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        基于故障樹的永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組故障分析

        2020-04-30 15:44:20
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2020年3期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)場發(fā)電機組風(fēng)力

        (1.湘電風(fēng)能有限公司, 湖南 湘潭 411101;2.海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與檢測國家重點實驗室(湘潭電機股份有限公司),湖南 湘潭 411101)

        0 引言

        隨著全球化石能源的緊缺,大力發(fā)展可再生能源已經(jīng)成為世界各國的共同目標(biāo),其中風(fēng)力發(fā)電作為可再生的清潔能源之一,技術(shù)日趨成熟,具有商業(yè)化發(fā)展的可能性,能夠在全世界范圍內(nèi)進(jìn)行大規(guī)模的推廣[1]。

        作為一個大型復(fù)雜的機電系統(tǒng),對風(fēng)力發(fā)電機組的可靠性進(jìn)行研究不是易事,僅從設(shè)計角度出發(fā),正向分析風(fēng)力發(fā)電機組的可靠性不僅困難,而且也可能不符合風(fēng)力發(fā)電機組的實際運行狀況。因此,該文針風(fēng)電場的實際運行情況,利用其運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù),結(jié)合相關(guān)的可靠性方法,對風(fēng)力發(fā)電機組進(jìn)行運行故障分析,并提出切實可行的維修措施,以此來縮短風(fēng)力發(fā)電機組的維修時間,提高風(fēng)力發(fā)電機組的維修效率,進(jìn)而提升風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電量,提高風(fēng)場的運營效率[2]。

        1 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組的基本結(jié)構(gòu)及運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計

        1.1 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組的基本結(jié)構(gòu)

        該文研究的風(fēng)場安裝的風(fēng)力發(fā)動機組(以下簡稱風(fēng)機)為水平軸永磁直驅(qū)風(fēng)機,發(fā)電機采用多極電機與葉輪直接連接進(jìn)行驅(qū)動的方式,免去齒輪箱這一傳統(tǒng)部件。其具有發(fā)電效率高、運行及維護成本低等特點,但對發(fā)電機的要求很高,發(fā)電機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積龐大,不方便吊裝[3]。

        風(fēng)機作為復(fù)雜的機電一體化系統(tǒng),其組成部分主要分為機械和電氣2 類,涉及的具體部件及元器件繁多,主要包括葉片、輪轂、回轉(zhuǎn)支撐軸承、發(fā)電機、機艙、塔筒、變流器、偏航系統(tǒng)、制動系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)等[4]。為了簡化分析,將風(fēng)機運行時產(chǎn)生的相關(guān)故障進(jìn)行歸類處理,結(jié)合風(fēng)機自身的結(jié)構(gòu)特點,將風(fēng)機系統(tǒng)分為6 個部分,即葉片、輪轂、機艙、偏航、塔筒及變流器,圖1 為直驅(qū)型風(fēng)機結(jié)構(gòu)的關(guān)系示意圖。

        1.2 目標(biāo)風(fēng)機的故障數(shù)據(jù)處理

        由于風(fēng)機運行時容易受外界環(huán)境的影響,因此選擇具有代表性風(fēng)電場的風(fēng)機進(jìn)行分析,這樣不僅能夠更加準(zhǔn)確地分析出風(fēng)機自身的可靠性,而且分析結(jié)果也具有代表性,能夠?qū)ο嚓P(guān)風(fēng)場的風(fēng)機運維提供指導(dǎo)性建議。該文選擇的風(fēng)場位于南方某中部省份,是一個的典型的南方山地風(fēng)場,其地形特點和氣候條件都具有代表性,對其進(jìn)行分析能夠起到舉一反三的效果。選擇的風(fēng)場共有24 臺機組,統(tǒng)計時間為365 d,經(jīng)過對運行數(shù)據(jù)的處理,得知24 臺風(fēng)機在統(tǒng)計時間段的故障次數(shù)及累計故障停機時間,見表1。

        圖1 風(fēng)機結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖

        表1 24 臺風(fēng)機統(tǒng)計周期內(nèi)故障次數(shù)

        已知風(fēng)機在統(tǒng)計周期內(nèi)的故障次數(shù)和累計停機時間,結(jié)合風(fēng)場的風(fēng)機在統(tǒng)計周期內(nèi)發(fā)生的基本故障,可以求出風(fēng)機發(fā)生的每一個基本故障的平均故障修復(fù)事件(MTTR)和平均故障前時間(MTTF)。為了消除偶然性,真實客觀地反應(yīng)出風(fēng)機的運行性能,對整個風(fēng)場所有風(fēng)機發(fā)生的某一個故障求取MTTR和MTTF,風(fēng)場統(tǒng)計周期內(nèi)發(fā)生故障的類別及其MTTR 和MTTF占比前10 的故障事件,見表2。

        表2 風(fēng)機基本故障事件MTTR 和MTTF 占比

        2 大型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組故障分析方法

        2.1 基于故障樹的可靠性分析

        故障樹分析方法(FTA)是自上而下的演繹式失效分析法,利用布林邏輯組合低階事件,分析系統(tǒng)中不希望出現(xiàn)的事件或者狀態(tài)[6]。進(jìn)行故障樹定性和定量分析時,需要做出2 個假設(shè)。1)故障樹各底事件之間相互獨立。2)底事件和頂事件都只有2 種狀態(tài),即正?;蚬收?。

