提高風(fēng)電機組大部件可靠性探討

李強強，王德海，李貴強，張志龍，李衛(wèi)波

（1.內(nèi)蒙古華電蒙東能源有限公司，內(nèi)蒙古 通遼 028000；2.大唐四川物資有限公司，四川 成都 610000）

在新時代新思想的指引下，國家全方位推進能源結(jié)構(gòu)性改革，各級政府不斷加大可再生能源發(fā)展的政策扶持和支持力度，尤其風(fēng)力發(fā)電行業(yè)發(fā)展更是如火如荼，出現(xiàn)了幾次搶裝潮，使得我國風(fēng)電基數(shù)疾速倍增，裝機容量近幾年穩(wěn)居世界第一。但由于先行先試、注重發(fā)展等因素的影響，導(dǎo)致風(fēng)電機組品質(zhì)存在一些問題，大部件損壞的問題比較突出，本文針對現(xiàn)階段風(fēng)電機組大部件缺陷突出問題，從各環(huán)節(jié)、各階段總結(jié)存在的工作不足之處和問題的所在，結(jié)合實際提出有針對性的處理措施及建議，有效防范和治理風(fēng)電機組大部件出現(xiàn)的問題。

1 可靠性影響因素及處理措施

1．1 技術(shù)監(jiān)督開展方面

（1）存在問題。未按技術(shù)監(jiān)督實施細(xì)則和相關(guān)規(guī)程規(guī)定的要求，在設(shè)計審查、招標(biāo)采購、設(shè)備選型及制造、安裝調(diào)試及驗收等階段實行全過程的技術(shù)監(jiān)督，僅在風(fēng)電機組生命周期的中、后期運行、檢修維護、技術(shù)改造和停備用等階段實施技術(shù)監(jiān)督，對風(fēng)電機組生命周期的前期不掌握，不能及時發(fā)現(xiàn)和消除設(shè)計制造過程中出現(xiàn)的問題。

（2）處理措施及建議。按照依法監(jiān)督、分級管理的原則，對風(fēng)電設(shè)備從設(shè)計審查、招標(biāo)采購、設(shè)備選型及制造、安裝調(diào)試及驗收、運行、檢修維護、技術(shù)改造和停備用的所有環(huán)節(jié)實施全過程技術(shù)監(jiān)督和閉環(huán)管理，重點加強設(shè)計審查、招標(biāo)采購、設(shè)備選型及制造、安裝調(diào)試及驗收等階段的技術(shù)監(jiān)督，委派專員做好設(shè)計審查、駐廠監(jiān)造等工作，對受監(jiān)范圍做好管控，發(fā)現(xiàn)問題及時采取措施，持續(xù)跟蹤處理結(jié)果，達到成效要進行評判，同時，對廠家處理問題要開展評價，對下一步工作提出建議。建立健全三級聯(lián)動和管控機制，電科院對區(qū)域公司及所管理發(fā)電企業(yè)技術(shù)監(jiān)督工作行使指導(dǎo)與監(jiān)督職能，是技術(shù)監(jiān)督、技術(shù)服務(wù)和技術(shù)支撐單位，應(yīng)按要求開展技術(shù)監(jiān)督管理及相關(guān)檢驗檢測工作；區(qū)域公司是區(qū)域技術(shù)監(jiān)督工作的管理主體，按照技術(shù)監(jiān)督工作的有關(guān)要求，指導(dǎo)、監(jiān)督、協(xié)調(diào)所管理發(fā)電企業(yè)的技術(shù)監(jiān)督工作；風(fēng)電企業(yè)是技術(shù)監(jiān)督工作的主體，應(yīng)依據(jù)有關(guān)技術(shù)監(jiān)督政策、規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)、制度、技術(shù)措施等積極主動開展技術(shù)監(jiān)督工作，對技術(shù)監(jiān)督工作負(fù)直接責(zé)任。

