风电机组维护与诊断

nullnull风电机组维护与诊断 –– 现状、难点、经济效益邢建辉 博士 威能极(天津) 风力发电驱动有限公司 西门子(中国) 研究院 null威能极风机传动链新产品研发/ R&D 威能极代表着当今最先进的风电机组齿轮箱设计 已成功实现了6MW齿轮箱原型样机 优化风电机组的能量传输： 先进的在线自动状态诊断系统 变桨系统和控制器 15%的威能极员工常年投身工程应用、研发和测试工作能够提供完整的风电机组传动链产品，同时提供电变桨系统和状态诊断系统齿轮箱 联轴器变流器威能极的风电机组传动链解决null能源集团Fossil Power GenerationRenewable EnergyOil & GasPower TransmissionPower DistributionDrive Technologies工业集团医疗集团Industry AutomationBuilding TechnologiesImaging & ITWorkflow & SolutionsDiagnosticsIndustry SolutionsOsramMobility传动部威能极：知名风电部件供应商研究院德国美国中国英国印度主要内容主要内容预知维护与振动监测技术 -- 现状 难点 – 技术和管理 经济效益分析null维护策略预防性维护响应式维护基于时间定期维护基于实际状态预知维护运行到故障发生问在于：如何准确知道机组关键部件的状态？  振动监测与诊断： 在线采集机组振动信号，通过分析主传动链振动，诊断主轴承、 齿轮箱、发电机的缺陷，从而为维护工作提供依据 对于关键部件 – 高成本: - 吊车租用 - 修理/解体 - 发电量损失 - 安全风险对于关键部件-成本较高: - 过于频繁更换部件 - 难于定义“合适”的时间间隔对于关键部件—成本较低 - 只在需要时进行维护 - 早期发现故障降低吊车/修理费用各种维护方式null数据来源: NREL, 2006齿轮箱发电机 在风力发电机组20年设计寿命中，齿轮箱与发电机维护费用占风机所有部件维护费用的60%以上。因此，振动监测/诊断系统将齿轮与发电机选为重要的监测诊断对象。叶片偏航系统刹车与液压系统控制系统主轴及联轴器电气及并网系统齿轮箱及润滑系统发电机及冷却系统其它部件（包括更换部件费用）（总计20年内）部件维护费用，按系统分类关键部件null1562振动 VDI 3834 Part 1 – “Measurement and Evaluation of the Mechanical Vibration of Wind Energy Turbines and Their Components“振动监测技术 – 传感器null一级： 振动速度值，宽带（10~1k Hz） RMS值的阈值监测，阈值的设置标准 VDI 3834-1 二级： 振动速度/加速度，窄带（根据特征频率选择） RMS值的阈值监测 进一步分析频谱 三级： 深入诊断（故障位置、类型） 方法包括：频谱、包络谱、时间序列分析等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 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振动监测技术 – 数据分析null硬件 WinTControl 8个振动加速度通道 获得GL认证和Allianz保险公司认证软件 OmniTrend 基本分析功能 (FFT, etc.) 可通过Modem远程访问专家远程分析数据 提供诊断 提供处理建议振动监测技术 – 现状提供具有故障识别及故障定位功能的自动故障诊断 早期发现风机驱动链内的各种机械故障 自动预测风机部件的可安全运行剩余寿命 以易于理解的简洁文本形式描述故障类型与故障位置 基于互联网WWW远程访问信号采集 + 基本分析 + 人工诊断自动诊断典型故障 + 人工诊断疑难杂症null自动生成诊断报告（趋势图、结论、预测、建议）自动诊断报告null基于振动监测的风电机组维护 – 现状国内风电场目前基本采用小件“响应维护”，大件“定期维护”的模式 通常问题比较严重了才被发现，例：齿轮箱高速端轴承/齿轮 从2008年起，国内龙源、国华、中节能、粤电等风电运营企业开始尝试将主传动链的振动监测分析引入机组维护工作体系 目前仍没有大规模采用，既有技术也有管理的原因 在欧洲，兆瓦级风力发电机组被强制要求具有状态监测功能欧洲的保险公司与风机认证机构要求在线状态监测系统作为风力发电机组标准系统配置的一部分： 认证机构包括: 德国船级社 , 挪威船级社 保险公司包括: Allianz , Gothaer , Royal & Sun Alliance Allianz 要求参险风机驱动链中的所有轴承在运行40,000 工作小时或5年后必须强制更换，除非参险风机中已经安装经过认证的状态监测系统。主要内容主要内容预知维护与振动监测技术 -- 现状 难点 – 技术和管理 经济效益分析null兆瓦级风电机组基本都是变速运行 转速的改变会“抹掉”振动信号中的有用信息采用“阶次跟踪分析(OTA)”技术 – 相对成熟难点一：变转速运行null难点二：机组运行工况划分风速的变化导致机组出力的变化，出力的变化导致振动水平的变化 必须在相同工况下比较振动值 采用多变量状态划分技术 – 尚未成熟null振动监测设备厂家或 总公司振动分析部门 -- 振动报警 -- 分析 -- 认为有故障 -- 建议更换风电场现场维护部门 现场检查 没问题 不再相信难点三：如何确认故障“眼见为实” 振动诊断有误报率，有风险，谁来承担？ 如何确定何时更换？ 振动监测 + 自动诊断 + 现场检查 + 维护建议 + 设备维修/更换费用？ 责任？