風力發電機是將風能轉換為機械功，機械功帶動轉子旋轉，最終輸出交流電的電力設備。風力發電機一般有風輪、發電機(包括裝置)、調向器(尾翼)、塔架、限速安全機構和儲能裝置等構件組成。
海上風力發電機組齒輪箱維護現狀及解決方法
1海上風力發電齒輪箱維護現狀
1.1 齒輪箱在雙饋風力發電機組的作用
風力發電機組中的齒輪箱是一個重要的機械部件其主要功用是將風輪在風力作用下所產生的動力傳遞給發電機并使其得到相應的轉速通常風輪的轉速很低遠達不到發電機發電所要求的轉速必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實現故也將齒輪箱稱之為增速箱根據機組的總體布置要求有時將與風輪輪轂直接相連的傳動軸（俗稱大軸）與齒輪箱合為一體也有將大軸與齒輪箱分別布置其間利用漲緊套裝置或聯軸節連接的結構為了增加機組的制動能力常常在齒輪箱的輸入端或輸出端設置剎車裝置配合葉尖制動（定漿距風輪）或變漿距制動裝置共同對機組傳動系統進行聯合制動
1.2 海上風電對運行維護的考驗
近年來海上風電技術發展迅速海上風電場的數目和裝機容量不斷增加但是由于海上風電場較陸上風電場的工作環境更加惡劣如鹽霧的腐蝕臺風的破壞海浪的載荷和海上撞擊物 主要是海冰 的影響如何提高海上風機的可靠性和利用率就成為研究重點和亟待解決的問題通常情況下陸上風電場設有運行維護中心對風機的維護也相對簡單不易受天氣等因素的影響而海上風電場由于工作環境惡劣螺栓及接觸點等一些易損部件的失效加快機械和電氣系統的故障率也會大幅上升需要增加檢修和維護的頻率另外由于環境的特殊性海上風電場中如果發生機組故障由于天氣原因維護人員可能數月都不能到達故障點且出海維修需要動用大型工程船進行運輸與吊裝費用也十分昂貴 為了使每臺風機的投資盡量最小化海上風電場的運行維護需要從長遠角度來制定合理的維護和檢修計而維護和檢修計劃的制定則是基于對風電機組的狀態監測故障預測和診斷的
為此針對海上風電場的運行維護對海上風電機組的齒輪箱狀態監測與故障診斷以及風機監控系統提出了嚴峻的考驗
1.3 現有的齒輪箱維護方式
1.3.1 齒輪箱的故障率以及維修所耗費的時間
齒輪傳動是機械設備中設備中最為常用的傳動方式之一風電齒輪箱運行狀態的正常與否直接關系到整臺機組的工作狀況據有關資料統計齒輪箱發生故障有40％的原因是由于設計制造裝配及原材料等因素引起的即是由制造單位設計制造引起的另有43％的原因是由于用戶維護不及時和操作不當引起的還有17％的原因是由于相鄰條件（如電機聯軸節等）的故障或缺陷引起的當然風電齒輪箱故障原因是否有這比例關系還要經過統計得出由此可見為了確保風電齒輪箱安全正常地運行提高齒輪傳動的可靠性一方面需要改進設計提高加工制造精度以及改善裝配質量另一方面則必須提高運行管理和維護水平對齒輪傳動裝置進行狀態監測和故障診斷
再者由于齒輪箱的故障發生一般為突發故障這樣的故障往往面臨著沒有備品備件維修周期長（一般為兩個月）單單從這些浪費的發電量就是一個可觀的金額針對1.5MW的路上風機發生的每一次事故發電量損失基于0.54元每度30%的風機利用率來說60天損失的發電量約為60x24x1500x30%x0.54=349920元隨時尤為客觀
1.3.2 現有的齒輪箱維護方式
風力發電機組齒輪箱的日常運行維護內容主要包括設備外觀檢查噪音測試油位檢查油溫電氣接線檢查等具體工作任務包括持續大風天氣時在中控室應注意觀察齒輪油溫軸承溫度登機巡視風力發電機組時應注意檢查齒輪箱油位檢查齒輪泵接線箱體及潤滑管路有無滲漏現象外設的潤滑管路有無松動清潔齒輪箱離開機艙前應開機聽齒輪箱及齒輪泵運行有無異常聲音利用油標尺或油位窗檢查油位是否正常借助玻璃油窗觀察油色是否正常發現油位偏低應及時補充并查找具體滲漏點及時處理如果濾清器壓差傳感器報警應盡快更換濾芯檢查濾芯是否有鐵屑并徹底清洗內部如有較多鐵屑應該化驗齒輪箱潤滑油品通過化驗結果判斷齒輪箱是否有潛在的危險將新的濾芯安裝到機組上后應開機聽齒輪泵和齒輪箱運行聲音是否正常觀察齒輪泵出口壓力表壓力是否正常
除了以上的常規維護業主普遍采用離線油液實驗室進行油液分析每年兩次對潤滑油進行理化分析和磨粒分析用來判斷設備的運行情況
