风力发电机组可靠性建模与维修策略研究

2017-01-20

中国设备工程 2017年15期

关键词：维修策略齿轮箱发电机组

（大唐新能源蒙西公司，内蒙古呼和浩特 010000）

风力发电机组可靠性建模与维修策略研究

樊浩江

（大唐新能源蒙西公司，内蒙古呼和浩特 010000）

风力发电和太阳能发电是清洁能源，在发电系统中所占的比例将会越来越大。本文结合当前风力发电的实际情况，对风力发电机组维修策略与可靠性建模互相结合进行研究。

风力发电机组；可靠性；建模与维修

风能是发展最快的提供电力的能源，它取之于大自然，是可再生能源，利用风能对环境有很大的保护力度。

1 风力发电的现状

我国在风力发电上的研究较晚，目前为止还没有比较成熟的预测故障的技术。设备运行的成本相对较高，并且维护的成本也很高，所以对于比较大的零件定期维护是一种被广泛采用的方式。

联轴器、高速轴、齿轮箱、主轴轴承以及主轴互相组成了风电机组中的转动系统。能量进行传递主要就是靠这些部件，另外还能够实现风能的转换，这些零件就是关键的零件，能够帮助实现风力发电。但是由于零件的运行状态是一种变载荷变速的模式，因此齿轮箱往往也是设置在传动系统当中的，发生故障频率最高的就是联轴器和主轴轴承，如果没有检测合格就使其运转会带来巨大的损失。

风力发电机的一般使用寿命是20年，但是只是针对于风力发电机组来说的，很多时候由于情况特殊，其使用寿命还不到10年。

构成风机传动链的三大部件分别为齿轮箱、发电机和主轴/轴承。齿轮箱是造成风力发电机组停机的主要原因，尤其是在这三大部件中。风能转换的关键部件就是齿轮箱，发电机得到一定的转动速度，就是通过这个非常重要的机械部件，因为它也属于传动系统中一部分，风轮捕获到的风能通过它传递给其他的部件。

风力资源相对较好的位置就是海边、高山、荒漠，这个机器组通常情况下安装在此。这个机器组一旦发生故障，维修难度较大。因为自然环境比较恶劣，往往都是酷暑和严寒这样极端气候条件，同时还伴随着强烈的风力冲击。这组机器的维护资源和合理安排情况能够得到很合理的改善，当然还需要注意的就是成本的控制，这就要求新能源的不断引进，同时也为机器的检修奠定了基础。根据风力发电机的实时运行的数据，检测齿轮箱故障的发生部位以及是否存在故障主要是通过采取振动的数据，这个数据往往位于齿轮箱和轴承上。可以有效减少设备发生故障的次数，从而避免重大故障的发生，提高设备的可靠性。

2 风力发电机组可靠性建模

有些策略并不是很全面，比如优化发电机组装置的运行维护策略、风力发电整机系统的可靠性研究等都没有达到需要的数量，并且控制技术是目前研究工作的主要研究方向。优化装置的运行维护措施以及装置的可靠性量化评估，有着非常重要意义，决定着装置的运行状态。

可靠性分析是基于先前的经验，有助于对机械电力设备或系统做出有效的状态预测，风力发电目前正在作为一个高馈入发电系统中的一员，在未来所占的电量供给份额还将不断扩大，为应对风力发电的高速发展，针对风力发电系统的可靠性研究是极其重要的。

风力发电机组是一种随机的概念，同时也是一种特殊的过程，往往运用在概率的统计上，马尔可夫过程可用于模型的构建，可靠性比较强。能够描述相互转移的过程，还能够描述系统在开始运行前后的状态，之前的状态与之后的状态没有什么必然联系，并且下一个状态的概率能够被确定，只要知道了前一个状态的概率就可以。这种随机的状况也是可以用马尔可夫过程描述的，发电机组运行状态建模有一种非常有利的过程就是马尔可夫过程。有三种假设是在应用这种可靠模型需要知道的假设。首先就是两种可以互相转换的状态，其次就是状态的相互独立性，最后就是修复成功率一般都是参数，这些假设都是在系统发生故障和系统正常运行时都合理的。

3 风力发电机组的维修策略

3.1 传统维修方式

新的中心维修理论也是在传统维修理论的基础上建立的，维修方式主要包括三类，有更改设计的、事后维修的、预防性维修的。其中预防性维修又由隐患检测、定期维修、视情维修(状态维修)所组成。

进行计划维修要根据固定累计工作时间和规定的间隔期来决定，还要充分的认识故障模式发生的规律。

这种维修方法优势在于可提前安排维修计划，有利于保持设备的安全可靠性，减少停运损失，降低了维修的成本。但是这样会使得维修活动增加，从而存在不必要的维修工作，维修次数提高，不能充分利用设备的能力，最终很难得到发生故障时的数据。

事后维修方式是在故障已经发生后再采取措施使其恢复到规定技术状态的一种维修活动，适用于风险等级低的故障，相对来说价格低廉、维修的成本相对较低，但是会造成停机损失，在维修中需要大批备用器件;可能引起故障的再次发生。

更改设计的维修方式是通过重新设计机器结构，从而使维修根本上变得更加容易或直接消除机器的缺陷，这种设计修改的方式经常有效而且花费的费用相对较低，但是这种方式也有缺陷，就是设计改进工作会影响机组的日常维修进程。

3.2 对于风机组模式故障树底事件的维修

合适的维修策略是用于处理故障树底事件的，并且故障主要针对于风电机组而言，维修的难度是主要的参考系数，并且维修手段比较多，主要有在适当的时候选择维修的时机、在线进行维修，还有就是事后立刻进行维修。有时还需要更换新的部件，因为损坏的程度和设备的重要地位不同，因此在进行事后维修时就要参考不同的因素，底事件的解决往往是使用在线调控的手段，比较具有针对性。还有一种情况就是进行检修和维护工作，这时就需要对进入机舱的机会和时间进行确认，然后由检修人员进行检修。故障发生的重要程度和依据是检修的主要参考因素，还有要划分维修的类别和程度，保证不同性质的底事件都得到了划分。还有要将维修策略与之结合，保证不同程度的故障都得到了确定。表示的结果也随着不同的统计有所改变。

相对来说概率等级较高的该类底事件，属于一类底事件，一类事件也是最可能导致该故障模式发生。维修事件和维护修复类事件都需要积极的维修，还需要积极准备。在线维修的方式主要是针对于开关复位等可在线调控的底事件，事后进行维修主要应用于有机会进行提前检修的情况下。为了避免故障过后发生，就要选择机会进行检修，尤其是对于失效异常类事件，或者也可以进行维修处理在潜在发生阶段，主要是针对于底事件来说的。更改设计的维修主要应用于安装原因造成某底事件或者是机器的设计发生的故障。为了消除持续影响，往往会选择进行重新安装，重新设计该部件结构，重新选择材料，有时也会直接选择在线维修。

机器发生故障有可能是随机的条件导致的，也有可能是运行条件不正常或者工作情况不正常导致的，还有可能是环境的影响，因此这些事件的发生都是不定的。发生概率不高的事件，往往就是设计安装类事件和维修修复类事件，还有一种直接的原因就是机器本身存在故障，所以可以选择事后进行维修。实际的影响和情况能够决定失效部件的处理方式，事后维修主要是看选择机会的正确性，也有机会进行检修，并且在线维修工作主要就是针对于底事件来说的。

对于三类底事件最主要原因一般也不是造成机器故障模式发生的，而且发生的个概率不高，不足1%。这样一来事后维修又成了比较好的选择措施，但是具体使用哪一种维修策略，还是要结合具体情况进行分析。