淺談對(duì)風(fēng)力發(fā)電運(yùn)行維護(hù)的認(rèn)識(shí)

華能浙江清潔能源分公司 黃禮波 國家電投集團(tuán)山東分公司 程 偉

風(fēng)力發(fā)電包含了由風(fēng)能到機(jī)械能和由機(jī)械能到電能兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程。風(fēng)輪在風(fēng)力的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，將吸收的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。在能量轉(zhuǎn)化的過程中，需要大量設(shè)備元器件的配合。在風(fēng)電場項(xiàng)目建設(shè)驗(yàn)收后，風(fēng)電機(jī)組就進(jìn)入到日常運(yùn)行、維護(hù)階段。根據(jù)目前的經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平，這個(gè)階段將持續(xù)20年甚至更久的時(shí)間。對(duì)已建成的風(fēng)電場進(jìn)行日常運(yùn)維及檢修管理，并充分利用已有資金及設(shè)備向社會(huì)提供清潔可再生的風(fēng)能電力，以獲得經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益成為重要的階段任務(wù)。

1 生產(chǎn)運(yùn)維技術(shù)

計(jì)算機(jī)及大數(shù)據(jù)等技術(shù)在風(fēng)電運(yùn)行方面的廣泛運(yùn)用，讓更多人關(guān)注起風(fēng)電的智慧運(yùn)維。大數(shù)據(jù)在風(fēng)電智慧運(yùn)維中的應(yīng)用，除運(yùn)行及故障數(shù)據(jù)收集和儲(chǔ)存外，還能通過預(yù)估預(yù)判功能對(duì)大部件進(jìn)行檢測及故障診斷及預(yù)判，極大提高風(fēng)電運(yùn)行效率。

1.1 故障診斷系統(tǒng)

風(fēng)電企業(yè)可將多個(gè)風(fēng)電場利用云計(jì)算處理功能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，將風(fēng)機(jī)的故障信息和告警信息及時(shí)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，描述風(fēng)機(jī)健康態(tài)勢[1]。與以往只有風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)才進(jìn)行風(fēng)機(jī)檢修、維護(hù)的模式不同，云服務(wù)下的風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式，注重收集分析風(fēng)機(jī)告警信息及可進(jìn)行遠(yuǎn)程復(fù)位的故障信息，針對(duì)每臺(tái)風(fēng)機(jī)繪制風(fēng)機(jī)運(yùn)行健康狀態(tài)圖表。風(fēng)電場可根據(jù)該圖表制定合理的檢修間隔時(shí)間及相應(yīng)的風(fēng)機(jī)維護(hù)內(nèi)容，大大提高了風(fēng)機(jī)維護(hù)的針對(duì)性，使的維護(hù)內(nèi)容更加靈活，有效配置資源，將風(fēng)機(jī)故障隱患消滅在萌芽狀態(tài)，極大地減少了因風(fēng)機(jī)故障造成的非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間，并能通過故障預(yù)警技術(shù)節(jié)省突發(fā)性維修費(fèi)用，將故障時(shí)間降到最低，提高發(fā)電量的同時(shí)為企業(yè)增加效率。

1.2 優(yōu)化后的風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)

風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)是指基于風(fēng)電場的地形地貌，結(jié)合歷史功率及風(fēng)速、風(fēng)電機(jī)的以往運(yùn)行數(shù)值及狀態(tài)，建立一個(gè)風(fēng)電場輸出功率的預(yù)測模型，通過輸入風(fēng)速、功率及天氣數(shù)據(jù)從而得出風(fēng)電場未來的輸出功率。該預(yù)測系統(tǒng)的時(shí)間周期分為超短期和短期預(yù)測兩種。隨著風(fēng)電發(fā)電規(guī)模占電網(wǎng)的比重不斷增大，電網(wǎng)公司對(duì)風(fēng)電場功率預(yù)測要求的準(zhǔn)確度不斷提高。在今后的實(shí)踐中，會(huì)出現(xiàn)風(fēng)電功率預(yù)測率高的風(fēng)電場安排優(yōu)先發(fā)電、預(yù)測率低的風(fēng)電場限功率運(yùn)行的新情況，這就需在風(fēng)電場風(fēng)功率預(yù)測準(zhǔn)確度上持續(xù)下功夫。

