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風電場運行維護分析
添加時間:2014/6/13  瀏覽次數:450次

  風電場運行維護分析f由于我國風電場多數處于偏遠地區,氣候和環境條件惡劣,風電場設備檢修操作常常在高空進行,在這樣的條件下,需要提高風電場運行管理水平,否則將影響風電場安全生產以及風電場的運行穩定和經濟效益。近幾年我國風電場發展十分迅速,新風電場不斷涌現。多數運行維護人員是新員工,需要加強風電場運行安全培訓管理和業務技能提高,建立健全風電場安全運行檢修制度和標準體系。在風電設備維護檢修方面,應積極推進預防性檢修技術,通過設備狀態監視,及時發現設備故障隱患以及故障產生原因,及時消除缺陷于萌芽中。建立集中監視、Call-Center在線遠程運行故障技術支持服務系統和專家分析系統,以及移動檢修作業平臺。通過運行數據分析,必要時利用儀器檢測,借助專家分析,提出技術改造方案,對設備有問題部分進行改造,提高設備性能和可靠性,最終提高風電場經濟效益。

關鍵詞:運行 檢修 設備 技術
1. 我國風電場運行維護特點
1.1 氣候特征
  我國風電場所處地區為三北地區和東南沿海地區。北方風電場多為高原地區,相當一部分風電場海拔高度高于1800米,冬季最低溫度低于-30℃,偶然發生沙塵暴且極端風速高于30m/s的天氣條件。個別地區風電場機組在冬季運行時會發生葉片結冰現象,包括南方個別山頂風電場,有些冰凍發生在風速傳感器上,造成機組停機影響發電。我國長江以南地區雷暴、臺風、鹽霧(海上/灘涂/潮間帶),給風電場運行維護帶來困難。對于惡劣氣象特征可能給風電場帶來的影響,應認真采取應對措施,做好應急預案并事先進行演練。
1.2 地理特點
  我國風電場在氣候特征上有其特殊的地方,同時地理位置、周圍環境也較為復雜,如山區、森林、懸崖、海濱灘涂(潮間帶)等。復雜地形、障礙物會引起氣流畸變,造成湍流、切變以及尾流發生復雜變化,進而影響風電機組的輸出性能,更嚴重的是湍流、切變以及尾流會造成設備損壞,甚至影響設備壽命。
1.3 復雜地形對風電場機組運行的影響
  對于地形復雜、鄰近森林以及其他障礙物的風電場,運行中應對氣流畸變可能對風電設備造成的影響給予充分的重視。
 · 應加大對機械傳動系統的檢查,如齒輪表面、軸承、力矩限位器等,重點檢查是否有表面微點蝕、潤滑油中金屬微粒有無變化。
 · 應加強對機組功率特性輸出曲線的檢查分析,如下原因影響功率曲線形狀,最終影響發電量:

摘 要:由于我國風電場多數處于偏遠地區,氣候和環境條件惡劣,風電場設備檢修操作常常在高空進行,在這樣的條件下,需要提高風電場運行管理水平,否則將影響風電場安全生產以及風電場的運行穩定和經濟效益。近幾年我國風電場發展十分迅速,新風電場不斷涌現。多數運行維護人員是新員工,需要加強風電場運行安全培訓管理和業務技能提高,建立健全風電場安全運行檢修制度和標準體系。在風電設備維護檢修方面,應積極推進預防性檢修技術,通過設備狀態監視,及時發現設備故障隱患以及故障產生原因,及時消除缺陷于萌芽中。建立集中監視、Call-Center在線遠程運行故障技術支持服務系統和專家分析系統,以及移動檢修作業平臺。通過運行數據分析,必要時利用儀器檢測,借助專家分析,提出技術改造方案,對設備有問題部分進行改造,提高設備性能和可靠性,最終提高風電場經濟效益。