1．2 湍流抑制方面

（1）存在問題。受限于早前研究所得的湍流模型，風(fēng)電機組疲勞載荷評估結(jié)果偏差高達20%；此外，在風(fēng)場湍流水平超過風(fēng)電機組設(shè)計水平的情況下，按設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)制造出來的風(fēng)電機組就很難達到預(yù)期壽命，原本設(shè)計壽命20年的風(fēng)電機組，在10年甚至8年的時候就會出現(xiàn)大部件勞損的情況。湍流可導(dǎo)致風(fēng)電機組出現(xiàn)齒輪箱損壞、葉片開裂、基礎(chǔ)開縫、發(fā)電量不達標(biāo)等問題，這樣風(fēng)電場收益將難以實現(xiàn)。

（2）處理措施及建議。一是在風(fēng)電場前期微觀選址時期，根據(jù)現(xiàn)場踏勘，結(jié)合地形、地貌實測數(shù)據(jù)及歷年氣象數(shù)據(jù)，建立風(fēng)電機組湍流模型，開展湍流專題仿真，將擬建機位處的參數(shù)加入風(fēng)電機組設(shè)計的模型中，來判斷風(fēng)電機組是否能夠滿足這種風(fēng)場條件下的安全性要求，而非在經(jīng)驗范圍內(nèi)仿真以確認(rèn)安全性的需求。二是根據(jù)運行后的機位實測數(shù)據(jù)，結(jié)合最新算法，進行逐個機位的充分分析論證，確保湍流強度達標(biāo)，盡量降低風(fēng)險程度。風(fēng)電場中風(fēng)電機組承受的有效湍流強度由環(huán)境湍流強度和考慮尾流影響的附加湍流強度兩部分組成，當(dāng)風(fēng)電機組湍流強度超標(biāo)時，可采取調(diào)整風(fēng)電機組周圍風(fēng)電機組布置拉大風(fēng)電機組間距、適當(dāng)提高風(fēng)電機組塔架高度等處理方式。三是成立課題，與科研院所合作，開展風(fēng)電機組湍流預(yù)報研究，如果可以預(yù)測可對機組加入應(yīng)對湍流的策略，減輕對機組的影響。通過以上措施提高風(fēng)電場設(shè)計過程中的確定性，提高特定場址載荷評估的準(zhǔn)確性，確認(rèn)機組疲勞的達標(biāo)性，進而有效降低湍流對風(fēng)電機組的勞損影響。

1．3 氣動不平衡治理方面

（1）存在問題。葉片實際運行的工況較為惡劣、復(fù)雜，難免會跑槳、污穢（包括飛蟲污染）、腐蝕、開裂、脫漆、脫落等問題，這些問題會導(dǎo)致葉片的氣動特性被破壞，從而影響葉片的性能，進而導(dǎo)致三個葉片氣動不平衡，致使機艙非常明顯的震動，這個量級可達一倍及以上的振幅和振率，不僅使機組出現(xiàn)重復(fù)失速現(xiàn)象影響整個機組的出力，同時也可能帶來設(shè)計之外的載荷，會對塔架、機艙等關(guān)鍵機械部件造成很大的負(fù)面影響，并且潛在的風(fēng)險很大。

（2）處理措施及建議。氣動不平衡應(yīng)該作為風(fēng)電機組定期檢測的一部分，最大限度地降低機組運行風(fēng)險，而不是等機組頻繁震動停機再去檢測。可用如下方法進行檢測和評估：在葉輪正下方的地面放置成像測量設(shè)備，在風(fēng)速趨于零的時間段先將一個葉片手動變槳到零度，并使其與塔架平行垂直向下，用布置的成像設(shè)備對其成像，相同條件對其他兩個葉片用同樣的方法步驟依次成像，3個成像結(jié)果用工具軟件進行比較，評估氣動平衡的情況。如果葉片氣動不平衡可排查下列問題針對性地檢查處理，葉片機械零度和電氣零度不重合需要標(biāo)定槳葉；葉片污穢（包括飛蟲污染）需要清潔；葉片前緣腐蝕、開裂等需要修復(fù)；葉片膠衣脫落補涂；葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)問題需要補強等。檢測手段和處理方式有人工目視檢測、無人機成像檢測、熱敏成像檢測、超聲波無損探傷、葉片機器人化清洗等。

