風(fēng)電機(jī)組延壽技術(shù)與服務(wù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析

文|張世惠，黃一凌，周毛

風(fēng)電機(jī)組延壽技術(shù)與服務(wù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析

文|張世惠，黃一凌，周毛

風(fēng)電機(jī)組延壽的目的和意義

風(fēng)電機(jī)組設(shè)計壽命按照GB/T18451.1/IEC61400-1標(biāo)準(zhǔn)要求至少20年。目前有些機(jī)組已經(jīng)或接近設(shè)計壽命，需要確定其整機(jī)或主要部件壽命損耗及剩余可用壽命（RUL）。從過去幾年風(fēng)電裝機(jī)容量高速增長來看，意味著可能在不久的將來，更多的風(fēng)電機(jī)組最終將接近或達(dá)到其設(shè)計壽命的終結(jié)。

機(jī)組的擁有者在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行后期，由于設(shè)備較高的故障率，是否需要（提前）報廢拆除，還是評估、改造及升級、延長壽命后繼續(xù)運(yùn)行將面臨艱難抉擇。因此需要進(jìn)行機(jī)組延長壽命成本和效益的評估，并與新建更大單機(jī)容量機(jī)組的成本效益進(jìn)行比較，特別是山區(qū)和海島等復(fù)雜地形，還包括大型機(jī)組建設(shè)困難、成本高的區(qū)域。

一、風(fēng)電場資產(chǎn)回報效益的提升

一般有4個方面影響風(fēng)電場資產(chǎn)回報率：內(nèi)部收益率，即設(shè)備可用率、風(fēng)電場發(fā)電效率、運(yùn)維成本、機(jī)組壽命及延長。

（一）設(shè)備可用率

風(fēng)電場主設(shè)備即風(fēng)電機(jī)組的可用率是影響風(fēng)電場內(nèi)部收益率最主要的因素之一。通常要求機(jī)組單臺可用率達(dá)到95%以上才能滿足風(fēng)電場正常效益的需求。要達(dá)到這一目標(biāo)需要分析機(jī)組大部件及小部件的故障率、風(fēng)電場運(yùn)行維護(hù)策略及水平、備品備件的供應(yīng)等因素。如果采用更高可靠性的機(jī)組和設(shè)備（高可靠性部件配置）或可靠性提升的技術(shù)改造，高水平的運(yùn)行維護(hù)隊伍及充分及時的備件供應(yīng)，風(fēng)電機(jī)組可用率可以提升3%或以上。

（二）風(fēng)電場發(fā)電效率

風(fēng)電場的發(fā)電效率包括設(shè)備的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率、電能轉(zhuǎn)換及傳輸效率、風(fēng)電場的綜合廠用電率、發(fā)電量和上網(wǎng)電量等。而且機(jī)組控制策略、機(jī)組機(jī)群控制策略、監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）的優(yōu)化控制、AGC/AVC系統(tǒng)控制都有可能會影響風(fēng)電場發(fā)電效率。機(jī)組故障如風(fēng)向標(biāo)故障、偏航錯誤等影響風(fēng)能最佳轉(zhuǎn)換效率、葉片表面污染物附著引起空氣動力學(xué)性能下降導(dǎo)致風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率下降等。一些技術(shù)升級改進(jìn)措施可以提升風(fēng)電設(shè)備風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，如葉片延長、渦流發(fā)生器等。上述因素有可能將風(fēng)電場的發(fā)電效率提升2%或以上。

（三）運(yùn)維成本

風(fēng)電場運(yùn)維成本與運(yùn)維商業(yè)模式、運(yùn)維策略、管理和技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)有關(guān)。目前一般風(fēng)電場運(yùn)維分為業(yè)主自主（包括業(yè)主設(shè)立的區(qū)域檢修公司）、主機(jī)廠設(shè)備質(zhì)保期運(yùn)維、第三方運(yùn)維或檢修等商業(yè)模式。運(yùn)維策略包括定期及應(yīng)急、預(yù)防性等策略。運(yùn)維成本和機(jī)組本身質(zhì)量、維修成本、備件價格、運(yùn)維人員數(shù)量、成本、運(yùn)維質(zhì)量、運(yùn)維隊伍管理和技術(shù)改進(jìn)水平等諸多因素有關(guān)。上述不同的運(yùn)維方式可能影響成本降低10%或以上。

（四）風(fēng)電機(jī)組壽命延長

機(jī)組結(jié)構(gòu)按設(shè)計標(biāo)淮和規(guī)范被設(shè)計，在通常風(fēng)能資源和運(yùn)行工況下滿足20的年疲勞壽命的要求。一般實際風(fēng)況如空氣密度、湍流強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計工況有所不同，可能設(shè)計是比較保守的。因此預(yù)計的機(jī)組20年運(yùn)行之后，有可能結(jié)構(gòu)不會全部消耗殆盡，而是可能有更長壽命，需要判斷其剩余壽命和價值。

每種機(jī)組機(jī)型和技術(shù)在不同邊界條件下，有不同敏感度，因此確定每個部件的壽命如剩余有用壽命（RUL）和延長壽命，應(yīng)采用不同的方法進(jìn)行評估。

是否采取機(jī)組延長壽命策略，需要從技術(shù)、項目經(jīng)濟(jì)性及金融風(fēng)險等多方面進(jìn)行認(rèn)真分析，確保風(fēng)電業(yè)主投資回報的效益最大化。