關鍵詞:運行 檢修 設備 技術
1. 我國風電場運行維護特點
1.1 氣候特征
  我國風電場所處地區為三北地區和東南沿海地區。北方風電場多為高原地區,相當一部分風電場海拔高度高于1800米,冬季最低溫度低于-30℃,偶然發生沙塵暴且極端風速高于30m/s的天氣條件。個別地區風電場機組在冬季運行時會發生葉片結冰現象,包括南方個別山頂風電場,有些冰凍發生在風速傳感器上,造成機組停機影響發電。我國長江以南地區雷暴、臺風、鹽霧(海上/灘涂/潮間帶),給風電場運行維護帶來困難。對于惡劣氣象特征可能給風電場帶來的影響,應認真采取應對措施,做好應急預案并事先進行演練。
1.2 地理特點
  我國風電場在氣候特征上有其特殊的地方,同時地理位置、周圍環境也較為復雜,如山區、森林、懸崖、海濱灘涂(潮間帶)等。復雜地形、障礙物會引起氣流畸變,造成湍流、切變以及尾流發生復雜變化,進而影響風電機組的輸出性能,更嚴重的是湍流、切變以及尾流會造成設備損壞,甚至影響設備壽命。
1.3 復雜地形對風電場機組運行的影響
  對于地形復雜、鄰近森林以及其他障礙物的風電場,運行中應對氣流畸變可能對風電設備造成的影響給予充分的重視。
· 應加大對機械傳動系統的檢查,如齒輪表面、軸承、力矩限位器等,重點檢查是否有表面微點蝕、潤滑油中金屬微粒有無變化。
· 應加強對機組功率特性輸出曲線的檢查分析,如下原因影響功率曲線形狀,最終影響發電量:

  -陣風過大,風輪響應滯后
  -氣流紊亂,造成風輪上氣流來流方向改變,對風響應不夠敏感,可以在對風策略中適當調整
  -不同氣流來流扇區尾流影響不同,不同直徑、實度、風輪轉速影響尾流程度(是否可以在控制策略中加以考慮)
  -復雜地形和地面粗糙度變化影響風切變,溫度變化對風切變也會有影響,應采用更先進手段進行測試,分析切變對機組運行的影響程度

2. 部分氣候影響因素應對措施
2.1 高原低空氣密度對風電設備材料、散熱、元件的影響
  高原由于海拔高度高,空氣密度較低,風電場中風電設備運行會受到材料老化、表面疲勞影響。夏季以及長時間大負荷運行,機艙散熱在高原條件下與低海拔地區不同,因此應加強機艙散熱能力。對電控元件(如開關)在高原空氣稀薄條件下所產生影響認真考慮采取措施。

2.2 高原低空氣密度對發電影響
  由于夏季和冬季空氣密度的較大差異,風能密度發生變化,機組功率輸出受到影響。建議采取葉片安裝角度定期調節以及控制策略優化、失速點調整等措施,在保證不會發生經常性超發的前提下,盡可能做到發電性能的優化。
2.3 抗低溫措施
· 低溫油品影響
  在最低氣溫低于-30℃地區,應考慮流動性高的抗低溫型油品,避免由于油品流動性差導致部分旋轉部件缺少潤滑。
· 材料低溫脆性
  氣溫低于-30℃地區運行,要考慮主軸、塔筒鋼材抗低溫脆性問題。
· 葉片固有頻率變化
  氣溫低于-30℃地區運行,葉片固有頻率會發生變化,應采用低溫型葉片。
· 元器件耐低溫
  部分控制元器件,在低溫環境中可能誤動作,有可能損壞,因此應對電控元器件采取加熱措施。
· 增加場用電問題
  為避免機組在低溫環境中運行出現問題,系統需加熱包括如下部件:風速計、機艙、齒輪箱和齒輪油、冷卻器和管路、控制柜(必要時包括輪轂)等,因此機組用電功率加大,將增加客戶場用電量。因此在機組設計中,在考慮機艙操作空間的基礎上,應盡可能考慮緊湊結構以及機艙的密封,避免過大的場用電。

2.4 抗冰凍措施
 個別風電場在冬季特定氣候特征條件下會發生葉片結霜和冰凍現象。風速計由于冰凍而不工作,造成誤報而長時間停機。可能需要采取以下措施:
· 加熱除冰
 通過加熱器、管道將熱風送到葉片根部進入到葉片內部

· 除冰劑除冰
 通過高空作業設備將不破壞葉片表面材料的除冰劑噴射到冰面,但必須事先得到廠家確認。
· 采取帶加熱器的風速計
 歐洲20%的新裝風電機組面臨冰凍問題,而且10%的機組需要在這種惡劣天氣條件下加裝如葉片加熱的裝置[1]。


圖1:某歐洲機組冰凍情況

2.5 抗臺風措施
  臺風是我國東南沿海風電場必須要認真面對的自然氣象災害。2006年的“桑美”臺風給人們留下了難以忘卻的回憶。因此東南沿海經常有臺風登陸的各風電場應建立應急預案,根據實時預報,實時掌握臺風路徑,提前采取應對措施包括機組防臺技術措施,將臺風的影響降到最低。以下幾點機組防臺技術措施可能有效降低臺風影響。

