基于可靠性分析的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維策略研究

［摘 要］風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)年處于惡劣的工作環(huán)境，再加上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維方案不成熟、機(jī)組設(shè)備制造水平參差不齊等問題，導(dǎo)致部分風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備故障頻發(fā)，不僅影響了風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電效益，還在一定程度上掣肘了風(fēng)電行業(yè)的健康發(fā)展。文章介紹了風(fēng)電機(jī)組可靠性分析的相關(guān)內(nèi)容，提出了基于可靠性分析的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維策略，旨在為風(fēng)電場(chǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供可行性參考。

［關(guān)鍵詞］可靠性分析；風(fēng)電場(chǎng)；運(yùn)維

［中圖分類號(hào)］TM614 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）09–0104–03

1 風(fēng)電機(jī)組可靠性分析概述

1.1 可靠性分析的目的

可靠性分析貫穿于設(shè)備研發(fā)、運(yùn)行的全過程，不同階段對(duì)于設(shè)備可靠性分析的目的也有所差異。設(shè)備研發(fā)階段可靠性分析的目的在于判斷設(shè)備各方面性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期，若存在未達(dá)標(biāo)指標(biāo)，則需進(jìn)行深入分析，明確問題，并改進(jìn)研發(fā)技術(shù)。設(shè)備運(yùn)行階段可靠性分析主要為維護(hù)設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行，降低設(shè)備運(yùn)行的故障發(fā)生率，提高設(shè)備運(yùn)行效益。同時(shí)，通過設(shè)備運(yùn)行可靠性分析，了解設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，優(yōu)化設(shè)備性能。

1.2 可靠性分析的流程

風(fēng)電機(jī)組可靠性分析的流程如圖1 所示，具體分為6 個(gè)步驟：①結(jié)合使用需求設(shè)定可靠性指標(biāo)，明確可靠性要求；②確定機(jī)組各設(shè)備的功能、任務(wù)及構(gòu)成；③構(gòu)建可靠性分析模型；④搜集機(jī)組設(shè)備運(yùn)行及故障數(shù)據(jù)；⑤數(shù)據(jù)預(yù)處理，選取具有代表性的可靠性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定；⑥得出可靠性分析結(jié)果，并形成數(shù)據(jù)分析報(bào)告。

2 基于可靠性分析的風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維策略

2.1 故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，在運(yùn)行機(jī)制、機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面較特殊。通常情況下，風(fēng)電場(chǎng)選用的機(jī)組批次、型號(hào)相同，而同型號(hào)、同批次機(jī)組在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)制等方面并無顯著差異，因此可以通過相同型號(hào)機(jī)組故障數(shù)據(jù)分析其他機(jī)組的可靠性狀態(tài)。需要注意的是，風(fēng)電機(jī)組原始故障、維修記錄無法直接使用，需要通過統(tǒng)計(jì)整理形成可靠性數(shù)據(jù)后，用于構(gòu)建可靠性分析模型。風(fēng)電機(jī)組可靠性數(shù)據(jù)類型及內(nèi)容見表1。

對(duì)于風(fēng)電設(shè)備具體部件的失效分析，通常采用參數(shù)估算法，即根據(jù)已有故障數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)機(jī)組部件運(yùn)行趨勢(shì)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建可靠性分析模型，以此制訂后續(xù)維修策略。

A 風(fēng)電場(chǎng)始建于2007 年5 月，于2012 年引進(jìn)了99 臺(tái)雙饋式風(fēng)電機(jī)組，文章搜集了機(jī)組近10 年間的故障記錄，統(tǒng)計(jì)了機(jī)組的故障次數(shù)、停機(jī)時(shí)間、處理方式。該風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組運(yùn)行故障主要集中于風(fēng)輪系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)及變頻器系統(tǒng)，其中，風(fēng)輪系統(tǒng)故障637次、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)故障575 次、變頻器系統(tǒng)故障567 次，3 個(gè)系統(tǒng)故障次數(shù)超機(jī)組總故障次數(shù)的60%。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)輪系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)及變頻器系統(tǒng)是故障停機(jī)時(shí)間最長(zhǎng)的3 個(gè)系統(tǒng)，其中，風(fēng)輪系統(tǒng)停機(jī)382.36 d、平均每次故障停機(jī)14.40 h ；發(fā)電機(jī)系統(tǒng)停機(jī)367.88 d、平均每次故障停機(jī)15.35 h ；變頻器系統(tǒng)停機(jī)334.24 d、平均每次故障停機(jī)14.14 h。

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果可看出，風(fēng)輪系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)及變頻器系統(tǒng)故障對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行影響較大。通過深入分析發(fā)現(xiàn)，A 風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行過程中還存在較嚴(yán)重的“棄風(fēng)”現(xiàn)象，風(fēng)電機(jī)組故障停機(jī)導(dǎo)致在有風(fēng)工況下風(fēng)電場(chǎng)仍無法正常運(yùn)行，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)虧損。故而決定在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維管理過程中加入故障時(shí)間統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

通過對(duì)A 風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組故障處理方式的統(tǒng)計(jì)分析，能夠精準(zhǔn)定義易損部件和易耗部件，明確機(jī)組部件類型及故障處理方法，為后續(xù)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維策略的制訂奠定基礎(chǔ)。