1．4 沉降觀測實施方面

（1）存在問題。風(fēng)電機組屬于單體獨立高聳建筑物，1.5MW機組輪轂高度在60m以上，隨著容量的增大，高度也隨之加大，輕微的地基不均勻沉降，將使風(fēng)電機組產(chǎn)生較大的水平偏差，在風(fēng)能、葉片、齒輪箱、發(fā)電機等可變動荷載作用下，會產(chǎn)生較大偏心彎矩，從而使原先在水平方向未能保持平整度的風(fēng)電機組更加傾斜，改變風(fēng)電機組正常的運行條件，給風(fēng)電機組的安全運行帶來了較大的潛在隱患。當(dāng)前風(fēng)電沉降觀測工作存在如下問題：一是未出臺風(fēng)電工程測量規(guī)范的國標(biāo)或行標(biāo)，沉降觀測標(biāo)準(zhǔn)參照執(zhí)行的是《工程測量規(guī)范》（GB 50026）、《國家一、二等水準(zhǔn)測量》（GB/T 12897）、《建筑變形測量規(guī)范》（JGJ 8）、《電力工程施工測量技術(shù)規(guī)程》（DL/T 5445）、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007）、《風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定（試行）》（FD 003）、《測繪成果質(zhì)量檢查與驗收》（GB/T 24356）等。二是未開展工程基建沉降觀測工作，或相關(guān)資料未移交生產(chǎn)，或未存檔。三是沒有沉降觀測點及水準(zhǔn)基準(zhǔn)點平面布置示意圖、沉降觀測點標(biāo)志示意圖等技術(shù)資料。四是對歷次沉降觀測數(shù)據(jù)未進行沉降曲線繪制和風(fēng)電機組基礎(chǔ)沉降速率和傾斜率的計算及歷史數(shù)據(jù)的比較、分析。

（2）處理措施及建議。一是需要盡快出臺風(fēng)電工程測量規(guī)范的國標(biāo)或行標(biāo)，明確資質(zhì)資格要求、觀測周期頻次、觀測條件標(biāo)準(zhǔn)、觀測數(shù)據(jù)分析、觀測質(zhì)量驗收等；二是正常開展沉降觀測工作，基礎(chǔ)完工吊裝前、吊裝完成后、運行第一年每季度、第二年解凍后和封凍前必須進行沉降觀測工作，此后如果沉降趨于穩(wěn)定（當(dāng)100d的沉降速率小于0.01～0.04mm/d，可以認(rèn)為已進入穩(wěn)定階段）可加大觀測時間跨度。但在沉降觀測過程中或停止觀測后，若有基礎(chǔ)附近地面荷載突然增減、基礎(chǔ)四周大量積水、長時間連續(xù)降雨、地震或其他對風(fēng)電機組基礎(chǔ)造成不良影響的地質(zhì)災(zāi)害時，均應(yīng)及時增加觀測次數(shù)，如果基礎(chǔ)突然發(fā)生大量沉陷、不均勻沉降或嚴(yán)重裂縫時，應(yīng)立即進行逐日連續(xù)觀測；三是注重沉降觀測資料的整理歸檔，做好各監(jiān)測點的沉降量、沉降速率、相鄰點的傾斜率的詳細(xì)計算分析，以及累計沉降量和時間-沉降關(guān)系曲線的統(tǒng)計繪制；四是將塔筒垂直度和頂部水平度的測量工作列入每年機組定檢項目，并與歷史數(shù)據(jù)進行對比分析，同沉降觀測數(shù)據(jù)一起研判。如果風(fēng)電機組沉降過大或沉降不均勻，或者垂直度和水平度超差，應(yīng)及時采取補救措施。

1．5 糾偏維護方面

（1）存在問題。在風(fēng)電機組運行過程中，會不斷受到變向、變力載荷的作用，會使機組部件運行偏離原始工況，變形量雖然肉眼很難觀察，但真實存在且極為重要，對風(fēng)電機組大部件的正常運行有很深的影響，如軸系水平度偏移、齒輪箱齒輪變形、發(fā)電機齒輪箱不對中等。