 · 應急電源
 · 剎車松開
 · 采用抗臺風設計機組
 · 加強地基和塔筒強度設計,并確保施工質量

3. 風電機組性能下降問題應對措施

  經過一定時期運行后,部分機組由于各種問題導致機組性能下降,如不采取措施將導致發電量的下降、部件損壞,影響機組壽命。通過對機組運行數據分析,包括功率曲線分析可以發現機組可能存在的問題,在風電場運行檢修時,采取措施解決發現的問題。

圖2:某臺900kW機組不同時期功率曲線

反映機組問題[9]:
 ① 失速效果不理想
 ② 偏航對風策略不是最佳
 ③ 風向計磨損或松動
 ④ 過功率、低溫停機、尾流影響等
應對措施:
 ① 經常檢查風速計和風向計等傳感器,如損壞應及時更換和修理
 ② 葉片污染進行清洗
 ③ 葉片安裝角度等進行調整
 ④ 控制部件損壞應及時更換和修理
 ⑤ 與廠家協商優化控制策略,實現發電與風資源特性匹配
 ⑥ 如果發現某機組位置嚴重錯誤,可以考慮移到合理地點

4. 風電場運行管理
4.1 安全生產
  風電場運行與其他發電廠運行有一定的區別,機組臺數多且分散、有些機組可能要走很遠的路,需要登高作業,還要面對各種惡劣的天氣,因此風電場的安全生產管理十分重要。
  要做好風電場安全生產管理工作,首先要落實安全責任制、安全檢查評價和獎懲制度。要制度到位、責任到人,始終堅持“安全第一,預防為主”的方針不動搖,加強安全檢查以及落實安全措施,制定應急預案,加強安全學習和培訓以及預案演練,使安全隱患消除在萌芽中。

4.2 運行維護模式
  由于近幾年來風電行業發展十分迅猛,多數風電機組制造廠是新加入的廠家,一些風電場也是完全由新的人員進行運行維護。與電力體制改革前有所不同,風電場運行維護的方式(質保期以及質保期以外),除業主自主運行維護外,委托廠家和第三方運行維護方式逐漸增加[3]。但無論那種方式,需要技術服務方在運行維護方面具備專業的技術裝備和技術團隊以及豐富的經驗。
4.3 運行設備管理
  在風電場運行過程中,應做好設備檔案管理、設備評級、設備責任到人管理體系建設。應定期進行運行分析、運行報表和技術經濟分析,找出運行維護中設備存在隱患,進行消除和技術改造。

5. 運行維護標準體系建設
  目前國內外有關標準機構如ISO、IEC以及歐洲標準化機構,國內標準化機構,包括GB國家標準、DL電力行業標準以及機械行業標準等,在風電場、風電機組運行維護方面發布了很多標準,如風力發電機組保護性措施-設計、運行和維護要求(DIN EN 50308),電力行業標準如風力發電場安全規程(DL796-2001)、風力發電場運行規程(DL/T666-1997)、電業安全工作規程 (DL408—1991)、風電場事故調查規程、風力發電場檢修規程(DL/T797-2001)等。
6. 風電設備維護檢修
  風電場中風電設備維護檢修可以分為日常維護檢修、定期維護、事故檢修和狀態檢修。由于風電場分散的特點,風電設備檢修的單一風電場運檢合一模式逐步在改變。風電設備檢修裝備和技術方法也在不斷技術進步。

圖3:風電場運行檢修內容

(1)檢修模式
  a) 集中檢修
  b) 區域性檢修
  c) 專業性檢修
(2)技術裝備
  d) 檢測儀器
  e) 檢修設備
(3)方法

  a) 專業檢修隊伍

  b) 自主運行檢修
  c) 廠家維護檢修

7. 風電設備維護檢修技術
  過去我國風電場維護檢修主要是每年2次的定期維護,以及機組出現故障時進行的修理。我們稱之為“被動式檢修”,缺點是當發現故障時,部件已經損壞甚至已嚴重損壞。由此將造成風電場嚴重經濟損失,特別隨著機組容量增加,這種損失會越來越大。
  因此應提倡主動式維護檢修,早期發現事故隱患,根據部件運行的狀態,合理安排設備檢修時間,以減小故障引起的損失。
7.1 主動型預防性檢修
  應采用狀態監控,進行風電機組運行狀態趨勢分析。在設備各關鍵部位安裝傳感器,同時數據傳輸,經計算分析,與設定值比對后決定是否報警或停機。有關監控的參數如下:

 · 各關鍵部位溫度變化
 · 功率(有功、無功)變化
 · 振動(RMS)變化
  · 偏航對風變化
 · 變槳角度
 · 潤滑油品污染在線檢測
 各種數據應實時記錄并建立運行數據庫,供今后數據分析。定期發布各機組狀態、故障分析報告,供決策部門使用。
7.2 風電機組故障診斷
 風電機組常常出現各種故障,如何準確及時判斷故障原因,是保證機組發電量的關鍵。風電機組各部件來自不同廠家,往往運行檢修人員沒有部件的詳細資料,機組一旦出現故障就會束手無策。除逐步提高現場人員技術水平和經驗外,以下系統有助于故障分析診斷。
 · 技術專家分析系統
 · 專項技術分析
 · Call-Center遠程在線技術支持體系
現場人員也可以采取一些簡單方法判斷故障:
 · 借助各種手段迅速找到故障部位
如聽、聞、看、摸等,儀器點檢:溫度、壓力、狀態等
 · 排除法、比對法分析故障
風電設備故障類型
· 機械類、電氣類、通訊類、計算機
  故障原因分析
  一旦找到故障點,就需要對故障原因做出基本判斷:
 · 對中出現問題
 · 間隙過大
 · 缺少潤滑
  · 密封破壞
 · 油脂失效
 · 冷卻或加熱系統故障
 · 經常過功率
 · 雷電損壞

7.3 故障處理方法:
  (1)故障性質:故障出現可能是偶然的,不是批次性的,可能是這個部件加工、運輸、安裝、調試中質量問題,不是普遍問題;但有的故障是批次性的,應改進后整批更換。因此故障處理有些需廠家處理,有些風電場可以修復,有些需專業廠的專業人員解決。
  但無論如何風電場做好運行維護工作的目標是能夠將絕大多數故障自行修復。因此建立備品備件庫十分必要。


(2)備品備件:通過備件倉儲和物流平臺迅速獲得備件支持,及時更換,恢復運行。解決備件問題有下列幾種方法:
 · 修理
 配備修理設備、儀器,常用零件,圖紙資料
 · 替代
 國內部件廠家認證、質量保證、試驗、檢測
 · 物流
 備件庫團購、網絡虛擬庫、門對門服務
 · 服務和培訓
(3)現場修理和機艙上更換
  為避免大吊車巨額費用,應盡可能在機艙上修理,有可能的情況下,在現場修理。可以采用如下裝備:
 · 機艙內維修吊車[2]
 · 移動檢修作業平臺
7.4 大部件(特殊)修理
  風電機組中葉片、齒輪箱、發電機等大部件損壞,停機影響時間長,經濟損失大。這些損壞部件需要送到專業廠家修理,經過修理后,應進行出廠檢測,回裝時應進行調整和重新試車。

圖4:部件檢修內容示意圖

(1)發電機故障
  發電機主要出現的故障是短路、軸承損壞等。下列問題是導致發電機損壞的主要原因:
 · 轉子斷條
 · 放電造成軸承表面微點蝕
 · 局部過熱
 · 絕緣破壞
(2)齒輪箱故障
  齒輪箱是風電機組中最常出現故障的部件。主要故障有軸承損壞、齒面微點蝕、斷齒等。損壞原因除設計、制造質量原因外,齒輪油失效、潤滑不當等是齒輪箱故障最常見的原因。
  齒輪箱故障早期故障診斷:齒輪箱故障早期可能僅僅發生在齒輪或軸承表面。表面材料的疲勞損傷,會引起運轉噪音,以及溫度的變化。因此,經常巡視檢查和連續觀察溫度、噪音的變化,有助于早期發現齒輪箱故障。有條件應采取振動狀態檢測[2],通過頻譜分析確認是否已產生疲勞破壞。

