風電機組維護與診斷.ppt

1、風電機組維護與診斷 現(xiàn)狀、難點、經(jīng)濟效益,邢建輝 博士 威能極(天津) 風力發(fā)電驅(qū)動有限公司西門子(中國) 研究院,威能極風機傳動鏈,新產(chǎn)品研發(fā)/ R&D,威能極代表著當今最先進的風電機組齒輪箱設計 已成功實現(xiàn)了6MW齒輪箱原型樣機 優(yōu)化風電機組的能量傳輸： 先進的在線自動狀態(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用、研發(fā)和測試工作,能夠提供完整的風電機組傳動鏈產(chǎn)品，同時提供電變槳系統(tǒng)和狀態(tài)診斷系統(tǒng),齒輪箱,聯(lián)軸器,變流器,威能極的風電機組傳動鏈解決方案,能源集團,Fossil Power Generation,Renewable Energy,Oil & Gas,Pow

2、er Transmission,Power Distribution,Drive Technologies,工業(yè)集團,醫(yī)療集團,Industry Automation,Building Technologies,Imaging & IT,Workflow & Solutions,Diagnostics,Industry Solutions,Osram,Mobility,傳動部,威能極：知名風電部件供應商,研究院,德國,美國,中國,英國,印度,主要內(nèi)容,預知維護與振動監(jiān)測技術 - 現(xiàn)狀 難點 技術和管理 經(jīng)濟效益分析,維護策略,預防性維護,響應式維護,基于時間定期維護,基于實際狀態(tài),預知維護,運

3、行到故障發(fā)生,問題在于：如何準確知道機組關鍵部件的狀態(tài)？ 振動監(jiān)測與診斷： 在線采集機組振動信號，通過分析主傳動鏈振動，診斷主軸承、 齒輪箱、發(fā)電機的缺陷，從而為維護工作提供依據(jù),對于關鍵部件 高成本: - 吊車租用 - 修理/解體 - 發(fā)電量損失 - 安全風險,對于關鍵部件-成本較高: - 過于頻繁更換部件 - 難于定義“合適”的時間間隔,對于關鍵部件成本較低 - 只在需要時進行維護 - 早期發(fā)現(xiàn)故障降低吊車/修理費用,各種維護方式,數(shù)據(jù)來源: NREL, 2006,齒輪箱,發(fā)電機,在風力發(fā)電機組20年設計壽命中，齒輪箱與發(fā)電機維護費用占風機所有部件維護費用的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)電機及冷卻系統(tǒng),其它部件,（包括更換部件費用）,（總計20年內(nèi)）,部件維護費用，按系統(tǒng)分類,關鍵部件,1,5,6,2,振動標準 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 傳感器,一級： 振動速度值，寬帶（101k Hz） RMS值的閾值監(jiān)測，閾值的設置標準

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、包絡譜、時間序列分析等,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 數(shù)據(jù)分析,硬件 WinTControl 8個振動加速度通道 獲得GL認證和Allianz保險公司認證,軟件 OmniTrend 基本分析功能 (FFT, etc.) 可通過Modem遠程訪問,專家遠程分析數(shù)據(jù) 提供診斷報告 提供處理建

7、議,振動監(jiān)測技術 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)風機驅(qū)動鏈內(nèi)的各種機械故障 自動預測風機部件的可安全運行剩余壽命 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,自動生成診斷報告（趨勢圖、結(jié)論、預測、建議）,自動診斷報告,基于振動監(jiān)測的風電機組維護 現(xiàn)狀,國內(nèi)風電場目前基本采用小件“響應維護”，大件“定期維護”的模式 通常問題比較嚴重了才被發(fā)現(xiàn)，例：齒輪箱高速端軸承/齒輪 從2008年起，國內(nèi)龍源、國華、中節(jié)能、粵電等風電運營企業(yè)開始嘗試將主傳動鏈的振動監(jiān)測分析