2.2 可靠性指標(biāo)選取

結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維決策需求，降低機(jī)組設(shè)備維修時(shí)間、維修費(fèi)用，縮減設(shè)備故障發(fā)生頻次，選擇可靠度函數(shù)R（t）、累計(jì)分布密度函數(shù)F（t）及失效率函數(shù)λ（t）為風(fēng)電機(jī)組可靠性指標(biāo)。其中，可靠度函數(shù)R（t）為范圍時(shí)間中機(jī)組保持正常運(yùn)行狀態(tài)的概率，表示方法如下：

R（t）=P（T＞t）（1）

式中，T 為設(shè)備的失效時(shí)間。

累計(jì)分布密度函數(shù)F（t）為范圍時(shí)間當(dāng)中機(jī)組發(fā)生故障的概率，表示方法如下：

F（t）=P（T≤t）=1-R（t）（2）

失效率函數(shù)λ（t）為范圍時(shí)間當(dāng)中機(jī)組未發(fā)生故障的情況下，范圍時(shí)間后單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障的概率，表示方法如下：

式中，Δt為時(shí)間的一個(gè)非常小的增量，趨近于0；F（t）為故障分布函數(shù)，表示設(shè)備在時(shí)間t之前發(fā)生故障的概率；f（t）為概率密度函數(shù)，表示設(shè)備在時(shí)間t恰好發(fā)生故障的概率密度。

2.3 可靠性指標(biāo)的應(yīng)用

風(fēng)電機(jī)組設(shè)備維修方式主要分為兩種：①預(yù)防性維修。該方法主要用于重要設(shè)備的日常維護(hù)，具體分為定期維修與視情維修等。其中，視情維修又可細(xì)分為狀態(tài)監(jiān)測(cè)、定期巡檢，以此診斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并決定是否進(jìn)行維護(hù)維修。定期維修可細(xì)分為定期更換、周期檢修。②事后維修。事后維修是指機(jī)組設(shè)備故障發(fā)生后的一系列檢查維修措施，包括故障診斷、故障處理、維護(hù)保養(yǎng)等。

為降低機(jī)組設(shè)備維修時(shí)間、維修費(fèi)用，縮減設(shè)備故障發(fā)生頻次，選取了3 種可靠性指標(biāo)，并將其作為風(fēng)電機(jī)組設(shè)備維修決策依據(jù)。同時(shí)，引入了Weibull分布形狀參數(shù)β，該參數(shù)能夠反映機(jī)組設(shè)備故障失效模式，通過對(duì)形狀參數(shù)的判斷，以此確定故障設(shè)備的維修方式及內(nèi)容。

文章將機(jī)組設(shè)備故障類型共分為3 種：①早期故障。選用可靠度R=0.9 對(duì)應(yīng)的可靠壽命t=（R=0.9）作為評(píng)定指標(biāo)。②隨機(jī)故障。選用可靠度R=0.5 對(duì)應(yīng)的可靠壽命t=（R=0.5）作為評(píng)定指標(biāo)。③損耗故障。選用可靠度R=0.368 對(duì)應(yīng)的可靠壽命t=（R=0.368）作為評(píng)定指標(biāo)。

Weibull 分布形狀參數(shù)范圍及對(duì)應(yīng)維修策略見表2。

通過可靠性分析，能夠?qū)C(jī)組設(shè)備的失效模式進(jìn)行確定，不同失效模式對(duì)應(yīng)的Weibull 分布形狀參數(shù)能夠反映設(shè)備的故障類型，根據(jù)故障類型的不同選取針對(duì)性的維修方式。

A 風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)行的設(shè)備維修計(jì)劃主要分為3 種：季度檢、半年檢、年檢。文章通過可靠性分析確定的定期維修、視情維修在維修頻度上與A 風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)行維修計(jì)劃存在一定差異，故而需要通過估算維修頻度范圍，將定期維修、視情維修頻度與A 風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)行維修計(jì)劃進(jìn)行融合。其中，季度檢與半年檢是A 風(fēng)電場(chǎng)的基本檢修方案，故而在確定劃分范圍的過程中，采用了1/3 a 的劃分方法（約120 d），劃分范圍考慮取值小于1/3 a 的情況。對(duì)半年檢劃分范圍跨度為1/3 a，對(duì)年檢劃分范圍跨度為前后兩個(gè)1/3 a，對(duì)超過2 a 的檢修在每增加1 a 的基礎(chǔ)上，將最大取值增加360 d。由此劃分的計(jì)算維修頻度值與對(duì)應(yīng)的維修頻度見表3。

結(jié)合A 風(fēng)電場(chǎng)99 臺(tái)反饋式機(jī)組運(yùn)行情況，以故障發(fā)生次數(shù)最多、停機(jī)時(shí)間最長(zhǎng)的風(fēng)輪系統(tǒng)為例，結(jié)合機(jī)組故障分布參數(shù)、可靠性分析指標(biāo)、Weibull 分布形狀參數(shù)范圍及對(duì)應(yīng)維修策略，能夠基本確定風(fēng)輪系統(tǒng)的失效模式及維修間隔，從而制訂維修決策。風(fēng)輪系統(tǒng)維修策略見表4。

3 結(jié)束語

風(fēng)電場(chǎng)作為清潔能源的重要組成部分，其可靠性和運(yùn)維策略對(duì)于實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。文章提出的維修優(yōu)化方案提高了風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。未來，期待進(jìn)一步深入研究風(fēng)電場(chǎng)的智能化運(yùn)維、新能源技術(shù)的應(yīng)用及與能源系統(tǒng)的整合，為推動(dòng)清潔能源的發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)能源的長(zhǎng)期目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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