風電機組的日常檢修維護與故障處理

郭玉新

風力發(fā)電是我國的主要發(fā)電方式之一，近年來取得了很大程度上的發(fā)展，現(xiàn)階段處于穩(wěn)步發(fā)展時期。為了保證風電場運行的穩(wěn)定性與可靠性，提升風電場經(jīng)濟效益與社會效益，做好運維工作與故障監(jiān)測分析十分重要，因此在本之中，主要對風電機組的日常維護和故障處理進行全面分析，在此基礎上提出下文內(nèi)容，希望能夠給與同行業(yè)工作人員提供相應的參考價值。

：風電機組;日常檢修;維護;故障處理;分析

2019年以來，隨著多個百萬千瓦級風電場的陸續(xù)開建，陸上風電進入4.0時代。而海上風電也邁入大容量高速發(fā)展階段，風電場的日常檢修和維護工作就顯得尤為關鍵，同時合理的檢修和維護工作也是保障風電機組能夠持續(xù)穩(wěn)定的重要因素。通過對機組進行日常檢修，我們能夠有效掌握風電機組當前的運行情況，了解機組各個零部件的運行狀況是否存在問題，擬定出針對這一機組的維護計劃，在問題產(chǎn)生的初期就采取合理的維修策略，以避免損害加劇，造成對人身安全的危害或財產(chǎn)損失。本文分析了風電機組的常見故障和診斷方法，并針對問題提出對應的檢修和故障處理策略，有助于保證風電機組的安全運行，確保機組可利用率和發(fā)電場經(jīng)濟效益的提升。

風力發(fā)電主要依靠的是風電機組傳動系統(tǒng)間各個程序的相互配合，其也是風力發(fā)電工程的主要工作體系，風電機組傳動系統(tǒng)運行過程以及運行模式時時刻刻都會對風力發(fā)電的速率以及效率產(chǎn)生影響。風電機組系統(tǒng)內(nèi)部如果發(fā)生故障未得到及時的處理，很有可能會對整個機組造成零部件的損壞，降低其使用壽命，嚴重的還可能會對齒輪組或者主軸承等大型關鍵性零件造成散落或者零碎，最終導致風電機組系統(tǒng)癱瘓，無法正常使用，

風力發(fā)電機組的使用壽命一般為20～25年，大部分風電機組安裝在草原牧區(qū)、高原地帶、沿海島嶼、山區(qū)等區(qū)域，這些區(qū)域的自然環(huán)境都非常惡劣。風電機組長期在沙塵、低溫、冰雪、雷電、風暴等惡劣環(huán)境中工作，加之荷載及風速對其的影響，使得機組的實際工作狀況異常復雜，很容易造成風電機組的相關零部件在實際的壽命期當中產(chǎn)生損壞和發(fā)生故障。小的故障造成風機停機，損失風電場發(fā)電量;大的故障造成大部件（如發(fā)電機，齒輪箱，軸承，葉片等）損壞。一旦造成大部件的損壞，大部件的更換、運輸、吊裝、長時間的停機會給風機制造商和風電場造成巨大的損失。由于風電機組的高度一般在70～90m之間，機組內(nèi)有大量的機械部件和電氣部件，還有油脂及其他化學制劑。大型故障甚至可能造成火災、觸電、機械傷害和人員墜落等人員傷害，甚至死亡。風電機組如果經(jīng)常產(chǎn)生故障，不但增加維護工作量，最為嚴重的就是機組往往在沒有達到使用壽命期限就會出現(xiàn)報廢。

1.主控系統(tǒng)的故障及診斷方法分析

對于主控系統(tǒng)而言，主要作為風機的大腦，是風機的核心部件，風機運行的邏輯判斷以及動作主要作為主控系統(tǒng)所發(fā)布出來的，現(xiàn)如今主流的控制系統(tǒng)主要是我PLC的模塊化設計工作，背板為總線連接的方式。對于這類電子器件，較為常見的故障主要是模塊自身和外部故障問題，模塊自身的故障主要是數(shù)字量或者是模擬量信號輸出顯示不正常等，故障的處理方式為重新刷新相關的程序，或者是對器件進行更換。然而外部故障主要是在后臺監(jiān)控SCADA系統(tǒng)中根據(jù)警報的方式進行提醒，通過借助報警提示以及代碼的描述，能夠快速的對外部器件故障點進行定位，對故障問題快速的處理。但是在維護的過程中，不可以忽視屏蔽主控系統(tǒng)所發(fā)出的安全相關故障問題，如果忽視會導致風機的安全運行出現(xiàn)嚴重影響，因此必須要引起足夠的重視。

