1、風(fēng)電機(jī)組維護(hù)與診斷 現(xiàn)狀、難點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)效益,邢建輝 博士 威能極(天津) 風(fēng)力發(fā)電驅(qū)動有限公司西門子(中國) 研究院,威能極風(fēng)機(jī)傳動鏈,新產(chǎn)品研發(fā)/ R&D,威能極代表著當(dāng)今最先進(jìn)的風(fēng)電機(jī)組齒輪箱設(shè)計(jì) 已成功實(shí)現(xiàn)了6MW齒輪箱原型樣機(jī) 優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組的能量傳輸： 先進(jìn)的在線自動狀態(tài)診斷系統(tǒng) 變槳系統(tǒng)和控制器 15%的威能極員工常年投身工程應(yīng)用、研發(fā)和測試工作,能夠提供完整的風(fēng)電機(jī)組傳動鏈產(chǎn)品，同時(shí)提供電變槳系統(tǒng)和狀態(tài)診斷系統(tǒng),齒輪箱,聯(lián)軸器,變流器,威能極的風(fēng)電機(jī)組傳動鏈解決方案,能源集團(tuán),Fossil Power Generation,Renewable Energy,Oil & Gas,Pow

2、er Transmission,Power Distribution,Drive Technologies,工業(yè)集團(tuán),醫(yī)療集團(tuán),Industry Automation,Building Technologies,Imaging & IT,Workflow & Solutions,Diagnostics,Industry Solutions,Osram,Mobility,傳動部,威能極：知名風(fēng)電部件供應(yīng)商,研究院,德國,美國,中國,英國,印度,主要內(nèi)容,預(yù)知維護(hù)與振動監(jiān)測技術(shù) - 現(xiàn)狀 難點(diǎn) 技術(shù)和管理 經(jīng)濟(jì)效益分析,維護(hù)策略,預(yù)防性維護(hù),響應(yīng)式維護(hù),基于時(shí)間定期維護(hù),基于實(shí)際狀態(tài),預(yù)知維護(hù),運(yùn)

3、行到故障發(fā)生,問題在于：如何準(zhǔn)確知道機(jī)組關(guān)鍵部件的狀態(tài)？ 振動監(jiān)測與診斷： 在線采集機(jī)組振動信號，通過分析主傳動鏈振動，診斷主軸承、 齒輪箱、發(fā)電機(jī)的缺陷，從而為維護(hù)工作提供依據(jù),對于關(guān)鍵部件 高成本: - 吊車租用 - 修理/解體 - 發(fā)電量損失 - 安全風(fēng)險(xiǎn),對于關(guān)鍵部件-成本較高: - 過于頻繁更換部件 - 難于定義“合適”的時(shí)間間隔,對于關(guān)鍵部件成本較低 - 只在需要時(shí)進(jìn)行維護(hù) - 早期發(fā)現(xiàn)故障降低吊車/修理費(fèi)用,各種維護(hù)方式,數(shù)據(jù)來源: NREL, 2006,齒輪箱,發(fā)電機(jī),在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組20年設(shè)計(jì)壽命中，齒輪箱與發(fā)電機(jī)維護(hù)費(fèi)用占風(fēng)機(jī)所有部件維護(hù)費(fèi)用的60%以上。因此，振動監(jiān)測/診斷

4、系統(tǒng)將齒輪與發(fā)電機(jī)選為重要的監(jiān)測診斷對象。,葉片,偏航系統(tǒng),剎車與液壓系統(tǒng),控制系統(tǒng),主軸及聯(lián)軸器,電氣及并網(wǎng)系統(tǒng),齒輪箱及潤滑系統(tǒng),發(fā)電機(jī)及冷卻系統(tǒng),其它部件,（包括更換部件費(fèi)用）,（總計(jì)20年內(nèi)）,部件維護(hù)費(fèi)用，按系統(tǒng)分類,關(guān)鍵部件,1,5,6,2,振動標(biāo)準(zhǔn) VDI 3834 Part 1 “Measurement and Evaluation of the Mechanical Vibration of Wind Energy Turbines and Their Components“,振動監(jiān)測技術(shù) 傳感器,一級： 振動速度值，寬帶（101k Hz） RMS值的閾值監(jiān)測，閾值的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)