風(fēng)電機(jī)組壽命評估

一、風(fēng)電機(jī)組壽命確定

如上所述，運(yùn)行多年的一臺風(fēng)電機(jī)組不是一個封閉的、孤立的元素，而是由多個部件與各自的壽命、各自的敏感度邊界組成。機(jī)組壽命僅僅是當(dāng)維護(hù)投資不會有經(jīng)濟(jì)回報時，由是否進(jìn)行財務(wù)方面的終止而決定。

風(fēng)電機(jī)組壽命評估應(yīng)通過重新計算分析，這種方法需計算機(jī)組剩余使用壽命后，建立實際損害的模型。考慮到特定場地邊界條件，如風(fēng)況載荷、新的或額外的計算機(jī)組，包括機(jī)組原設(shè)計計算評估復(fù)核或重新掃描（3D）或測量建模，以疲勞極限和載荷來驗證機(jī)組結(jié)構(gòu)完整性。這種方法將給出剩余使用壽命專家級的判定結(jié)果。

在實踐中需要現(xiàn)場實際檢查。目的是評估機(jī)組是否適合繼續(xù)運(yùn)行。它覆蓋了機(jī)械設(shè)備的檢查，包括傳動力系和齒輪箱、風(fēng)輪葉片、安全系統(tǒng)、塔筒和基礎(chǔ)。通過檢查的結(jié)果來判斷整個機(jī)組的狀態(tài)。

二、風(fēng)電機(jī)組壽命損耗和剩余壽命評估

風(fēng)電機(jī)組壽命損耗評估是多變量、瞬時和多因素耦合所組成，如特殊風(fēng)況條件（如紊流、風(fēng)切變、流入角度、空氣密度、威布爾分布）、特定運(yùn)行工況（如瞬變次數(shù)、偏航不對中、長期停機(jī)工況、覆冰載荷、表面）以及其他超出部件設(shè)計邊界條件工況來確定機(jī)組各自的狀態(tài)。

風(fēng)電機(jī)組壽命延長分析過程

在確定是否進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組壽命延長之前，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場核查、載荷及損傷壽命分析，確定設(shè)備和部件的剩余壽命，決定進(jìn)行延壽的技術(shù)改造和升級工作，項目實施后，進(jìn)行后評估，確定延壽的效果。

一、風(fēng)電場及風(fēng)電機(jī)組檢查

在確定是否進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組壽命延長之前，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場核查，檢查內(nèi)容包括：

1.風(fēng)電場基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)場檢查。

2.風(fēng)電機(jī)組部件現(xiàn)場檢查。

3.已有檢查報告的復(fù)核（葉片、齒輪箱等，如有）。

4.竣工單的復(fù)核 （如有）。

二、文件記錄分析

在確定是否進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組壽命延長之前，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場記錄的核查，內(nèi)容包括：

1.風(fēng)電場手冊、技術(shù)文件和技術(shù)參數(shù)的復(fù)核。

2.歷史運(yùn)維報告包括溫度及內(nèi)窺鏡檢查、特殊振動和齒輪箱油樣分析的復(fù)核。

3.歷史風(fēng)資源、發(fā)電量和可用率數(shù)據(jù)復(fù)核。

4.功率曲線評估。

5.基于長壽命周期分析結(jié)果和運(yùn)行條件的存貨分析如備品備件。

6.新CAPEX/OPEX資本性支出/運(yùn)營成本評估及財務(wù)分析。

CMS狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)評估：CMS系統(tǒng)通過對風(fēng)電設(shè)備的溫度、位移、速度、加速度等參數(shù)進(jìn)行實時在線或離線的數(shù)據(jù)采集，然后采用專家分析系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)不同角度的特定數(shù)學(xué)模型下的轉(zhuǎn)換和計算，得出風(fēng)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)入故障預(yù)警的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的評估結(jié)果，對于設(shè)備的剩余有用壽命和技術(shù)改造升級的決策有很大幫助。

三、延長壽命分析

在進(jìn)行了上述檢查后，應(yīng)進(jìn)行特定場地風(fēng)電機(jī)組設(shè)計壽命的重新定義和延壽可能性分析。一般需要基于一個獨(dú)特的和差異化的氣動彈性載荷分析，分析其占主要部件風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)性壽命損耗原因的比重。

然后對于在每個特定風(fēng)電場中機(jī)組壽命損耗進(jìn)行診斷，并提供一個重新定義的機(jī)組部件設(shè)計、剩余有用壽命。通過設(shè)計、仿真、計算、實際檢查和測試，為決定是否進(jìn)行延壽的技術(shù)改造和升級工作提供報告。如果決定進(jìn)行延壽，需要在項目實施后，進(jìn)行后評估，確定延壽的效果。

結(jié)論

通過主要部件故障風(fēng)險評估，確定在維修或改造方面進(jìn)行投資是否將有足夠的回報。隨著被檢測主要部件故障率及其長期故障維護(hù)費(fèi)用的上升，建議應(yīng)采取狀態(tài)檢修的方式將其轉(zhuǎn)化為預(yù)防性維護(hù)，從而減少運(yùn)營管理的成本。通過對特定的機(jī)組及部件的建模仿真有限元分析及現(xiàn)場檢測，確定設(shè)備的損耗壽命和剩余有用壽命，從而進(jìn)行風(fēng)電設(shè)備長期的資產(chǎn)價值評估，為是否進(jìn)行機(jī)組延壽提供科學(xué)依據(jù)，目標(biāo)是實現(xiàn)資產(chǎn)的增值，并有更長、更合適的債務(wù)回報期，使資產(chǎn)長期價值最大化。

（作者單位：UL美華認(rèn)證有限公司）