風(fēng)電場中風(fēng)力發(fā)電機組運行故障及維護

胡超波

（國電電力湖南新能源開發(fā)有限公司，長沙 410000）

0 引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的發(fā)展，人們的生產(chǎn)生活對于電力能源的需求越來越大。傳統(tǒng)的火力發(fā)電以煤炭為主要燃料，在燃燒發(fā)電過程中排放物會對環(huán)境造成較大污染。因此，需要加大對新能源的開發(fā)和利用力度。國內(nèi)風(fēng)能資源豐富，利用風(fēng)能發(fā)電是國內(nèi)當(dāng)前新能源發(fā)電中的一種主要方式。目前，國內(nèi)風(fēng)電機組裝機容量不斷增加，據(jù)國家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，截止到2022 年8 月，國內(nèi)風(fēng)電累計裝機總量達到34450 萬千瓦，為保障社會電力供應(yīng)奠定了基礎(chǔ)[1]。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時，風(fēng)電機組的運行維護也面臨較多困難。在風(fēng)力發(fā)電中，發(fā)電機組是產(chǎn)生電能的重要設(shè)備。由于設(shè)備自身質(zhì)量以及風(fēng)電場惡劣環(huán)境的影響，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機組在運行中易發(fā)生多種故障，造成風(fēng)機停機，影響風(fēng)電項目的效益，嚴(yán)重的話還有可能引發(fā)火災(zāi)、觸電等重大事故，造成人員傷亡。基于此，對風(fēng)力發(fā)電機組常見的故障進行總結(jié)，并提出相應(yīng)的維護策略，降低發(fā)電機組故障發(fā)生率，對于確保風(fēng)電場正常運行，提高風(fēng)能發(fā)電效益具有重要的意義。

1 風(fēng)力發(fā)電機組的故障特點

風(fēng)力發(fā)電機組的故障呈現(xiàn)出多發(fā)性、隱蔽性強，維修困難，維護成本高的特點，為提高風(fēng)電機組的發(fā)電效益，機組多安裝在高原、沿海、牧區(qū)等多風(fēng)地帶。機組設(shè)備在露天環(huán)境下運行，外界環(huán)境會影響設(shè)備的運行性能，加上機組載荷的多變工況影響，導(dǎo)致機組的設(shè)備部件實際壽命周期縮短，往往沒有達到使用壽命期限就出現(xiàn)損壞情況。在實際運行中，風(fēng)電機組的變槳系統(tǒng)、齒輪箱、軸承、液壓系統(tǒng)等易出現(xiàn)設(shè)備元件損壞或運行不良等狀況。故障隱蔽性強主要是風(fēng)電場分布范圍很廣，而且單臺機組的安裝高度比較高，一些小的零部件的磨損、連接件的松動等故障不易被發(fā)現(xiàn)，往往引發(fā)更大故障后才被發(fā)現(xiàn)。維修比較困難是因為風(fēng)電機組的安裝高度通常在80m ～90m，維護屬于高空作業(yè)，攀爬費時費力。此外，發(fā)電機組不僅有很多小的部件，還有發(fā)電機、齒輪箱、葉片等大型的部件，這些部件的安裝、拆卸過程困難，有的海上風(fēng)電機組拆裝需要動用大型輪船，給檢修維護帶來了較大困難。風(fēng)電機組多是在偏遠地區(qū)安裝，檢修維護主要依靠人工來完成，維護成本高，而且由于機組設(shè)備的拆裝、運輸困難，需要動用多種機械設(shè)備來完成，也增加了維護成本。以陸地上一臺1.5MW 機組的齒輪箱為例，如果齒輪箱發(fā)生較大故障需要下塔維修的話，要用到專用的吊裝設(shè)備，僅拆裝的費用就高達數(shù)十萬元，再加上運輸、維修的費用，會大大增加維護費用[2]。