2.變槳系統(tǒng)常見故障診斷方法

變槳系統(tǒng)是風電機組最重要的執(zhí)行機構，是整個風機系統(tǒng)實現(xiàn)轉速控制、并獲得最大風能利用率的重要保證之一。同時也是風電機組安全運行的保障，在超過風機正常運行范圍的大風況下，接受主控系指令進行收槳動作，有效的保障風機的安全性。變槳系統(tǒng)的主要故障分為電氣故障和機械故障兩部分，由于變槳系統(tǒng)器件多、結構復雜，是風電機組中故障率最高的部件。電氣部分的維護主要分為手動變槳測試、急停收槳測試、充電回路測試、變槳電池檢查等。機械部分則包括變槳電機、變槳軸承密封性、潤滑油系統(tǒng)檢查等。變槳系統(tǒng)屬于旋轉部件，對輪轂內(nèi)所有螺栓和器件設備的力矩要求、連接緊固性有很高的要求，這些也是日常產(chǎn)生故障的主要原因。同時，輪轂內(nèi)的任何部件故障都必須引起重視，這直接關系到風機的安全運行。

3.齒輪箱故障診斷

3.1齒輪箱故障按照類型不同可以分為齒輪故障和輪體故障兩類，風電機組的主要故障形式則包含：（1）齒面損耗。風電機組的齒面損耗其主要是齒輪的磨損和腐蝕。磨損是風電機組機械傳動由于潤滑不足和異物進入導致齒輪的輪廓發(fā)生改變、間隙增加等問題。腐蝕則主要是由于一些腐蝕性氣體或者液體等引起化學腐蝕，齒輪的咬合是發(fā)生電火花或者電弧引起機械電蝕。（2）齒面膠合。風電機組傳動系統(tǒng)中的齒輪高速運轉，如果齒輪箱中的潤滑環(huán)境較差，很可能引起齒輪中間油膜消失，齒輪間的高溫造成齒輪面發(fā)生熔焊。（3）齒輪變形。齒輪的變形主要是指塑性變形問題，齒輪箱的齒輪長時間處于重載工作狀態(tài)時，齒輪承受的載荷消失之后恢復形變，從而發(fā)生塑性形變。3.2齒輪振動管信號調(diào)制。風機傳動系統(tǒng)齒輪箱故障多為齒輪電蝕、齒輪折斷等故障，這些故障均會引起周期性脈沖沖擊，振動信號會出現(xiàn)調(diào)制現(xiàn)象，并且在振動信號頻譜上表現(xiàn)為齒輪咬合頻率、齒輪箱固有振動頻率兩側分布均勻齒輪故障診斷中，其診斷信號調(diào)解工作顯得尤為重要。如果齒輪箱發(fā)生故障，則在檢測振動頻率譜上包含正常的咬合頻率、倍頻率分量、周期性脈沖引起的調(diào)制。

4.發(fā)電機故障

發(fā)電機是風電機組的核心部件，其功能是將旋轉的機械能轉化為電能，為電氣系統(tǒng)供電。長期運行于變工況和電磁環(huán)境中，易發(fā)生故障。常見的故障模式有發(fā)電機振動過大、發(fā)電機溫升高、轉子/定子線圈短路、轉子斷條等。一般來說，導致發(fā)電機故障的原因為：螺栓松動、油路不通、軸承過度磨損、管路接觸不良或擊穿。針對這些常見的故障，采取的維護措施包括：清理清洗、檢查螺栓、減輕負荷、更換元器件等。

5.葉片故障

葉片是風力發(fā)電機組的重要組成部分，是獲得風能的主要部件，當風力發(fā)電機組處于工作中，葉片所受壓力較大，出現(xiàn)故障的頻率較大。由于長時間處于空氣中，受自然環(huán)境影響，葉片容易被腐蝕，這會導致葉片結構不穩(wěn)定，易脫落。一旦葉片發(fā)生故障，首先影響個發(fā)電機組的受力平衡，這種受力不平衡將會對發(fā)電機艙造成影響，導致機艙顫抖，影響整個機艙的穩(wěn)定性。