（2）處理措施及建議。軸系水平度偏移問題：風(fēng)電機組核心部件處于地面較高處，除了高速運轉(zhuǎn)的傳動系統(tǒng)，機組整體由于受風(fēng)力影響晃動，其發(fā)電機、齒輪箱、葉輪三部分的聯(lián)接對中由于各種原因可能會造成一定偏差，需要在風(fēng)電機組運行工況穩(wěn)定后，有必要對其主傳動鏈軸系對中情況進行檢測，通過盤動葉輪旋轉(zhuǎn)檢查風(fēng)電機組主傳動鏈軸系每個點的水平度偏差在允許范圍內(nèi)，偏差較大時需要進行校正，對風(fēng)電機組主傳動鏈軸系找相對水平（風(fēng)電機組機艙一般有5°的傾角）。

齒輪箱齒輪變形問題：齒輪箱運行中齒輪偏載是最常見的缺陷之一，其實質(zhì)是載荷在齒向分布不均勻，齒輪的彎曲變形、扭轉(zhuǎn)變形、剪切變形及齒面接觸變形都會使其螺旋線發(fā)生改變而造成這類問題。在這種情況下，就需要人為提早介入進行齒輪正形和修形。首先，充分考慮制造和安裝誤差、齒輪傳動彈性變形和熱變形等因素的影響計算修形量；其次，是修正齒輪的嚙合點使其盡量分布在分度圓附近。齒輪正形和修形可以有效抵消加工及裝配誤差的影響，改善齒輪傳動、運轉(zhuǎn)性能，提高承載能力，減小運行振動和噪聲，對延長齒輪箱的使用壽命有明顯的效果。此外，日常運行、維護齒輪箱需要強調(diào)注意以下工作：一是塔上劈箱維修齒輪箱的裝配過程中，必須采用著色法（即在齒輪箱可觀察位置涂抹“藍油”）在齒輪箱每一級的加載過程后，觀察齒輪齒面的接觸斑點的變化，檢查維修后的齒輪箱齒輪嚙合效果和嚙合精度達標(biāo)；二是剛停機的齒輪箱禁止立即打開觀察孔進行檢查維護工作。受機艙風(fēng)扇和齒輪油冷卻風(fēng)扇的運轉(zhuǎn)影響，機艙內(nèi)空氣擾動，會包含微小的顆粒物（如灰塵、雜質(zhì)等）進入齒輪箱內(nèi)部會污染油質(zhì)；三是齒輪、軸承運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磨損鐵屑，及齒輪箱底部沉淀的油泥，均要定期進行清理，濾芯的更換周期嚴(yán)格控制在一年，如果期間壓差開關(guān)報警顯示濾芯堵塞，則須立即更換濾芯；四是齒輪箱屬于高低溫變化、高濕氣的工作環(huán)境，為避免水汽進入造成油液污染、影響油膜形成、加速油品氧化和變質(zhì)速度，空氣濾清器應(yīng)經(jīng)常檢查，更換周期最長不超過六個月。

發(fā)電機齒輪箱不對中問題：風(fēng)電機組不對中是引起風(fēng)電機組故障的常見原因，不對中狀態(tài)中的齒輪箱與發(fā)電機會引起機械振動，加劇齒輪箱與發(fā)電機軸承的磨損和軸的撓曲變形，增加發(fā)電機轉(zhuǎn)子受力及軸承的附加力，對風(fēng)電機組的平穩(wěn)運行造成極大的危害。這里探討的重點是聯(lián)軸器動態(tài)下的不平衡會導(dǎo)致發(fā)電機齒輪箱不對中，而非靜態(tài)下的對中過程，涉及聯(lián)軸器的拆裝維護作業(yè)要注意如下問題，一是新?lián)Q聯(lián)軸器要檢查其出廠動平衡試驗合格，使用時必須按制造出廠給定的標(biāo)記組裝，如果不按標(biāo)記任意組裝，很可能發(fā)生由于聯(lián)軸器的動平衡不好引起機組振動的現(xiàn)象。二是維護、消缺工作涉及聯(lián)軸器的拆裝，工作前必須對各部件之間互相配合方位畫上標(biāo)記和編上號碼，裝配時依原樣恢復(fù)。三是各聯(lián)軸器之間的螺栓不能任意互換，而且同一聯(lián)軸器的鎖緊螺母和鎖緊螺栓均不允許互換，如果要更換必須對原件和更換件分別承重，使二者的重量一致才可。四是在擰緊聯(lián)軸器的聯(lián)接螺栓時必須采用力矩扳手按照說明書要求的力矩，對稱、逐步擰緊，使每個聯(lián)接螺栓上的鎖緊力基本一致，不至于因為各螺栓受力不均而使聯(lián)軸器在裝配后產(chǎn)生歪斜現(xiàn)象，進而破壞聯(lián)軸器的動平衡。

