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涨知识 | 风电机组系统故障的表现、诊断及风机维护要点分析!

国际能源网能源资讯频道  来源:风电头条  作者:穆白  日期:2018-01-18

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写在前面:

截至2017年11月底,全国风电新增容量占到了全国新增装机容量的11.09%。风电累计装机容量占到了全国装机容量的9.5%。而根据中国风能协会的统计,早在2016年底,中国累计装机量已达1.69亿千瓦,总装机量世界第一,成为世界第一风电大国。

然而近年来由于设计、制造、安装、运维等中间环节的失控导致的风电机组故障甚至事故不断发生,威胁着风电场的安全运行。

2016年2月,美国纽约州Madison县某风电场的1台机组发生叶片坠落事故,随后在国内也发生了多起叶片坠落、变桨轴承断裂事故。

2016年2月16日,大唐河北乌登山风电场110号风机倒塔,随后几天大唐山西偏关后海风电场一台机组倒塔;

2015年12月24日,瑞典Lemnhult风电场的一台VestasV112-3MW机组倒塔,风电机组倒塔事故已经成为风电机组安全运行的最大隐患,而倒塔事故大部分是由于风电机组系统性故障引起的。

01故障分类

根据故障初期是否引发系统性响应,笔者将风电机组的故障分为两大类:典型部件故障、系统性故障。

典型部件故障:多指机组大部件自身出现缺陷导致机组故障,比如轴承外圈故障、齿轮点蚀等轴承齿轮类故障,借助传统意义的在线监测系统(CMS)或者离线测试能够较好的诊断该类故障。

系统性故障:指由于机组设计、装配、安装、调试以及运维过程中出现问题导致的机组性能异常、整机振动过大、噪声异常等现象,在系统性故障初期机组每个大部件单独分析都没有问题,然而运行起来就会出现问题。

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当系统性故障没有得到解决继续运行机组,很可能会引发次生的典型部件故障,严重情况会引发机组倒塔。

如经常听到业主说:机组振动都报警了,装的CMS系统竟然没有报警。这里的机组振动多指的是整机的前后及左右摆动,而不是CMS系统重点关注的传动系的振动。

02系统故障表现与诊断

表现:

风电机组整机振动偏大或经常引发振动报警、机组性能表现欠佳、运行过程伴有异响或较大噪音。

过大的整机振动多为故障源激发的强迫振动或者引发机组共振引起。有些系统性故障早期很难被发现,主要是经验不足的工程师很难识别机组运行特性发生了异常。

诊断:

系统性故障的诊断需要辨识机组的运行特性异常,主要包括:

(机组整机振动特性、发电性能、控制特性、机组动态响应、模态)等分析。

可以通过对机组SCADA数据、故障数据的分析结合必要的测试,可有效判定机组系统性故障,从而解决问题。

03系统故障

十个典型

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1)叶片制造及安装误差过大等引发系统严重气动及质量不平衡,整机振动异常,从而威胁机组整机安全;

2)变桨控制及执行不当激发传动链震荡;

3)阵风及转速控制不当引发机组整机-塔架共振,威胁整机安全;

4)由于设计偏差造成的传动链共振问题;

5)由于转矩控制及执行不当激发传动链震荡;

6)由于发电机与变频器匹配不一致引发的系统性故障;

7)装配不当造成振动过大及异响,引发传动系部件损坏;

8)偏航系统失稳引发扭转共振,造成振动及噪声巨大,威胁机组安全;

9)基础刚度不足及基础松动在部分工况引发机组整机共振;

10)新的控制算法验证不足,在特定工况下失效,威胁整机安全;

04结  语

现状

目前我国80%以上的装机风电机组为国内整机企业的机组。而国内整机技术设计大多来源于国外,在消化吸收与再设计过程中,难免于设计、制造、装配、运维等过程中与原始设计思路存在偏差。同时国内风况条件也有别于国外,这些都有可能引发系统性故障。

近年来整机竞争日趋激烈,整机研发验证严重缺失,新机型很快就批量推广,也存在验证不足、掩盖瑕疵的风险。因此风电整机企业及业主应更加关注机组的运行特性,及早发现与诊断系统性故障,规避机组安全隐患。

(来源:文德能源视点   作者:董礼)

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风电机组运维主要问题

我国风电起步较晚,同时工业制造水平也落后于世界发达水平,相比较于欧美风电技术发达、风电设备运维成熟的国家,我国风电设备的运维还存在一定的差距,缺乏系统的、预见性的设备管理和运维体系。主要有以下几个问题:

1、运维策略后置。目前在我国风电主要的运维策略是定期检修和事后维修相结合的方式,即除了规定的检修外,只有等到设备出现故障了再进行处理,从设备运行管理角度来说,这是运维的初级阶段,将设备的维修工作主要集中于设备故障后。一方面是因为我国装备制造状态监测水平较低、分析和诊断能力不足,另一方面我国风电技术大多来源于引进,对核心技术的掌握不够,往往是知其然而不知其所以然。此外我国风电行业对运维投入不够也是主要因素。

工业设备维修策略

事后维修(Brcakdown Maintenance,简称BM)就是当设备发生故障或者性能低下后再进行修理,其特点充分地利用了零部件或系统部件的寿命,但事后维修是非计划性维修,适合于辅助作业线的简单设备。

定期维修也叫预防维修(Preventive Maintenance,简称PM)或生产维修,是指根据设备的运转周期和使用频率而制定的提前进行设备现状确认的维修方式。

全员生产维修(Total Productive Maintenance,简称TPM)是指以达到设备综合效率最高为目标,以设备一生为对象的全系统的预防维修,是日本60年代引进了美国的维修预防、可靠性工程、维修性工程和工程经济学后,形成的在设计阶段考虑设备的可靠性、维修性、经济性的生产维修。

状态检修(Condition based Maintenance,简称CBM)也叫视情维修,是指根据先进的状态监测和诊断技术提供的设备状态信息,判断设备的异常,预知设备的故障,在故障发生前进行检修的方式,即根据设备的健康状态来安排检修计划,实施设备检修。

风险维修(Risk based Maintenance,简称RBM)是基于风险分析和评价而制订维修策略的方法。风险维修也是以设备或部件处理的风险为评判基础的维修策略管理模式。

2、检测系统缺失。目前我国风电运行阶段的监测主要集中于电气设备,而对一些风电部件,特别是关系到风电设备寿命、运行隐患的关键部件却缺乏有效的、系统的监测,如主轴监测、齿轮箱监测、实时振动监测、噪音监测等。监测的缺乏或不到位,导致运行阶段对风电设备的状态了解不足,对潜在的故障隐患没有有效的监测手段,无法跟踪故障发展趋势,只能做预防维护和事后维护,而不能预先发现并提前解决故障隐患。此外,对现有监测数据的运用和分析不够。

3、分析方式落后。风电设备的状态分析是风险评估、可靠性分析、寿命管理、预知性维修等运维工作的前提。我国大多风电引进过程中只是引进了设备制造技术、控制系统等生产和运行相关的技术与设备,而对风电运行状态进行分析、评估相关的软件、工具和方法确缺乏,同时分析方式、技能、经验也不能满足设备状态评估的要求。

4、维护执行不到位。风电设备处于恶劣环境、高温、运动状态下,设备需要定期进行相应的维护。目前各大风电设备制造上都制定了设备维护方案,但运维计划的制定缺乏科学性,缺乏对设备寿命、风险、发电量的综合考量。同时受制于人、财、物等成本考虑,一些运维没有按照计划执行。此外,部分运维人员技术能力、责任心不够,也导致设备维护执行效果受到影响。

设备维护改进措施和建议

我国风电设备维护技术实力相对落后、经验不足是导致风电运行不稳定、设备故障频出重要原因。随着我国风电装机数量的不断增加,运行时间的增长,未来风电设备运维任务越来越重,要求也越来越高,需要构建现代化的风电运维管理体系。提出以下改进措施和建议:

1、提升风电设备的检测和监控能力。监测和监控是风电运维的“眼睛”,只有对风电设备的各部件的运行状态和数据进行了全面、合理的监控,才能及时了解风机及部件的运行参数,从而对风机进行综合评估。重点做好关键部件的状态监测,如发电机、齿轮箱、轴承、变频器、叶片等;采用先进的检测设备和方法,提高监测精度;等等。

2、提高软件和数据的分析水平。在强化监测数据采集的同时,做好数据的分析,着力推动大数据分析系统,引进或开发先进的分析软件。探索寿命管理、可靠性分析方法。从设备的设计、制造阶段就建立起数据管理、风险评估等机制,将运行维护纳入到整个风电设备的全生命周期予以考量。

3、积累数据分析和问题判别的经验。在日常的运维中注重经验的积累,一方面要做好数据的收集,另一方面要做好分析过程的记录,将设备问题与解决方案做系统的对比,积累经验。

4、建立科学的运维管理体系。深化运维计划的管理,一方面建立合理的运维周期和标准的运维方案,另一方面要根据实际情况,每台风机检修计划应该具备差异化,同时强化运维过程管理,保障和提高维护质量。

(来源:计鹏新能源  作者:朱汉武)

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