5、 VDI 3834-1 二級： 振動速度/加速度，窄帶（根據(jù)特征頻率選擇） RMS值的閾值監(jiān)測 進(jìn)一步分析頻譜 三級： 深入診斷（故障位置、類型）方法包括：頻譜、包絡(luò)譜、時(shí)間序列分析等,VDI 3834-1: Measurement and evaluation of the mechanical vibration of wind energy turbines and their components Onshore wind energy turbines with gears ISO 10816-3: Mechanical vibration Evaluation of machine

6、 vibration by measurements on non-rotating parts Industrial machines with nominal power above 15 kW and nominal speeds between 120 r/min and 15 000 r/min when measured in situ,振動監(jiān)測技術(shù) 數(shù)據(jù)分析,硬件 WinTControl 8個(gè)振動加速度通道 獲得GL認(rèn)證和Allianz保險(xiǎn)公司認(rèn)證,軟件 OmniTrend 基本分析功能 (FFT, etc.) 可通過Modem遠(yuǎn)程訪問,專家遠(yuǎn)程分析數(shù)據(jù) 提供診斷報(bào)告 提供處理建

7、議,振動監(jiān)測技術(shù) 現(xiàn)狀,提供具有故障識別及故障定位功能的自動故障診斷 早期發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)驅(qū)動鏈內(nèi)的各種機(jī)械故障 自動預(yù)測風(fēng)機(jī)部件的可安全運(yùn)行剩余壽命 以易于理解的簡潔文本形式描述故障類型與故障位置 基于互聯(lián)網(wǎng)WWW遠(yuǎn)程訪問,信號采集 + 基本分析 + 人工診斷,自動診斷典型故障 + 人工診斷疑難雜癥,自動生成診斷報(bào)告（趨勢圖、結(jié)論、預(yù)測、建議）,自動診斷報(bào)告,基于振動監(jiān)測的風(fēng)電機(jī)組維護(hù) 現(xiàn)狀,國內(nèi)風(fēng)電場目前基本采用小件“響應(yīng)維護(hù)”，大件“定期維護(hù)”的模式 通常問題比較嚴(yán)重了才被發(fā)現(xiàn)，例：齒輪箱高速端軸承/齒輪 從2008年起，國內(nèi)龍?jiān)?、國華、中節(jié)能、粵電等風(fēng)電運(yùn)營企業(yè)開始嘗試將主傳動鏈的振動監(jiān)測分析

8、引入機(jī)組維護(hù)工作體系 目前仍沒有大規(guī)模采用，既有技術(shù)也有管理流程的原因 在歐洲，兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組被強(qiáng)制要求具有狀態(tài)監(jiān)測功能,歐洲的保險(xiǎn)公司與風(fēng)機(jī)認(rèn)證機(jī)構(gòu)要求在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)配置的一部分： 認(rèn)證機(jī)構(gòu)包括: 德國船級社 , 挪威船級社 保險(xiǎn)公司包括: Allianz , Gothaer , Royal & Sun Alliance Allianz 要求參險(xiǎn)風(fēng)機(jī)驅(qū)動鏈中的所有軸承在運(yùn)行40,000 工作小時(shí)或5年后必須強(qiáng)制更換，除非參險(xiǎn)風(fēng)機(jī)中已經(jīng)安裝經(jīng)過認(rèn)證的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。,主要內(nèi)容,預(yù)知維護(hù)與振動監(jiān)測技術(shù) - 現(xiàn)狀 難點(diǎn) 技術(shù)和管理 經(jīng)濟(jì)效益分析,兆瓦級風(fēng)電機(jī)組基本都是變