1.合理的選擇檢修方式

根據(jù)現(xiàn)如今風電機組可能會出現(xiàn)故障類型分析，可以將其分為早期故障以及意外故障和損事故中等，根據(jù)其故障檢修方式存在的差異，可以將其分為日常間休息和定期檢修以及故障之后的維修。在機組使用初期，故障率通常是比較高的，這個時候故障主要是因為設計不合理或者是制造上缺陷導致的，或者因為工作人員自身維護不合理導致的，為了對這個問題進行解決，必須要提高對風機的日常檢修和檢查工作，及時的發(fā)現(xiàn)隱患問題，快速進行解決。在風電機組通過了二百四十個小時之后，風電機組的運行會逐漸的穩(wěn)定。運維人員需要嚴格的執(zhí)行維護計劃，定期對機組進行維護，特別是偏航系統(tǒng)以及導電軌等檢查維護要引起足夠的重視。此外風電機組運行第二年，運維人員會根據(jù)日常維護中的設備故障概率，建立起相應的儲備制度，減少無設備更換導致的停機時間。在設備運行第三年，風電機組已經(jīng)是進入到了穩(wěn)定運行階段，這個時候運維人員需要該風場的特點建立其日常檢修和定期保養(yǎng)，對各種類型的故障檢查和修理，消除故障可能會存在著故障隱患。風電機組在投入運行五年之后，大部分的零件會出現(xiàn)老化以及異響等問題，這個時候需要在日常檢修的基礎上增加精細化的檢修，對其進行全面的體檢，避免小的隱患變成大故障。

2.基于大數(shù)據(jù)分析的故障診斷及維護策略

風電機組是一個復雜的綜合系統(tǒng)，機組的故障在出現(xiàn)前期必定會出現(xiàn)一些征兆。我們應對機組故障數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，找出故障分布規(guī)律。復雜故障和復雜系統(tǒng)可以通過逐步分解的方法進行分析、研究，以此找到風電機組故障的發(fā)生機理，從而進一步得出故障發(fā)生和發(fā)展的過程，作出科學系統(tǒng)的故障診斷，為機組維護策略的持續(xù)改進提供重要依據(jù)。目前國內(nèi)通常是將故障樹分析法作為基礎，進行風電機組故障的FMEA模式分析。針對并網(wǎng)風電機組故障分析，首先對其進行科學合理性的劃分，通常會把風電機組劃分為多個故障子系統(tǒng)，其中涵蓋了：發(fā)電機、風輪、傳動系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)、塔架、變槳系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、傳感器等子系統(tǒng)。應用故障樹分析法（FTA）、故障模式及后果分析法（FMEA）對各子系統(tǒng)開展故障分析，最終形成風電機組及故障子系統(tǒng)的FMEA分析報表，給出各個故障子系統(tǒng)與機組故障類別的故障模式及影響分析、故障概率級別等，對于故障模式、故障原因、故障因素進行分析，同時制定與之相應的處理措施。并依據(jù)此結論對機組的維護策略進行完善優(yōu)化、持續(xù)改進。

3.采用有針對性的故障處理策略

各種類型的風機在長期的運行過程中應采取不同的故障處理策略。例如，風機功率曲線不達標、個別機組無法滿發(fā)。此時應當先從機組葉片對零、風向標對北、機組找中等機械部件方面入手檢查，同時對風機算法和控制邏輯進行優(yōu)化等軟件方面進行多種檢測，另外還要考慮到風機機位是否處于尾流效應中，海拔等因素也要考慮在內(nèi)。再例如，當變槳電機頻繁發(fā)生故障時，除考慮變槳電機制造商的選擇和更換外，還應綜合考慮整套變槳系統(tǒng)設計及維護情況。后備電源的充放電性能、變槳軸承和減速箱的潤滑效果、收開槳邏輯等都會對變槳電機故障造成重要影響。甚至由于各風場所處區(qū)域，風機特性差異較大，通過實施糾正性技術改造加以解決。風電場的運行維護和故障處理需要我們在日常維護中加以不斷探索和歸納，還應當制定科學合理的風電場管理規(guī)程，加強管理措施，推動設施設備的技術改良工作，確保風電機組更加穩(wěn)定的運行。還應當制定科學合理的風電場管理規(guī)程，加強管理措施，推動設施設備的技術改良工作，使風力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展更符合我國能源需求增長的需要。

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通過對上述的內(nèi)容進行分析研究后得出，現(xiàn)如今隨著百萬千級風電場的陸續(xù)建設工作，四兆瓦及以上的機型已經(jīng)成為了陸上的主力，海上風電已經(jīng)進入到大容量快速發(fā)展的階段，智慧風場以及無人值守會成為日后的發(fā)展趨勢，它關系到整個風力發(fā)電系統(tǒng)的效率。相關部門應該加大對風電機組傳動系統(tǒng)維護和故障診斷工作的力度，積極排除疑難問題，在一定程度上可以保證我國能源的可持續(xù)發(fā)展。：

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