع لمدة (24) ساعة في اليوم، بحيث تمثل المجموعة الفرعية (Tm⊂T) ساعات العمل عندما يتوفر فنيو الصيانة لإجراء الصيانة، وبالنسبة لترتيب نوبة عمل معين؛ فإن العدد الإجمالي لفرق الصيانة لتغطية العمل خلال العام يساوي عدد فرق الصيانة لكل نوبة مضروبة في مضاعف وردية العمل المشار إليه بواسطة (M-shift).

وأخيراُ تم تقديم نموذج تحليلي للتحسين المستند إلى التكلفة واختيار منظمة دعم الصيانة لمزرعة الرياح البحرية في هذا الطرح، بحيث يأخذ النموذج في الاعتبار القرارات المتعلقة بموقع أماكن الصيانة وعدد الفنيين واختيار سفن النقل واستخدام المروحية، كما أنه  يتضمن النموذج تحليلاً لاستراتيجية النقل باستخدام وسائل النقل البديلة ونموذج قائمة الانتظار لأنشطة الصيانة ونموذج اقتصادي لمنظمة دعم الصيانة.

كذلك تم عرض النموذج من خلال الإشارة الى مزرعة رياح عمومية (100) توربينات رياح (5) ميغاوات التي تقع على بعد (60) كم من الشاطئ، بحيث تظهر نتائج دراسة الحالة فائدة التكلفة للخيارات المختلفة وحساسية النتائج للتغيرات في أسعار الكهرباء وموثوقية التوربينات.

كما تتألف منظمة دعم الصيانة الأكثر فعالية من حيث التكلفة في دراسة الحالة هذه من أماكن إقامة في الخارج باستخدام فنيين في الخدمة على مدار (24) ساعة في اليوم و (7) أيام في الأسبوع وسفينة نقل طاقم مزودة بنظام وصول تعويض الحركة.