9、速運(yùn)行 轉(zhuǎn)速的改變會“抹掉”振動信號中的有用信息,采用“階次跟蹤分析(OTA)”技術(shù) 相對成熟,難點(diǎn)一：變轉(zhuǎn)速運(yùn)行,難點(diǎn)二：機(jī)組運(yùn)行工況劃分,風(fēng)速的變化導(dǎo)致機(jī)組出力的變化，出力的變化導(dǎo)致振動水平的變化 必須在相同工況下比較振動值 采用多變量狀態(tài)劃分技術(shù) 尚未成熟,振動監(jiān)測設(shè)備廠家或總公司振動分析部門 - 振動報(bào)警 - 分析 - 認(rèn)為有故障 - 建議更換,風(fēng)電場現(xiàn)場維護(hù)部門 現(xiàn)場檢查 沒問題 不再相信,難點(diǎn)三：如何確認(rèn)故障,“眼見為實(shí)” 振動診斷有誤報(bào)率，有風(fēng)險(xiǎn)，誰來承擔(dān)？ 如何確定何時(shí)更換？ 振動監(jiān)測 + 自動診斷 + 現(xiàn)場檢查 + 維護(hù)建議 + 設(shè)備維修/更換,費(fèi)用？ 責(zé)任？,Winergy

10、,Internet,Internet Platform,Turbinebuilder,Firewall,Firewall,Condition Monitoring Center,Test Bench,Component,System,Condition Monitoring Center,Firewall,ServerFarm,Database,CASTOMAT,SIMATIC TP,ET200S,SINAMICS CU310,ET200S,DYNAVERT XL,Torque Cos ,SINAMICS S120,Microbox 427,ET200S safety,SENTRON,SIRI

11、US,SIPROTEC,SCALANCE W,Pitch,Yaw,Gearbox,Generator,Converter,Electrical Equipment,Grid Access,Controller,Turbine,SCALANCE X,Control Room,Acc. Sensors,Firewall,LAN,Acc. Sensors,P350,Windpark,SIMOTION P,Nacelle,Digital Fingerprint No.: XYZ,難點(diǎn)四：責(zé)任分擔(dān),Winergy,Internet,Internet Platform,Turbinebuilder,Fir

12、ewall,Firewall,Condition Monitoring Center,Component,System,Condition Monitoring Center,Firewall,ServerFarm,Database,CASTOMAT,SIMATIC TP,ET200S,SINAMICS CU310,ET200S,DYNAVERT XL,Torque Cos ,SINAMICS S120,Microbox 427,ET200S safety,SENTRON,SIRIUS,SIPROTEC,SCALANCE W,Pitch,Yaw,Gearbox,Generator,Conver

13、ter,Electrical Equipment,Grid Access,Controller,Turbine,SCALANCE X,Control Room,Acc. Sensors,Firewall,LAN,Acc. Sensors,P350,Windpark,SIMOTION P,Trend Data,!,難點(diǎn)四：責(zé)任分擔(dān),主要內(nèi)容,預(yù)知維護(hù)與振動監(jiān)測技術(shù) - 現(xiàn)狀 難點(diǎn) 技術(shù)和管理 經(jīng)濟(jì)效益分析,避免早發(fā)故障導(dǎo)致更為嚴(yán)重的故障破壞 便于提前計(jì)劃組織維修設(shè)備與維修人員 便于提前安排備件采購 減少不必要的部件更換，以降低維修費(fèi)用與停機(jī)時(shí)間 便于統(tǒng)籌安排多臺風(fēng)機(jī)的部件更換，以降低總體吊車使用

14、費(fèi)用和準(zhǔn)備時(shí)間,安裝使用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)診斷系統(tǒng)，通過盡早發(fā)現(xiàn)故障，監(jiān)測故障程度發(fā)展趨勢，預(yù)測故障維修時(shí)間，從以下幾個(gè)方面為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)節(jié)約費(fèi)用支出：,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)診斷可以帶來的收益,行星齒輪表面有零星剝落,大面積齒面損傷,斷齒,輪齒表面缺陷早期,避免早發(fā)故障導(dǎo)致更為嚴(yán)重的故障破壞，盡量在塔上進(jìn)行維修,早期發(fā)現(xiàn)故障避免高維修成本,威能極廠內(nèi)定義的齒輪箱損傷級別 1級: 所有主要部件可重用 2級: 1個(gè)主要部件損壞，其它可重用 3級: 2-3個(gè)主要部件損壞，其它可重用 更換齒輪箱: 殼體損壞或4個(gè)及以上主要部件損壞,Note: Crane, labour, tools and tr