再者按照我們國家的相關要求要在我國1.5MW以上的風機采取標配振動在線監測的手段對齒輪箱的異常振動進行監測用來判斷設備故障的發生
1.4 齒輪箱維護方式的瓶頸或遇到的問題
離線油液分析即實驗室分析它主要基于石油產品質量評定方法光譜元素分析與鐵譜技術從設備潤滑系統或液壓系統中取出一小瓶樣品送到實驗室進行檢測并依靠專家經驗對設備的油質狀態污染狀態與磨損狀態進行評價并給出指導建議全部結果輸入計算機系統以方便查閱并形成歷史趨勢
離線監測是目前油液分析的主要形式在為汽車港口石化冶金制氣化工石油開采運輸水泥電力等行業的大型壓力機大型減速箱氣體壓縮機高精度伺服液壓系統大型燃氣透平機大型水輪機組等關鍵設備的潤滑磨損狀態分析中發揮了重要的作用但是離線監測也存在一些固有的問題
1.4.1 技術上的問題
（1）檢測消耗時間太長目前油液分析實驗室采用的是石油產品質量評定的標準方法與檢測實驗室的管理體系需要時間長一般完成一個樣品的檢測全過程需要二到五天時間檢測結果精確但事實上在狀態監測中更注重的是趨勢而不是數據的精度
（2）部分檢測儀器價格昂貴體積龐大不適合在企業一級推廣使用
（3）分析鐵譜對人員素質的依賴較大不適合大面積推廣以及檢測流程的提速
1.4.2 應用中的問題
（1）取樣不一定有代表性有些大型潤滑系統的用油量可到幾十立方而離線監測的取樣量一般只有幾百毫升典型磨損顆粒被稀釋而不一定能夠被及時發現
（2）送檢周期太長一般從取樣到送至最近的專業油液實驗室到得到分析報告需要幾天甚至幾個星期時間
（3）應用地域有限制有些交通不便的企業或取樣不便的設備很難開展定期的離線監測如遠洋船舶與風電齒輪箱
而對于在線式的振動監測檢測的WAV波形對于業主來說很難進行分析而如果要達到一個很好地監測目的這些分析需要收費而且價格不菲另外振動監測往往受到外界的干擾比較嚴重例如在風電機組轉速隨著風速的上升振動值也會超標另外如果隨著其他部件的振動齒輪箱會存在共振的可能性這都使振動在線監測處在一個尷尬的境地業主普遍反映振動監測一般沒有用處這些問題主要集中在虛報誤報頻繁數據繁雜需要專業人員分析這些方面
2解決方法
2.1基于智能維護的管理理念提出
智能維護系統是在狀態維護基礎上發展起來的一種全新的預測性維護方式其目的在于實現設備接近于零故障的運行效率通過融入嵌入式智能代理技術和性能衰退預測技術智能維護不僅提供了設備性能衰退監測的低成本解決方案也使得企業在制定維護計劃和準備維護資源（如備品備件）時的時間余量更為充足特別是在備品備件的庫存管理上智能維護可使維護所需的備品備件庫存大幅降低從而為企業節約維護所需的庫存成本2002年智能維護被美國財富雜志評選為未來制造業最熱的三項技術之一
我國從2006年開始大面積采用風機發電大多數風電機組已經運行了5年齒輪箱故障無法避免隨著機組運行對間的加長目前這些機組陸續出現了故障（包括風輪葉片電機增速齒輪及控制系統等）導致機組停止運行嚴重影響發電量造成經濟損失
目前中國風電場主對運行維護的預算比較低維護費用可以做得很便宜但長期來看不值3年5年好對付一旦風機運行超過10年維護成本會有一個迅速上升的趨勢這時風機的故障會越來越多問題也會越來越大前面少花的錢會在這個時期補回來而且還影響風機的壽命而選用合適的維護方法則可以讓風機在保持高可利用率的前提下運行25年到30年國外風機場主這方面已經走在了前面目前有很多國際知名企業已把智能維護技術作為企業的主要發展戰略以促進維護策略從平均故障間隔到平均衰退間隔的轉變實現企業設備和產品在其生命周期中近乎零的故障發生率從而大大提高國際市場的競爭力
2.2油液監測對降低風電機組維護成本的影響
2.2.1 提高風電機組可靠性
風電機組機械設備中的主齒輪箱作為傳動機構對風力發電起著極其重要的作用該齒輪箱具有造價高維修困難的特點由齒輪軸承等摩擦副構成以高粘度齒輪油予以潤滑潤滑方式是基于集中循環潤滑系統的強制式潤滑正常情況下各摩擦副處于邊界潤滑狀態以正常的磨損速率運行但當在用齒輪油被污染油質下降供油不足等造成潤滑不良時非正常的磨損狀態出現了會瞬間產生巨大磨損顆粒或磨損率上升導致磨損顆粒數量顯著增加如果對此置若罔聞任其發展勢必造成主齒輪箱相關摩擦副異常磨損使相關摩擦副出現磨損故障甚至導致嚴重的安全事故而等主齒輪箱出現故障后再去維修不僅會因停機造成發電損失而且維修費用也將數倍或數十倍地增加