8、引入機組維護工作體系 目前仍沒有大規(guī)模采用，既有技術也有管理流程的原因 在歐洲，兆瓦級風力發(fā)電機組被強制要求具有狀態(tài)監(jiān)測功能,歐洲的保險公司與風機認證機構要求在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)作為風力發(fā)電機組標準系統(tǒng)配置的一部分： 認證機構包括: 德國船級社 , 挪威船級社 保險公司包括: Allianz , Gothaer , Royal & Sun Alliance Allianz 要求參險風機驅(qū)動鏈中的所有軸承在運行40,000 工作小時或5年后必須強制更換，除非參險風機中已經(jīng)安裝經(jīng)過認證的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。,主要內(nèi)容,預知維護與振動監(jiān)測技術 - 現(xiàn)狀 難點 技術和管理 經(jīng)濟效益分析,兆瓦級風電機組基本都是變

9、速運行 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 相對成熟,難點一：變轉(zhuǎn)速運行,難點二：機組運行工況劃分,風速的變化導致機組出力的變化，出力的變化導致振動水平的變化 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 尚未成熟,振動監(jiān)測設備廠家或總公司振動分析部門 - 振動報警 - 分析 - 認為有故障 - 建議更換,風電場現(xiàn)場維護部門 現(xiàn)場檢查 沒問題 不再相信,難點三：如何確認故障,“眼見為實” 振動診斷有誤報率，有風險，誰來承擔？ 如何確定何時更換？ 振動監(jiān)測 + 自動診斷 + 現(xiàn)場檢查 + 維護建議 + 設備維修/更換,費用？ 責任？,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,難點四：責任分擔,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,!,難點四：責任分擔,主要內(nèi)容,預知維護與振動監(jiān)測技術 - 現(xiàn)狀 難點 技術和管理 經(jīng)濟效益分析,避免早發(fā)故障導致更為嚴重的故障破壞 便于提前計劃組織維修設備與維修人員 便于提前安排備件采購 減少不必要的部件更換，以降低維修費用與停機時間 便于統(tǒng)籌安排多臺風機的部件更換，以降低總體吊車使用

14、費用和準備時間,安裝使用風力發(fā)電機組狀態(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，預測故障維修時間，從以下幾個方面為風力發(fā)電機組的運行維護節(jié)約費用支出：,風力發(fā)電機組狀態(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)故障導致更為嚴重的故障破壞，盡量在塔上進行維修,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個主要部件損壞，其它可重用 3級: 2-3個主要部件損壞，其它可重用 更換齒輪箱: 殼體損壞或4個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機組齒輪箱損壞,數(shù)據(jù)來源: NREL, 2008,數(shù)據(jù)來源: , 2006,在風機第4個運行年中，齒輪箱過早故障的平均發(fā)生率為0.03次/年/臺風機，發(fā)電機為0.04次/年/臺風機。,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)電機故障率,次/年/臺風機,次/年/臺風機,運行時間（年）,

19、運行時間（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,風機齒輪箱和發(fā)電機故障率以及齒輪箱故障類型,數(shù)據(jù)來源: EPRI, 2006,總費用: $213,154,總費用: $208,369,注釋: 當齒輪箱高速軸軸承發(fā)生故障時，可以在風機機艙內(nèi)實施更換維修。因此，若在該軸承故障導致齒輪箱發(fā)生更為嚴重的破壞性故障之前更換維修，則可以節(jié)省大量吊車費用和維修費用。 按照15小時的停機時間計算因機艙內(nèi)維修或現(xiàn)場已有吊車與備件情況下的計劃維修導致的發(fā)電收入損失。 按照7天停機時間計算由非計劃維修導致的發(fā)電收入損失。,非計劃齒輪箱維修費用 （1500kW）,齒輪箱被吊下更換維修，無備件,非計劃維修導致的 發(fā)電收入損失 非計劃維修費用 吊車費用,計劃維修導致的 發(fā)電收入損失 計劃維修費用 吊車費用,計劃齒輪箱維修費用 （1500kW）,齒輪箱被吊下更換維修，有備件,計劃維修導