15、avel expenses are not considered Note: Energy/revenue loss is not considered. 1) Prediction on generator bearing failures remedied in time versus damaging generator shaft 2) Prediction and exchange main bearing to a refurbished main shaft or grease bearing on-site. Consequential damage is removing a

16、nd refurbish main shaft and gearbox. On-site crane is required in both cases. 3) Prediction on planetary bearings at Damage Class 1 versus consequential damage at Damage Class 2 or 3.,案例：GE 1.5MW機(jī)組齒輪箱損壞,Note: Crane, labour, tools and travel expenses are not considered Note: Energy/revenue loss is no

17、t considered. 1) Prediction on generator bearing failures remedied in time versus damaging generator shaft 2) Prediction and exchange main bearing to a refurbished main shaft or grease bearing on-site. Consequential damage is removing and refurbish main shaft and gearbox. On-site crane is required i

18、n both cases. 3) Prediction on planetary bearings at Damage Class 1 versus consequential damage at Damage Class 2 or 3.,案例：SWP 3.6MW機(jī)組齒輪箱損壞,數(shù)據(jù)來源: NREL, 2008,數(shù)據(jù)來源: , 2006,在風(fēng)機(jī)第4個(gè)運(yùn)行年中，齒輪箱過早故障的平均發(fā)生率為0.03次/年/臺風(fēng)機(jī)，發(fā)電機(jī)為0.04次/年/臺風(fēng)機(jī)。,大部分齒輪箱故障發(fā)生在高速級和行星級區(qū)域，大部分齒輪箱零件故障是軸承故障。,齒輪箱故障率,發(fā)電機(jī)故障率,次/年/臺風(fēng)機(jī),次/年/臺風(fēng)機(jī),運(yùn)行時(shí)間（年）,

19、運(yùn)行時(shí)間（年）,常規(guī)故障,過早故障,趨勢,齒輪箱故障部位,高速級 中間級 行星級 其它,軸承 齒輪 泵 殼體,齒輪箱故障零件,風(fēng)機(jī)齒輪箱和發(fā)電機(jī)故障率以及齒輪箱故障類型,數(shù)據(jù)來源: EPRI, 2006,總費(fèi)用: $213,154,總費(fèi)用: $208,369,注釋: 當(dāng)齒輪箱高速軸軸承發(fā)生故障時(shí)，可以在風(fēng)機(jī)機(jī)艙內(nèi)實(shí)施更換維修。因此，若在該軸承故障導(dǎo)致齒輪箱發(fā)生更為嚴(yán)重的破壞性故障之前更換維修，則可以節(jié)省大量吊車費(fèi)用和維修費(fèi)用。 按照15小時(shí)的停機(jī)時(shí)間計(jì)算因機(jī)艙內(nèi)維修或現(xiàn)場已有吊車與備件情況下的計(jì)劃維修導(dǎo)致的發(fā)電收入損失。 按照7天停機(jī)時(shí)間計(jì)算由非計(jì)劃維修導(dǎo)致的發(fā)電收入損失。,非計(jì)劃齒輪箱維修費(fèi)用 （1500kW）,齒輪箱被吊下更換維修，無備件,非計(jì)劃維修導(dǎo)致的 發(fā)電收入損失 非計(jì)劃維修費(fèi)用 吊車費(fèi)用,計(jì)劃維修導(dǎo)致的 發(fā)電收入損失 計(jì)劃維修費(fèi)用 吊車費(fèi)用,計(jì)劃齒輪箱維修費(fèi)用 （1500kW）,齒輪箱被吊下更換維修，有備件,計(jì)劃維修導(dǎo)