  金屬表面疲勞破壞:如果疲勞破壞已發生,多數情況下,由于表面材料的脫落,潤滑油中就會發現金屬微粒。如果總不注意油中雜質,甚至有可能雜質阻塞油標尺,使檢查人員在已缺油情況下誤以為不缺油。因此通過不斷檢查潤滑油中金屬微粒的變化,也可以有助于早期發現齒輪箱損壞,這時風電場人員應盡快安排檢修,盡可能在機艙內不拆卸齒輪箱的前提下,處理損傷表面或更換已損壞的部件。
  齒輪箱漏油:齒輪箱漏油常常是風電場運行維護中令人頭痛的事情。有可能齒輪箱漏油落到其他電氣控制元件內導致電氣短路而引起停機。由于經常漏油,齒輪箱內如果油量減少會影響潤滑效果,也會引發故障,因此需經常檢查,必要時進行加油。
8. 數據管理
  數據庫對于風電場運行檢修管理十分重要。數據庫包含機組運行數據庫、檢修數據庫、設備參數數據庫、電能統計數據庫、備件數據庫、工具材料數據庫等。
8.1 現場數據采集和報送
· 數據構成和采集存儲
  風電場運行數據主要包括風資源、風電機組機械和電氣參數、變電系統數據等組成。風電機組一般由實時(毫秒或秒級)、平均值(2分鐘或10分鐘)數據構成。為了避免存儲空間過大,多數廠家采取將實時高速采集的數據只顯示不存儲的策略。經過對實時高速采集數據平均計算后的數據(預處理),倒入數據庫存儲在當地存儲器上。
· 數據傳送
  風電機組(群)多數采用串口通訊(RS485)、以太網方式進行數據傳送。數據被傳送到風場服務器上,再將數據傳輸到集團服務器上。
8.2 SCADA系統
  SCADA系統包括現場風電機組(群)集中監視和控制系統,以及遠方風電場數據監視(控制)系統和數據統計、處理、報表、分析系統。
  SCADA系統的優劣對于提高風電場運行維護管理水平至關重要。SCADA系統不僅僅顯示風電場中機組運行實時數據和統計數據以及控制機組啟停等操作,同時可以根據運行維護數據反映風電場管理水平、設備的狀態以及設備可能存在的缺陷等問題。
  對于風電場來說,除風電機組運行監控外,應包括電氣系統運行和控制。變電系統中的運行控制內容、風資源數據應和機組監控整合在一起,包括測風塔風資源數據、變電系統運行參數監視、SVC系統、變壓器有載調壓控制、場內外電能系統計量等,以及關口表計量遠方數據采集。
· 數據報送體系
  風電場風電機組、變電系統的運行維護數據通過通訊系統實時上傳到集團公司。
· 數據后期分析
  上傳的數據應形成各類報表,如日報、月報、年報、檢修報表、電能及損耗報表、可靠性報表等。為提高設備可靠性和經濟性,檢驗前期設計的正確性,運行數據的后期分析十分重要。通過數據對比分析,可以分析設備選型是否正確,如風輪直徑、塔架高度、機組性能,以及風場微觀選址的正確性,如尾流、地形等影響。
· 數據趨勢分析
  通過運行數據分析,可以得到機組趨勢分析,例如:關鍵部位溫度變化趨勢、振動參數變化趨勢。可以通過專家分析,或軟件分析,確定設備是否需要檢修。
不同機組、不同位置機組功率曲線趨勢分析,可以了解機組是否存在傳感器故障、安裝角不當、過功率控制、偏航控制策略問題等。
電能損耗分析可以得到不同時期、不同風速下電廠損耗規律,指導節能降耗措施制定,提高風電場功率因數、降低無關損耗包括有關損耗,提高風電場經濟效益。
· 其他管理手段
MIS系統:
  MIS系統核心是采用基于Web的BS架構,是實現風電場辦公、財務、備件、人事、安全監察、計劃統計、生產技術、實時運行、設備維護檢修、基建等信息化管理、供業主決策的現代化手段之一。
  GPS:通過衛星定位系統與Call-Center客戶服務中心系統,迅速確定故障機組位置,指揮移動檢修車輛趕赴現場搶修(險),并連接GIS地理信息系統以及GPS安防系統,保證風電場安全穩定運行。
9. 風電場人員運行檢修技術能力提高
  針對目前風電場新員工較多的情況,應加強員工的技術、安全、管理制度方面的培訓。根據風電場野外、高空作業的特殊條件,進行專項培訓,如登高作業培訓、逃生訓練、急救培訓,應對風電設備、電氣設備的原理、結構、操作方面的知識進行培訓,使員工在正式參加風電場工作之前就具備最基本的電業安全知識、電力法律法規、技術基礎知識、動手操作能力等方面的知識和基本技能,避免工作中發生人身和設備事故。
9.1 崗前培訓:


 · 基本原理學習
 · 安全培訓
 · 登高訓練
9.2專業培訓:
 · 機械部分理論及動手操作培訓
 · 電氣系統理論及操作培訓
 · 仿真培訓
 · 經驗積累(現場實習)
9.3 考核:
  風電場應定期組織員工進行安全、技術考核,如安全規程、技術理論和技術操作,并根據考核結果競爭上崗。
10. 結論
  我國風電場運行維護檢修工作面臨很多新問題,需要通過不斷提高風電場運行檢修人員的技術水平,采用專業化的技術手段,建立良好的風電場運行維護技術管理體系,才能有效解決目前存在的問題,保證風電場良好發電穩定性,確保整個風電行業健康發展。

圖5:風電場運行檢修網絡圖

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