現(xiàn)階段風(fēng)電場的風(fēng)功率預(yù)測數(shù)據(jù)源主要來自風(fēng)電場的測風(fēng)塔，測風(fēng)塔采集的風(fēng)速反映的越真實(shí)，風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)預(yù)測的發(fā)電量與實(shí)際發(fā)電量的吻合度就越高。而現(xiàn)實(shí)了解到的情況是，一個(gè)風(fēng)電場縱橫幾公里甚至幾十公里，再加上地形等其他因素的影響，安裝在風(fēng)場內(nèi)的測風(fēng)塔很難精確的反映整個(gè)風(fēng)電場的風(fēng)速情況，從而造成功率預(yù)測的不準(zhǔn)確。為此可基于云計(jì)算的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，通過每臺(tái)風(fēng)機(jī)自帶的測風(fēng)系統(tǒng)采集風(fēng)速、風(fēng)向等相關(guān)信息，運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)繪制每臺(tái)機(jī)組的風(fēng)速-功率輸出模型，進(jìn)而繪制整個(gè)風(fēng)電場的功率模型。

1.3 風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量提升

1.3.1 目的

激光偏航誤差校正是利用激光測風(fēng)設(shè)備對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪未受干擾前的風(fēng)速風(fēng)向的測量，校正風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航誤差，使風(fēng)機(jī)能更好地對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向，從而提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電量。偏航誤差在風(fēng)力發(fā)電機(jī)上很普遍，很多的風(fēng)力發(fā)電制造商及風(fēng)電用戶很久以前就發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)機(jī)艙的朝向是不一致的。丹麥RISOE國家實(shí)驗(yàn)室的研究顯示：大部分風(fēng)電場的風(fēng)機(jī)平均偏航誤差都在10～12度左右，但通常只有一些偏航相當(dāng)大的可用目視區(qū)分，大部分無法由目視確定。由于一直以來沒有合適的測量手段來測量偏航誤差，且偏航誤差所引起的發(fā)電量損失沒有量化，所以偏航誤差至今未被重視。在對(duì)一項(xiàng)風(fēng)機(jī)測試的統(tǒng)計(jì)中也顯示了75%以上的風(fēng)機(jī)需進(jìn)行偏航的校正，50%以上的風(fēng)機(jī)偏航誤差已嚴(yán)重地影響了風(fēng)機(jī)的發(fā)電量。一直以來風(fēng)力發(fā)電機(jī)的測風(fēng)裝置都是安裝在風(fēng)機(jī)尾部，受風(fēng)輪擾動(dòng)及機(jī)艙外形的影響不能準(zhǔn)確測量風(fēng)速與風(fēng)向，偏航誤差是原有傳統(tǒng)技術(shù)不能解決的系統(tǒng)性問題。

1.3.2 偏航誤差校正提升發(fā)電量的原理

激光偏航誤差校正用激光測風(fēng)設(shè)備射出的激光束可以檢測到風(fēng)機(jī)前未受干擾的風(fēng)的風(fēng)速與風(fēng)向，可以獲得風(fēng)機(jī)的平均偏航誤差，再使用專用的方法對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行偏航修正。激光測風(fēng)設(shè)備安裝于風(fēng)機(jī)頂部，向風(fēng)機(jī)前方以60度夾角打出兩束激光束，利用激光多普勒效應(yīng)，測量80米處的風(fēng)速與風(fēng)向（圖1）。由于此處的風(fēng)速與風(fēng)向未受到風(fēng)機(jī)風(fēng)輪的擾動(dòng)，激光測風(fēng)設(shè)備可以準(zhǔn)確測量到吹到風(fēng)輪面處的風(fēng)況。對(duì)風(fēng)機(jī)偏航誤差的校正有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種校正方式。

圖1 激光測風(fēng)設(shè)備安裝與測量示意圖

靜態(tài)偏航誤差校正是將激光測風(fēng)設(shè)備安裝于風(fēng)機(jī)頂部，測量風(fēng)機(jī)主軸中心線與實(shí)際來風(fēng)的夾角，經(jīng)過二周左右時(shí)間的統(tǒng)計(jì)分析，可以獲得風(fēng)機(jī)的平均偏航誤差。經(jīng)過專用工具的調(diào)整，可將風(fēng)機(jī)的平均偏航誤差可以校正到1°以下（典型值為0.2°）。在調(diào)整完成后將激光測風(fēng)設(shè)備拆除，移至下一臺(tái)風(fēng)機(jī)上進(jìn)行測量與校正（圖3）。

圖2 偏航誤差校正前誤差約為10度

圖3 靜態(tài)校正后平均偏航誤差約為0度

圖4 動(dòng)態(tài)偏航誤差控制結(jié)果

動(dòng)態(tài)偏航誤差控制是將激光測風(fēng)設(shè)備長期安裝在風(fēng)機(jī)頂部，將風(fēng)機(jī)原測風(fēng)設(shè)備的接線與激光測風(fēng)設(shè)備的信號(hào)線同時(shí)接入一個(gè)轉(zhuǎn)換箱，轉(zhuǎn)換箱可自動(dòng)控制信號(hào)采自原測風(fēng)儀還是激光測風(fēng)設(shè)備，并把該信號(hào)接入風(fēng)機(jī)PLC控制器中。正常情況下，PLC控制器優(yōu)先采集激光測風(fēng)裝置發(fā)出的風(fēng)速、風(fēng)向信號(hào)，只有在極端天氣條件下（如大霧、大雨）、激光測風(fēng)設(shè)備不能正常測量到風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)時(shí)，轉(zhuǎn)換箱將自動(dòng)切換到采集傳統(tǒng)測風(fēng)設(shè)備信號(hào)，以保證風(fēng)機(jī)的連續(xù)運(yùn)行。動(dòng)態(tài)偏航控制不但可以修正偏航誤差，還可降低絕對(duì)偏航誤差，降低葉片的載荷。