2 風(fēng)力發(fā)電機組運行中的常見故障

2.1 發(fā)電機故障

發(fā)電機是風(fēng)力發(fā)電機組的核心部件之一，通常被稱為感應(yīng)電機，是將葉輪轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為電能的重要裝置。其轉(zhuǎn)子和變頻器連接到一起，為轉(zhuǎn)子回路提供頻率可調(diào)的電壓。由于受外界環(huán)境影響，加上為了滿足實際工況要求，發(fā)電機需要切換不同的運行模式。長期運行易出現(xiàn)轉(zhuǎn)速過高、溫度高、內(nèi)循環(huán)風(fēng)冷入口過溫等故障，導(dǎo)致發(fā)電機轉(zhuǎn)速過高主要是變槳出現(xiàn)卡滯，瞬間風(fēng)速過大，轉(zhuǎn)速傳感器跳變等原因造成的。發(fā)電機溫度高主要表現(xiàn)為：繞組溫度高、軸承溫度高，主要原因是接線回路虛接或錯接，水冷系統(tǒng)堵塞，水冷系統(tǒng)壓力低，傳感器故障，軸承磨損，電腐蝕，潤滑失效等。內(nèi)循環(huán)風(fēng)冷入口過溫是由于接線回路虛接，風(fēng)扇故障，風(fēng)道堵塞等原因引起的。

2.2 葉片故障

葉片是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能的部件，通常由加強玻璃塑料、碳纖維強化塑料等材料制成。在風(fēng)力的作用下，葉片開始旋轉(zhuǎn)，并通過齒輪箱將葉片的旋轉(zhuǎn)速度提升，將轉(zhuǎn)化后的機械能通過風(fēng)輪軸傳送到傳動裝置[3]。風(fēng)電機組獲得風(fēng)能是依靠葉片來實現(xiàn)的，大功率的機組搭配的葉片更長，重量能達到數(shù)十噸。因此，葉片的工作狀態(tài)對于風(fēng)電機組的運行有重要的影響。風(fēng)電機組的運行環(huán)境惡劣，葉片長期在沙塵、雨雪、雷電等環(huán)境下運行，易發(fā)生葉片開裂、斷裂、連接螺栓磨損或斷開，葉尖壓力低，葉輪過速等故障。葉片發(fā)生故障后，會出現(xiàn)受力不均衡的情況，導(dǎo)致機艙顫動，影響風(fēng)電機組的穩(wěn)定性。

2.3 變槳系統(tǒng)故障

變槳系統(tǒng)的主要作用是調(diào)節(jié)葉片的迎風(fēng)角，當(dāng)外界風(fēng)速較大超過額定風(fēng)速時，變槳系統(tǒng)通過對葉片迎風(fēng)角的調(diào)整使輸出的功率和額定功率基本相同。同樣，外界風(fēng)速較小時，通過對葉片迎風(fēng)角的調(diào)整來盡可能地吸收風(fēng)能，確保功率輸出穩(wěn)定。變槳系統(tǒng)故障主要有：變槳電機溫度高，葉片槳距偏差大，后備電源容量不足等，導(dǎo)致變槳電機溫度過高的原因主要有電機長期過載，變槳齒輪有異物卡滯，齒輪箱故障等，而導(dǎo)致葉片槳距偏差大的主要原因有變槳軸承潤滑不足，機械部件變形，變槳電機載荷過大，驅(qū)動器異常，變槳電機旋變插頭松動等。后備電源容量不足主要是由于蓄電池老化，長期充電不足導(dǎo)致電池極板硫化，充電過壓導(dǎo)致電池損傷等原因造成的。

2.4 齒輪箱故障

齒輪箱是發(fā)電機組的重要機械部件，將葉輪產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機，常用的有平行軸齒輪傳動和行星齒輪傳動。如果外界風(fēng)速小，葉輪轉(zhuǎn)速低的話，齒輪箱還可以起到增速的作用。因此，齒輪箱也被稱為增速箱。齒輪箱在風(fēng)電機組中起傳遞扭矩和增速的作用，其載荷隨著風(fēng)向的變化、風(fēng)速的大小而不斷變化，易出現(xiàn)多種故障。在實際運行中，齒輪箱常見的故障主要有：齒輪箱油位低、油溫高、齒輪磨損，以及軸承故障等。導(dǎo)致齒輪箱油位低主要是由于箱體泄漏，油位傳感器出現(xiàn)故障，油溫低等原因造成的。齒輪箱油溫高的原因主要是：齒輪箱過載，冷卻系統(tǒng)故障，散熱不良，冷卻介質(zhì)溫度高，溫度傳感器故障以及潤滑油管不暢等。齒輪磨損、齒面擦傷主要是由于潤滑不良，長期變載荷工況下運行出現(xiàn)的應(yīng)力沖擊，和灰塵雜質(zhì)清理不及時等因素導(dǎo)致。軸承故障主要是由于電腐蝕、磨損，潤滑油不足，油溫過高，潤滑失效等原因引起的。