nullWinergyInternetInternet PlatformTurbinebuilderFirewallFirewallCondition Monitoring CenterTest BenchComponentSystemCondition Monitoring CenterFirewallServer FarmDatabaseCASTOMATSIMATIC TPET200SSINAMICS CU310ET200SDYNAVERT XLTorque Cos φSINAMICS S120Microbox 427ET200S safetySENTRONSIRIUSSIPROTECSCALANCE WPitchYawGearboxGeneratorConverterElectrical EquipmentGrid AccessControllerTurbineSCALANCE XControl RoomAcc. SensorsFirewallLANAcc. SensorsP350WindparkSIMOTION PNacelleDigital Fingerprint No.: XYZ难点四：责任分担nullWinergyInternetInternet PlatformTurbinebuilderFirewallFirewallCondition Monitoring CenterComponentSystemCondition Monitoring CenterFirewallServer FarmDatabaseCASTOMATSIMATIC TPET200SSINAMICS CU310ET200SDYNAVERT XLTorque Cos φSINAMICS S120Microbox 427ET200S safetySENTRONSIRIUSSIPROTECSCALANCE WPitchYawGearboxGeneratorConverterElectrical EquipmentGrid AccessControllerTurbineSCALANCE XControl RoomAcc. SensorsFirewallLANAcc. SensorsP350WindparkSIMOTION P Trend Data!难点四：责任分担主要内容主要内容预知维护与振动监测技术 -- 现状 难点 – 技术和管理 经济效益分析null避免早发故障导致更为严重的故障破坏 便于提前计划组织维修设备与维修人员 便于提前安排备件采购 减少不必要的部件更换，以降低维修费用与停机时间 便于统筹安排多台风机的部件更换，以降低总体吊车使用费用和准备时间 安装使用风力发电机组状态诊断系统，通过尽早发现故障，监测故障程度发展趋势，预测故障维修时间，从以下几个方面为风力发电机组的运行维护节约费用支出：风力发电机组状态诊断可以带来的收益null行星齿轮表面有零星剥落大面积齿面损伤断齿轮齿表面缺陷早期避免早发故障导致更为严重的故障破坏，尽量在塔上进行维修早期发现故障避免高维修成本威能极厂内定义的齿轮箱损伤级别 1级: 所有主要部件可重用 2级: 1个主要部件损坏，其它可重用 3级: 2-3个主要部件损坏，其它可重用 更换齿轮箱: 壳体损坏或4个及以上主要部件损坏nullNote: Crane, labour, tools and travel 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 and 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机组齿轮箱损坏nullNote: Crane, labour, tools and travel 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 and 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：SWP 3.6MW机组齿轮箱损坏null数据来源: NREL, 2008数据来源: , 2006 在风机第4个运行年中，齿轮箱过早故障的平均发生率为0.03次/年/台风机，发电机为0.04次/年/台风机。 大部分齿轮箱故障发生在高速级和行星级区域，大部分齿轮箱零件故障是轴承故障。齿轮箱故障率发电机故障率次/年/台风机次/年/台风机运行时间（年）运行时间（年）常规故障过早故障趋势齿轮箱故障部位高速级 中间级 行星级 其它轴承 齿轮 泵 壳体齿轮箱故障零件风机齿轮箱和发电机故障率以及齿轮箱故障类型null数据来源: EPRI, 2006总费用: $213,154总费用: $208,369注释: 当齿轮箱高速轴轴承发生故障时，可以在风机机舱内实施更换维修。因此，若在该轴承故障导致齿轮箱发生更为严重的破坏性故障之前更换维修，则可以节省大量吊车费用和维修费用。 按照15小时的停机时间计算因机舱内维修或现场已有吊车与备件情况下的计划维修导致的发电收入损失。 按照7天停机时间计算由非计划维修导致的发电收入损失。非计划齿轮箱维修费用 （1500kW）齿轮箱被吊下更换维修，无备件非计划维修导致的 发电收入损失 非计划维修费用 吊车费用计划维修导致的 发电收入损失 计划维修费用 吊车费用计划齿轮箱维修费用 （1500kW）齿轮箱被吊下更换维修，有备件计划维修导致的发电收入损失 计划维修费用 计划齿轮箱维修费用 （1500kW）风机机舱内实施齿轮箱维修，有备件计划与非计划齿轮箱故障维修费用对比null创造效益节约齿轮箱 维修费用 21,240 元/台/年风机齿轮箱故障率 0.03 次/年/台齿轮箱整体吊装维修 平均维修费用 （含吊车与人工费） RMB 1,200,000使用状态诊断系统，齿轮箱维修费可平均节省59%已安装风机估计总量 20000 台节约齿轮箱 维修费用 424,800,000 元/年null预知维护如果得以实施，可以创造巨大的经济效益 难点在于技术和管理两方面 威能极能够提供从状态诊断系统到维修的全流程服务，帮助风电场采用预知维护，降低机组维护成本总结= Remote Monitoring and Preventive ExchangeVibration Monitoring Drive Train Main Shaft, Gearbox and GeneratorRemote Monitoring / Wind Fleet ManagementServicesFunctionalityLoad MonitoringOil MonitoringAdvanced CM Pitch, Controller, SCADA, Yaw, Converter, Elec. Parts, Grid Access= Product RoadmapLong term service agreements