國家電投集團(tuán)山東電力有限公司 董洪凱

1 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，石油等不可再生資源的儲(chǔ)備量逐漸減少，且這些傳統(tǒng)能源使用過程中不可避免會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定程度的污染，因此，綠色清潔環(huán)保的新能源越來越多地被采納應(yīng)用，在能源市場的占比也越來越大。在新能源市場中，風(fēng)能作為一種取材方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的清潔資源，一直受到來自電力單位的關(guān)注，風(fēng)電技術(shù)也逐漸壯大起來。但隨著使用時(shí)間的增加，風(fēng)電機(jī)組設(shè)備日漸老化，故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)進(jìn)度，如何提升機(jī)組維修質(zhì)量也被電力行業(yè)重視起來。

據(jù)調(diào)查，我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總裝機(jī)容量仍然保持較快增長速度，并網(wǎng)風(fēng)電容量也迅速増長。然而我國受地理位置特點(diǎn)及風(fēng)力發(fā)電原理等條件的限制，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大部分都建設(shè)在環(huán)境相對(duì)惡劣、位置遠(yuǎn)離市區(qū)、工作條件復(fù)雜的地方，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的維修工作造成一定的難度[1]。當(dāng)前，我國在全力發(fā)展風(fēng)電技術(shù)的進(jìn)程中，對(duì)機(jī)組部件維護(hù)以及預(yù)防性維修等技術(shù)存在一定程度的弱點(diǎn)，未能形成詳細(xì)的預(yù)防性維修決策，也沒有吸取世界先進(jìn)國家風(fēng)電機(jī)組的故障處理經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的檢修工作困難重重。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)及故障分析

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)介紹

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵一員，利用自然界風(fēng)能，先將其轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，最終轉(zhuǎn)變成電能。風(fēng)能雖然儲(chǔ)備不方便，但取材方便，是一種可以長期反復(fù)利用的能源。某型號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某型號(hào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖1中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要包括1導(dǎo)流罩、2葉片軸承、3軸承座、4主軸、5油冷卻器、6齒輪箱、7液壓停車制動(dòng)器、8熱交換器、9通風(fēng)、10轉(zhuǎn)子輪轂、11偏航驅(qū)動(dòng)、12聯(lián)軸器、13控制柜、14底座、15發(fā)電機(jī)等組成。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障分析

本文調(diào)研了某大型風(fēng)力發(fā)電廠的故障情況，該風(fēng)電機(jī)組建設(shè)為兩階段，第1階段是66臺(tái)雙饋式風(fēng)電機(jī)組，在2010—2016年，累計(jì)統(tǒng)計(jì)了1445條風(fēng)力電廠的故障數(shù)據(jù)；第2階段中有33臺(tái)，2012—2016年，累計(jì)統(tǒng)計(jì)了582條故障數(shù)據(jù)，綜合后，共計(jì)2027條數(shù)據(jù)。對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析得，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各系統(tǒng)的故障次數(shù)以及故障停時(shí)間如圖2、圖3所示。

圖2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各系統(tǒng)的故障次數(shù)

圖3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)各系統(tǒng)的故障停時(shí)間

由圖2可知，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)輪系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、潤滑冷卻系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、主控系統(tǒng)以及機(jī)艙塔架系統(tǒng)均發(fā)生過故障[2]，其中故障發(fā)生頻次較高的是發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、風(fēng)輪系統(tǒng)及變頻系統(tǒng)，分別為500次、450次和410次。

由圖3可知，在風(fēng)電機(jī)組眾多的子系統(tǒng)中，故障停時(shí)最長的是累計(jì)停時(shí)7008h 的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、累計(jì)停時(shí)6295h 的變頻系統(tǒng)以及累計(jì)停時(shí)5015h的風(fēng)輪系統(tǒng)?？傊?，風(fēng)電機(jī)組故障頻發(fā)，不僅造成較大的故障停時(shí)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度，還會(huì)降低風(fēng)電場發(fā)電效率，進(jìn)而影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，探索風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)合理的預(yù)防性檢修策略刻不容緩。

3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的預(yù)防性維修決策原理

風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)中的組成結(jié)構(gòu)繁多，可劃分為n 個(gè)組件，利用可靠性定義對(duì)n個(gè)不同的組件進(jìn)行預(yù)防性維修，有效節(jié)約人力、物力資源的耗費(fèi)，達(dá)成更加優(yōu)質(zhì)的故障維修目標(biāo)。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的故障情況統(tǒng)計(jì)，不難發(fā)現(xiàn)：各個(gè)組成部件的工作可靠性隨運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增加而逐漸降低。在充分研究風(fēng)電機(jī)組各個(gè)組件可靠性基礎(chǔ)上實(shí)施預(yù)防性維修決策，主要是通過測試各個(gè)組件的工作可靠性，當(dāng)測量達(dá)到規(guī)定的值時(shí)，對(duì)該部件預(yù)防性檢修時(shí)間進(jìn)行確定，進(jìn)而開展預(yù)防性維檢修。