1．6 運維數(shù)據(jù)沉淀方面

（1）存在問題。疏于風(fēng)電運維數(shù)據(jù)的管理，僅在制度上要求對相關(guān)數(shù)據(jù)進行備份，其他未做明確要求。存在數(shù)據(jù)未備份、備份有效數(shù)據(jù)不全、未開展數(shù)據(jù)分析、未使用分析結(jié)果導(dǎo)向運維工作等。

（2）處理措施及建議。有效沉淀運維過程中的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，涉及日常設(shè)備運行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，以及設(shè)備檢查巡視、維護保養(yǎng)、消缺定檢等產(chǎn)生的記錄。一是完善風(fēng)電運維過程管理，對設(shè)備SCADA系統(tǒng)和運維工單、流程管理等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行詳細(xì)記錄和存儲，做好數(shù)據(jù)資源的有效沉淀工作；二是建立場級專用的數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理體系，核心功能和優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和分析方面，完成數(shù)據(jù)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，為大數(shù)據(jù)分析提供有效應(yīng)用前提；三是用大數(shù)據(jù)分析平臺開展數(shù)據(jù)處理和分析，為指導(dǎo)預(yù)防性檢修提供技術(shù)支撐和解決重點問題提供導(dǎo)向。

1．7 健康管理方面

（1）存在問題。風(fēng)電機組的工作重心放在被動消缺和定期檢修方面，也有將目光轉(zhuǎn)向了預(yù)防性維護，但存在信息不明確、指向不清楚等問題，導(dǎo)致指導(dǎo)性不精準(zhǔn)，已逐步進階到預(yù)測型維護方面。

（2）處理措施及建議。將健康管理納入風(fēng)電機組的全生命周期，利用預(yù)測型維護確保風(fēng)電機組的可靠性，主要是基于對使用損耗特性參數(shù)進行風(fēng)電機組損壞預(yù)測，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對風(fēng)電機組大部件進行實時監(jiān)測及響應(yīng)，做出預(yù)測性的設(shè)備維護，從而將損耗程度降到最低，避免故障擴大化和非計劃停機，可降低人力成本的耗費，將資源進行更合理地分配。首先，基于風(fēng)電機組的在線監(jiān)測系統(tǒng)和風(fēng)電場的SCADA系統(tǒng)采集到的設(shè)備歷史和實時運行監(jiān)測數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)驅(qū)動的預(yù)測模型；其次，通過數(shù)據(jù)挖掘分析技術(shù)對數(shù)據(jù)進行分析、篩選和結(jié)論化把設(shè)備的真實狀態(tài)和隱藏狀態(tài)呈現(xiàn)出來，對設(shè)備狀態(tài)進行評估和早期征兆預(yù)警；最后，就是完善運維決策體系，使預(yù)測技術(shù)的結(jié)果得到正確評判、有效執(zhí)行和運維機制的快速響應(yīng)，最終形成工單觸發(fā)相應(yīng)的運維動作反饋到運維流程中去，從而達到優(yōu)化維護計劃和流程的目的。

2 結(jié)語

提高風(fēng)電機組大部件的可靠性，投產(chǎn)后的運維階段工作是重中之重，但同時也要注重設(shè)計制造、前期選址、機組選型等階段的工作，它們之間是有機的關(guān)系。今后仍需不斷摸索和掌握風(fēng)電機組的運行性能和變化規(guī)律，以便及時應(yīng)對大部件缺陷，降低風(fēng)險和運維成本，不斷地提高大部件的可靠性，有效地提高風(fēng)電機組的可利用率指標(biāo)，切實提升其全生命周期的健康水平。