2.5 偏航系統(tǒng)故障

偏航系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機組的重要組成部分，當(dāng)外界風(fēng)向發(fā)生變化時，該系統(tǒng)能確保葉輪最大程度地保持迎風(fēng)狀態(tài)，從而更好地利用風(fēng)能發(fā)電。偏航系統(tǒng)故障主要有偏航方向錯誤，偏航制動系統(tǒng)壓力不穩(wěn)，偏航過載以及偏航速度低等。導(dǎo)致偏航方向錯誤的原因主要有：偏航滑移，偏航力矩不足，偏航編碼器輸出的位置數(shù)據(jù)異常，計數(shù)模塊數(shù)據(jù)跳變等。偏航制動系統(tǒng)壓力不穩(wěn)主要是由于液壓管路泄漏，管路接頭松動，液壓系統(tǒng)蓄能器故障，液壓系統(tǒng)元件損壞等原因?qū)е?。偏航過載主要是偏航閘抱死，偏航減速器故障，偏航電機絕緣損壞等。偏航速度低的主要原因有：機械故障、位置編碼器數(shù)據(jù)異常等[4]。

2.6 變流器故障

變流器是風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)子側(cè)的勵磁裝置，主要作用是：當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，變流器控制勵磁幅值、頻率等，調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機組輸出電壓的幅值、頻率、相位與電網(wǎng)電壓保持一致，變流器故障主要有：過流、過壓及內(nèi)部通信故障等，變流器過流的原因主要是：電流霍爾傳感器異常、功率模塊故障、檢測回路連接不良以及功率回路短路等，過壓故障主要是：電機轉(zhuǎn)速高、直流母線過壓等原因?qū)е?，?dǎo)致變流器內(nèi)部通信故障的原因主要有：光纖連接不牢，控制板損壞等。

3 風(fēng)力發(fā)電機組運行維護策略

3.1 做好日常檢修維護

要定期檢查發(fā)電機轉(zhuǎn)速傳感器安裝是否牢固，運行是否良好；接線回路有無虛接、錯接現(xiàn)象；水冷系統(tǒng)運行是否正常，冷卻器有無存在堵塞情況；散熱風(fēng)口通風(fēng)狀況是否良好；查看軸承有無磨損或潤滑不良的情況，及時更換或添加潤滑油；檢查風(fēng)扇是不是正常運行，風(fēng)道有無堵塞情況。維護人員要定期利用先進的檢測技術(shù)對葉片進行檢測，及時發(fā)現(xiàn)裂紋、變形等情況，并采取相應(yīng)的措施。比如，利用聲發(fā)射檢測技術(shù)可以收集葉片高頻、瞬態(tài)的聲發(fā)射信號，并對收集到的信號進行相應(yīng)處理，能準(zhǔn)確判斷出葉片裂紋或變形的位置。檢查葉尖液壓管路的壓接頭是否有泄漏，壓力開關(guān)是否良好，儲壓罐的蓄能狀況是否良好等[5]；檢查變槳系統(tǒng)的機械部件有無變形情況，變槳齒輪有無明顯磨損、擦傷情況，蓄電池有無老化情況，電機插頭有無松動等。定期對齒輪箱進行清潔、潤滑，清理齒輪箱體表面及內(nèi)部灰塵，及時添加或更換潤滑油，潤滑油的更換周期最好不超過36 個月。在進入盛風(fēng)期前，要重點檢查油位傳感器、齒輪、軸承、冷卻系統(tǒng)等重要部件的工況，對于不符合運行要求的部件及時更換。定期檢查偏航系統(tǒng)的計數(shù)模塊、偏航編碼器數(shù)據(jù)輸出是否正常，液壓管路有無泄漏情況，液壓元件有無損壞情況、偏航電機絕緣是否損壞等；檢查變流器散熱是否良好，及時清理冷卻風(fēng)扇上的積塵，防止變流器局部過熱，對螺栓、墊圈等緊固件進行緊固，防止出現(xiàn)松動。

3.2 科學(xué)運用現(xiàn)代技術(shù)