由于主齒輪箱在用齒輪油中含有磨損下來的磨粒和污染雜質帶有豐富的摩擦學信息通過油液監測技術定期取樣檢測在用齒輪油測定在用齒輪油的理化性能分析磨損顆粒和污染雜質監控風電機組齒輪箱的潤滑狀態和磨損狀態使齒輪箱總是處于良好或正常的潤滑狀態和磨損狀態同時也能及時發現潤滑隱患和由潤滑不當造成的故障隱患提前預測故障萌芽及時消除故障隱患不因停機而耽誤發電生產以最小的代價換取齒輪箱的正常運行最大限度地延長風電機組齒輪箱的使用壽命從而產生顯而易見的效益從這個意義上說對風電機組實施油液監測提高了風電機組的可靠性降低了機組維護成本
譬如龍源集團開展油液監測工作已有三年三年來共檢測 15000 多臺次其中提出警告 973 臺次提出潤滑狀態異常建議換油或采取其他措施的 454 臺次有效地避免了磨損故障的發生提高了風電機組的可靠性在一定程度上降低了維護成本圖 1 示出了龍源集團三年來油液監測結果
值得一提的是由于油液監測工作能較早發現磨損故障隱患可能在較短時間內不一定出現故障也難有被現場及時確認的手段油液監測的結果有時難于一時被風電場所驗證因而個別風電場對油液監測持有異議這可以理解但這種理念需要更新因為根據油液監測結果在用潤滑油不能滿足使用要求時就會存在風電機組有關摩擦副磨損加劇有關摩擦副點蝕嚴重極壓條件下摩擦副磨損失效等安全隱患如不及時消除勢必造成摩擦副磨損失效和磨損故障風電機組有關部件就達不到設計壽命其可靠性就大打折扣
2.2.2 降低潤滑成本
通過油液監測將定期換油變為按質換油即根據油液監測結果決定是否更換新油可使風電場節省可觀的潤滑成本潤滑油是由基礎油和各種添加劑組成在用齒輪油使用過程中一旦齒輪油的各種添加劑耗盡本身嚴重氧化粘度發生嚴重變化齒輪油的各種性能就下降或者一旦齒輪油被嚴重污染都會造成在用齒輪油不能滿足使用要求的后果此時就必須立即更換然而在用齒輪油雖有
成分輕微變化性能輕微下降油品稍有污染使用年限超過齒輪箱制造商或供油商建議的年限但經檢測在用齒輪油的各種性能仍能滿足使用要求就可以繼續使用而不必更換一般說來風電機組主齒輪箱所用的合成齒輪油齒輪箱制造商建議使用3 年就需更換供油商近幾年則建議換油期為 3 到 5 年如果按油液監測結果進行按質換油就可能超過了齒輪箱制造商或供油商建議的使用期限這樣就延長了換油周期節省了換油費用降低了潤滑成本
以龍源集團某風電場為例該風電場使用的是全合成齒輪油油品供應商推薦的換油周期為 3 至 5 年該風電場風電機組齒輪箱在用油已使用近 6 年經定期取樣檢測發現該在用齒輪油各項指標均正常仍能滿足使用要求建議風電場繼續使用取得了較好的經濟效益因此根據油液監測結果實施按質換油不能滿足使用要求的要及時換掉能滿足使用要求的要繼續使用既可以保證機組設備處于良好的潤滑狀態又能避免定期換油造成的換油成本浪費從這個意義上說也降低了潤滑成本
2.3 保障風電機組潤滑的可靠性
通過油液監測對風電場所用新潤滑油品實施把關主要包括所購新油油品是否合格注入到主齒輪箱的油品是否正確等三個方面有信譽的供油商都能提供第三方檢驗合格證明保證油品質量但個別供油商有時以次充好以假充真如果應用了這樣的潤滑油輕則造成磨損故障重則造成嚴重的安全事故入庫前如有疑問可以根據需要進行質量抽檢以保證所購油品質量庫存新油油品是否變質是一個常被風電場所忽略的問題新油入庫后由于溫度濕度灰塵等各種環境因素的影響其性能會有不同程度的劣變儲存時間越長劣變程度越大一般來說如果保存得當全合成油品可保存三年或更長但由于環境因素的不確定性加之儲存措施難免不周如存儲時間過長所以最好在使用前進行一次抽檢通過檢測以確定油品質量是否可靠這可以有效避免因油品劣化導致潤滑不良而產生磨損故障或事故對剛剛注入到主齒輪箱的齒輪油短時間內進行一次檢查十分必要因為這既可以有效避免共組人員因疏忽大意而用錯油又可驗證換油是否規范因疏忽大意用錯油的案例在許多行業并不鮮見所以風電行業也要特別注意更換新油要有嚴格的程序如不嚴格遵守就會出問題例如舊油沖洗不徹底就可能導致新油污染等
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