        在得到頂事件的最小割集之后,頂事件發(fā)生的概率可以通過最小割集計算:系統(tǒng)的所有最小割集為K1,K2,…,Ki,…,Kj,…,Kj,…,Kk,…,KR,其中i,j,k 為1 至R 中任意數(shù)字且1 ≤i<j<k ≤R,R 為最小割集的個數(shù),最小割集發(fā)生的概率為P(K),P(Ki)表示的是第i 個底事件發(fā)生的概率,則頂事件T發(fā)生的概率P(T)(不可靠度Fs(t))發(fā)生的概率為:

        式中:R 為最小割集的個數(shù)。

        當(dāng)各個最小割集中沒有重復(fù)出現(xiàn)的底事件時,公式(1)可以變化為:

        由公式(2)可知,此時頂事件的發(fā)生概率等于所有最小割集的發(fā)生概率之和,而最小割集的發(fā)生概率由其所包含的底事件發(fā)生概率相乘得到。當(dāng)最小割集彼此具有的底事件有一部分相同時,頂事件的發(fā)生概率為:

        在故障樹分析中,不僅需要關(guān)注最小割集和頂事件的發(fā)生概率,還需要分析底層事件對于頂層事件的重要度,底事件或者最小割集對頂事件的發(fā)生的貢獻(xiàn)定義就是其重要度。通常情況下,各個底事件或最小割集不是同等重要的,有的底層事件發(fā)生必然導(dǎo)致頂事件發(fā)生,有的則不然。因此,正確分析底事件對頂事件發(fā)生的重要度,對于確定系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)及改進(jìn)設(shè)計方案具有重大的意義。結(jié)合風(fēng)機運行和故障維修的特點,選擇關(guān)鍵重要度進(jìn)行底事件或最小割集重要度的計算。

        故障樹的關(guān)鍵重要度Ic(i)指的是故障樹第i 個底事件發(fā)生概率的相對變化,導(dǎo)致頂事件發(fā)生概率變化的相對變化率,其公式為:

        i=1,2,…n,n 為底事件個數(shù)

        式中:qi為底事件發(fā)生的概率,為故障樹的故障概率函數(shù), 為求導(dǎo)數(shù)。

        2.2 風(fēng)力發(fā)電機組故障樹分析

        根據(jù)風(fēng)機實際運行情況,結(jié)合上文收集的數(shù)據(jù),利用故障樹分析法對風(fēng)機在運行過程中因故障導(dǎo)致的停機問題進(jìn)行分析,以風(fēng)機故障停機為頂事件,結(jié)合風(fēng)機的結(jié)構(gòu)特點,將風(fēng)機FTA 的模塊劃分為變槳、偏航、控制、變流器系統(tǒng)和其他部分組成[7-8],在該基礎(chǔ)上,根據(jù)風(fēng)機各個組成系統(tǒng)的特點再進(jìn)行更底層次的劃分,直至劃分至底事件為止,各個系統(tǒng)底層劃分如圖2 所示。

        將表2 中風(fēng)機在統(tǒng)計周期內(nèi)發(fā)生的基本故障事件的相關(guān)故障數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入后,可得到故障樹的定量分析結(jié)果,如圖3所示。由圖3 可知頂事件發(fā)生概率(不可用度)為0.02184,則其可用度為0.97816,在風(fēng)機的運行過程中,MTTF 為0.1 年,即36.5 天,在風(fēng)機的全壽命期間總停工時間為0.4367 年(總壽命為20 年)即接近160 天,GT1、GT2、GT3 和GT14 分別代表控制系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)和變流器系統(tǒng),其重要度分別為0.2957、0.008997、0.6663 和0.02901,這說明變槳系統(tǒng)對于風(fēng)機的重要度較其他系統(tǒng)更高,符合風(fēng)機的實際運行規(guī)律。求取故障樹的最小割集和最小割集的關(guān)鍵重要度,見表3(列出重要度前10 的最小割集)。

        表3 最小割集及關(guān)鍵重要度

        通過分析故障樹的最小割集及其關(guān)鍵重要度可知,基本故障事件6、12、1 和8 的關(guān)鍵重要度最大,這說明頂事件對這4 個基本故障事件的故障發(fā)生概率比較敏感,提高這4 個基本故障事件的可靠性,能夠顯著降低頂事件的發(fā)生概率,進(jìn)而提高風(fēng)機的可靠性。

        3 結(jié)論

        圖2 風(fēng)機故障停機故障樹

        圖3 故障樹分析結(jié)果

        該文以某型永磁直驅(qū)發(fā)電機組為例,結(jié)合該型號風(fēng)機運行過程中產(chǎn)生的故障事件數(shù)據(jù),基于故障樹可靠性分析方法對其進(jìn)行可靠性分析,建立以風(fēng)機故障停機為頂事件的故障樹模型,并將故障事件數(shù)據(jù)代入模型中,進(jìn)行定性和定量分析,得出影響風(fēng)機故障停機發(fā)生概率主要的基本故障事件,風(fēng)機在維修期間應(yīng)該重點修復(fù)該類事件,提高其可靠性,從而降低風(fēng)機故障停機的發(fā)生概率,提高風(fēng)機的可靠性,同時也為后續(xù)機型設(shè)計過程中的可靠性分析和優(yōu)化提供了切入點。

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