一般情況下，在風(fēng)電機(jī)組完成檢修后，大致體現(xiàn)為設(shè)備恢復(fù)完整、設(shè)備部分恢復(fù)或是設(shè)備無恢復(fù)3種狀態(tài)。此刻，假設(shè)r 為恢復(fù)因子，對(duì)前次的維檢修工作進(jìn)行相關(guān)量定義[3]。若r=1， 則說明該風(fēng)電機(jī)組部件檢修完成，功能恢復(fù)正常；若r=0，則說明該風(fēng)電機(jī)組部件檢修失敗，設(shè)備仍處于故障狀態(tài)不具備正常工作條件，不能投入使用。若0＜r ＜1時(shí)，則證明此次維修設(shè)備一部分功能恢復(fù)正常，另有一部分功能未恢復(fù)，設(shè)備仍不具備正常工作條件，預(yù)防性機(jī)會(huì)維修如圖4所示。

圖4 預(yù)防性機(jī)會(huì)維修示意

圖4中，i 代表風(fēng)電機(jī)組的任意組件，當(dāng)其工作時(shí)間達(dá)到既定的維檢修To(i)時(shí)刻，則表示應(yīng)該按照先前規(guī)定的檢修計(jì)劃對(duì)其進(jìn)行相關(guān)的預(yù)防性維修。該預(yù)防性檢修最顯著的特點(diǎn)是能夠在故障發(fā)生前按照設(shè)備運(yùn)行規(guī)律對(duì)其進(jìn)行維護(hù)檢修，避免故障的頻繁發(fā)生，從而降低設(shè)備故障停時(shí)，加快生產(chǎn)進(jìn)度，提高生產(chǎn)效率，有效縮減了維護(hù)檢修成本。

4 確定風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的維修機(jī)會(huì)

按照可靠性的定義，對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)中的部件組實(shí)施預(yù)防性機(jī)會(huì)維修，應(yīng)用公式（1）對(duì)其進(jìn)行相關(guān)計(jì)算[4]：

式（1）中，R(t)為風(fēng)電機(jī)組最終的組件可靠性參數(shù)；η為風(fēng)電機(jī)組中部件特征及使用壽命；β為風(fēng)電機(jī)組中部件的形狀系數(shù)；t為風(fēng)電機(jī)組中部件的運(yùn)行時(shí)間。

通過該公式對(duì)風(fēng)電機(jī)組組件可靠性進(jìn)行核算，得到相應(yīng)的參數(shù)值則能預(yù)先推算的設(shè)備故障發(fā)生時(shí)間。由于風(fēng)電機(jī)組各組成部件的運(yùn)轉(zhuǎn)情況存在差別，所以，在借助該公式計(jì)算不同組件預(yù)防維修范圍的過程中，需要充分考慮機(jī)組各個(gè)部件的差異性的特點(diǎn)， 防止發(fā)生過度維修的情況。因此，需要進(jìn)一步研究預(yù)防性檢修機(jī)會(huì)的可靠性裕度（ΔR），預(yù)防性可靠性維修裕度機(jī)維修區(qū)間如圖5所示。

圖5 預(yù)防性可靠性維修裕度機(jī)維修區(qū)間

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組維修裕度區(qū)間值為0時(shí)，能夠形成更加科學(xué)合理維修指標(biāo)，有效節(jié)省檢修資金的投入。為進(jìn)一步保證設(shè)備預(yù)防修處于合適的檢修區(qū)間，則應(yīng)當(dāng)在Tp 取值較小時(shí)，減小過度維修的概率，即ΔR 的實(shí)際數(shù)值采用最小值，這樣才能盡可能地降低維修成本投入，形成科學(xué)的預(yù)防性檢修決策。

5 搭建預(yù)防性維修決策模型

在風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)中設(shè)定其有n 個(gè)組件，不考慮其機(jī)會(huì)維修，則其維修花費(fèi)可以用該模型來估算：

6 結(jié)語

本文從風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)預(yù)防性維檢修技術(shù)背景入手，首先對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)及故障數(shù)據(jù)進(jìn)行了介紹，然后對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)的預(yù)防性檢修原理進(jìn)行分析，最后搭建了預(yù)防性維修決策模型，根本上保證了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行，有效提升了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量，延長了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備的使用壽命。