風(fēng)電機組是個復(fù)雜的系統(tǒng)，如果在設(shè)備部件出現(xiàn)故障前及時更換就可以降低故障發(fā)生率。風(fēng)電機組在發(fā)生故障前有征兆，利用遠程在線監(jiān)測技術(shù)可以監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)，分析設(shè)備部件的安全壽命期[6]。遠程在線監(jiān)測是利用安裝在發(fā)電機組設(shè)備上的傳感器來監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)，通過收集傳感器的反饋信號建立數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)的對比來分析設(shè)備是否存在安全隱患，以便讓檢修人員提前檢修或更換。由故障后檢修變?yōu)楣收锨熬S護，降低維護成本和檢修難度，減少非停次數(shù)。利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以分析風(fēng)電機組的故障發(fā)生機理，統(tǒng)計故障發(fā)生次數(shù)，為維護策略的制定和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考。同一風(fēng)電場的運行環(huán)境相同，風(fēng)電機組故障發(fā)生也有一定的規(guī)律可循。將風(fēng)電機組的故障系統(tǒng)分為發(fā)電機、風(fēng)輪、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)等若干個故障子系統(tǒng)，利用故障樹分析法和故障模式分析法分析匯總各個子系統(tǒng)的故障情況，建立故障分析報表；利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)對各個故障子系統(tǒng)的故障類別、原因以及故障發(fā)生的概率等進行分析，并制定相應(yīng)的維護策略，為制定和完善風(fēng)電機組維護策略提供科學(xué)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.3 健全維護管理制度

1）制定針對性的維護計劃

多數(shù)風(fēng)電場的維護計劃是根據(jù)機組制造商提供的維護清單來制定的，但不同風(fēng)電場的地理及自然環(huán)境不同，部件的運行壽命周期也不一樣。因此，維護人員需要在機組制造商提供的基礎(chǔ)維護清單的基礎(chǔ)上，根據(jù)風(fēng)電場的運行環(huán)境和機組運行狀況等制定針對性的維護計劃，擴大維護范圍，提高維護標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)每臺風(fēng)電機組制定完善的檢修維護計劃，避免出現(xiàn)維護不足的情況。

2）做好維護質(zhì)量評估工作

維護質(zhì)量的評估可以促進維護措施的優(yōu)化，對完善維護措施有良好的促進作用，而且通過對評估指標(biāo)數(shù)據(jù)的前后對比，可以更好地評價維護效果。質(zhì)量評估指標(biāo)主要包括：風(fēng)電機組的可利用率、平均無故障運行時間、平均故障總耗時等方面。風(fēng)電機組的可利用率是統(tǒng)計周期內(nèi)風(fēng)機的可用時數(shù)與統(tǒng)計周期總時數(shù)的比值，比值越大，說明機組的可利用率越高。平均無故障運行時間是風(fēng)機兩次相鄰故障之間的時間間隔，可以衡量出風(fēng)機維護的水平。平均風(fēng)機故障總耗時是一個周期內(nèi)（通常為一年）風(fēng)機停機消耗的時間，這個指標(biāo)可以反映出維護人員對于故障的反應(yīng)速度、故障的診斷及排除能力等[7]。

3）強化人員培訓(xùn)，建立完善的崗前、專項培訓(xùn)體系，提高檢修維護人員的檢修技術(shù)水平。崗前培訓(xùn)主要包括：安全、環(huán)境、資質(zhì)等方面的培訓(xùn)，專項培訓(xùn)主要包括專業(yè)知識（風(fēng)電機組的結(jié)構(gòu)組成、部件名稱、運行原理等）和維護檢修技術(shù)（常見的故障現(xiàn)象、產(chǎn)生故障的主要原因、排除故障的基本流程、專業(yè)檢測設(shè)備的應(yīng)用等）的培訓(xùn)。

4 結(jié)束語

隨著國內(nèi)“雙碳”戰(zhàn)略的推進實施，國內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，風(fēng)電機組裝機容量不斷增加，具有運行維護需求的風(fēng)機數(shù)量也快速上升。由于風(fēng)電機組在露天環(huán)境下運行，受不可抗力影響因素較多，故障發(fā)生率也比較高。因此，要圍繞提高風(fēng)電場的發(fā)電量、風(fēng)電機組的穩(wěn)定性以及降低風(fēng)電機組維護成本等方面來開展科學(xué)的維護，逐步降低以至于杜絕風(fēng)電機組的大型故障發(fā)生率，減少非計劃停機和故障后的被動維修次數(shù)，確保機組穩(wěn)定運行，為社會提供更多優(yōu)質(zhì)的綠色電力能源。