偏航誤差的校正給風(fēng)機(jī)帶來了發(fā)電功率的增加、功率曲線的優(yōu)化，以及葉片載荷的降低。由于改善體現(xiàn)在額定風(fēng)速以下的功率提升，改善的效果在年均風(fēng)速越低的區(qū)域優(yōu)化效果越明顯。

2 生產(chǎn)運(yùn)維管理

運(yùn)檢合一、運(yùn)檢分離、運(yùn)檢外委以及區(qū)域遠(yuǎn)程監(jiān)控等，是當(dāng)前我國風(fēng)電場幾種主要的管理模式。一般容量≤10萬kW的多采用運(yùn)檢合一式，＞10萬kW的多采用運(yùn)檢分離式，而對(duì)于一些在一個(gè)區(qū)域建立多個(gè)風(fēng)場的則采用集中監(jiān)控管理模式。

2.1 運(yùn)檢合一模式

指的是風(fēng)電場的運(yùn)行及檢修等系列工作都由廠長領(lǐng)導(dǎo)下運(yùn)檢人員一起共同負(fù)責(zé)，他們間沒有明確分工。這就要求現(xiàn)成的運(yùn)檢人員都要具備較高的綜合能力，包括倒閘操作、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及告警信息監(jiān)視、風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析、設(shè)備巡檢、風(fēng)機(jī)定檢與維護(hù)、設(shè)備異常狀況分析及處理、變電設(shè)備簡單維修等。這種運(yùn)維模式不僅管理結(jié)構(gòu)較為簡單，還能讓員工在高標(biāo)準(zhǔn)下更快地提高技能。

2.2 運(yùn)檢分離模式

當(dāng)風(fēng)電場的規(guī)模越來越大后，運(yùn)檢合一模式下員工的工作量過大，分工不明確就會(huì)降低效率，由此部分企業(yè)開始采取運(yùn)檢分離的模式，將風(fēng)電場升壓站及風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行檢查、現(xiàn)場復(fù)位等重要的基礎(chǔ)性工作交給運(yùn)行人員負(fù)責(zé)，將風(fēng)電機(jī)組的檢修工作交給檢修人員專項(xiàng)負(fù)責(zé)。具體到實(shí)踐中有三種形式：風(fēng)電場級(jí)的運(yùn)檢分離。這種在國內(nèi)應(yīng)用最多，運(yùn)行檢修各盡所責(zé)，使得運(yùn)行管理水平得以有效提升，但由于風(fēng)電場人員有限，對(duì)于有多個(gè)風(fēng)電場的企業(yè)來說建設(shè)團(tuán)隊(duì)需要較長周期；對(duì)于風(fēng)電場數(shù)量多且機(jī)型少的企業(yè)，建立公司級(jí)的檢修隊(duì)伍對(duì)各風(fēng)場及風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行運(yùn)檢分離，風(fēng)電場的運(yùn)行工作由風(fēng)電場自行負(fù)責(zé)開展。這種模式比第一種在專業(yè)分工及人才資源利用方面更有優(yōu)勢,但其檢修管理也相對(duì)復(fù)雜；檢修外委的運(yùn)檢分離。風(fēng)電企業(yè)通過外包的方式將風(fēng)機(jī)的日常維護(hù)及修理工作委托給維修公司，讓維修公司按合同及要求為其服務(wù)，從而減輕自己的工作負(fù)擔(dān)。這就要求維修公司要有足夠的資質(zhì)及技術(shù)水平。

總體來說，運(yùn)檢分離一方面可為企業(yè)節(jié)省人力、物力，建立高水平團(tuán)隊(duì)，解決技術(shù)壁壘問題，提高生產(chǎn)效率及技術(shù)水平；另一方面將運(yùn)行和檢修進(jìn)行分離，能夠增強(qiáng)彼此間的監(jiān)督及質(zhì)量驗(yàn)收，從而讓管理更加規(guī)范化。

2.3 運(yùn)檢外委模式

隨著風(fēng)電企業(yè)規(guī)模的逐漸拓展，部分企業(yè)由于自身檢修能力不足，因此將維護(hù)檢修業(yè)務(wù)部分或全權(quán)委托給有能力的專業(yè)投資公司來負(fù)責(zé)。這種模式一般比自行維修要省錢，還能使運(yùn)行人員的工作量保持均衡，其在兼職檢修時(shí)負(fù)責(zé)正常的運(yùn)行和一般缺陷消除。而定檢、技改等工作委托專業(yè)且經(jīng)驗(yàn)豐富的檢修公司進(jìn)行，不僅能精簡人員、提高效率，運(yùn)行人員參與檢修也能提高其發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力，最大限度減少損失，確保設(shè)備安全運(yùn)行。但這種模式也存在一些不足：例如由于關(guān)系復(fù)雜，委托合同常流于形式，執(zhí)行難度大，導(dǎo)致運(yùn)檢效率并不高；企業(yè)對(duì)委托公司的依賴度較高，不利于自身運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累及專業(yè)化發(fā)展。

2.4 區(qū)域遠(yuǎn)程監(jiān)控模式

當(dāng)企業(yè)的發(fā)展規(guī)模更大時(shí)，根據(jù)情況通過劃定區(qū)域，對(duì)各風(fēng)電場的全部機(jī)組進(jìn)行集中化、區(qū)域化的遠(yuǎn)程啟停管理，則是未來的發(fā)展趨勢?；赟CADA系統(tǒng)建立遠(yuǎn)控系統(tǒng)，并結(jié)合信息化平臺(tái)的生產(chǎn)管理系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)風(fēng)電場運(yùn)行工況及生產(chǎn)信息的集中控制，從而以最少的人力值守，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效率的最大化。同時(shí)成立專業(yè)的區(qū)域巡檢維護(hù)隊(duì)伍，對(duì)區(qū)域?qū)嵭幸惑w化和專業(yè)化的分級(jí)檢修與維護(hù)。這不僅能為企業(yè)減員增效還能有效避免任務(wù)的分配不均，從而提高質(zhì)檢的質(zhì)量與安全可靠性。這種模式相對(duì)來說前期的監(jiān)控投入較大，需有高水平的人員在集控中心進(jìn)行設(shè)備的實(shí)驗(yàn)及演習(xí)操作，當(dāng)集控人員的水平達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后再逐步減少值守人員[2]。

3 思考與總結(jié)

為提高檢修工作的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)能力，不斷提高檢修工藝水平，各風(fēng)電公司可根據(jù)不同機(jī)型制定相應(yīng)的風(fēng)電檢修工作手冊和檢修工作指導(dǎo)視頻。在每次檢修工作結(jié)束后檢修人員及時(shí)完成檢修工作報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容包括故障代碼、報(bào)警內(nèi)容、處理方法、所用檢修工具，故障中涉及到的風(fēng)機(jī)圖紙頁碼、線號(hào)，以及在檢修過程中的經(jīng)驗(yàn)心得等。對(duì)一些較為定型的檢修工作，可針對(duì)不同風(fēng)機(jī)設(shè)備錄制相應(yīng)的檢修工作指導(dǎo)視頻。對(duì)一些在操作過程中需要特別注意的工作內(nèi)容，如泄壓等操作，應(yīng)在指導(dǎo)視頻中明確指出，確保風(fēng)機(jī)檢修工作安全。

檢修工作手冊和作業(yè)指導(dǎo)視頻可作為新員工的入職培訓(xùn)資料，增強(qiáng)了培訓(xùn)資料的可讀性與實(shí)用性，有利于新員工快速準(zhǔn)確的掌握工作內(nèi)容，同時(shí)還便于風(fēng)場檢修人員學(xué)習(xí)規(guī)范的檢修操作流程，對(duì)提高檢修工藝有著非常大的指導(dǎo)作用。檢修工作手冊和指導(dǎo)視頻可采取動(dòng)態(tài)反饋的方式，不斷借鑒、吸收現(xiàn)場檢修實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)成果，不斷更新優(yōu)化手冊、視頻內(nèi)容，為提高檢修工藝水平、優(yōu)化檢修工作內(nèi)容，促進(jìn)檢修工作的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)做出新的嘗試。

4 結(jié)語

風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在經(jīng)歷了大規(guī)模的風(fēng)電場建設(shè)階段后，隨之轉(zhuǎn)入漫長的運(yùn)行、維護(hù)階段。這個(gè)階段中有許多從未知曉的事物，只能“摸著石頭過河”。因此要以更大的勇氣、更長遠(yuǎn)的眼光加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，促進(jìn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。在新的科技革命浪潮中，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)要想擺脫傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式，讓這一朝陽產(chǎn)業(yè)走在時(shí)代的前列，必須加大科技方面的投入，吸收一切先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)、整合社會(huì)資源，讓風(fēng)電這一清潔能源為人類社會(huì)的進(jìn)步作出更多的貢獻(xiàn)！