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《某海上风力涡轮机齿轮箱可靠性预测》

  • 来源专题：可再生能源
  • 编译者： pengh
  • 发布时间：2019-04-09

  • 本文根据已知陆上风力涡轮机系统的数据，估算了海上风力涡轮机变速箱的故障率。齿轮箱是风力涡轮机系统的关键部件之一，其故障可能导致长时间的停机，从而导致较高的运行和维护成本。首先进行了详细的失效模式和失效效果分析，确定了影响失效原因的主要可靠性因素。提出了一种基于可靠性预测的海上风力发电齿轮箱总故障率估计方法。此外，通过一个案例研究，说明了该技术对比较陆上和海上风力涡轮机变速箱后续部件故障率的重要性。分析结果将有助于了解海上风力机齿轮箱在海上环境下的现场性能。同时，本文所采用的方法对其它风力机部件的可靠性预测也有一定的参考价值。

    ——文章发布于2019年4月6日

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    • 来源专题：可再生能源
    • 编译者：pengh
    • 发布时间：2020-08-10
    • 为了更有效地提取海洋地区的大量风能，离岸风力涡轮机已经被建造有细长塔和大转子。空气动力、海浪和地震荷载等外部振动源会对这些能源基础设施的安全构成威胁。摘要外振源作用下的海上风力发电机组的可靠性评估具有重要意义。以往关于风力机易损性分析的研究仅考虑了风力机的易损性，假设风力机处于停放状态，叶片质量集中在塔顶。作为风力机最重要部件之一的叶片易损性的研究尚未见报道。在目前的研究中，NREL 5mw风力涡轮机的一个详细的三维(3D)有限元(FE)模型在ABAQUS中被开发，塔和叶片被明确建模以真实地估计空气动力载荷和风力涡轮机的结构行为。考虑了结构质量、刚度和阻尼的不确定性，建立了塔和叶片的概率风致需求模型。在概率框架中研究了风力机在空气动力和海浪双重载荷作用下的动力行为，推导并讨论了在停靠和运行条件下塔和叶片的脆性曲线。
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  • 《海上风电机组的可靠性技术》
    • 来源专题：能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2023-04-24
    • 风力发电是世界上发展最快的绿色能源技术，陆地风电场建设在快速发展的同时，占地面积大、噪声污染等问题逐渐显现出来，使得陆上风能的开发受到一定的限制。由于海上丰富的风能资源和当今技术的可行性，海洋将成为一个迅速发展的风电市场。相比陆上风电，海上风况明显好于陆地，渗流较小，空间较大，空气污染和噪声污染小，利于开发设计。但是，海上风电的前期投资较大，在选择实施风电机组的基本结构模型，风电机组的运输及其中后期维护方面的技术难度较大，因此，积极探讨海上风电的技术问题对于海上风力资源的开发、设计和应用具有重要的现实意义。 海上风电技术 1可靠性的重要性 海上风电机组运行环境复杂、严酷，高运维、成本竞价、平价上网竞争环境使得业主期望海上风电设备的更高可靠性、更好发电性能；风电设备制造商渴望产品少维修、终生免维等；电网希望不停机，同时输出稳定。因此，可以看出，提高产品质量可靠性成为行业的共同愿望和追求。 一般来说，海上风电在运行过程中失效的形式有很多种。叶片在极限、疲劳载荷下变形损伤、裂纹扩展、拆斯坠落、风机倒塔；电气设备在高温、低混、湿热、盐雾、砂尘等环境下短路、斯路、失效、失火；齿轮箱、轴承、螺栓等关键件的振动、过载、开裂等。以某风电场在四年间出现的失效和故障为例，如图所示，可以看出电气系统、叶片/变桨装置和传感器出现故障次数最多；控制系统、齿轮箱和电气系统故障时间最多。   图1 某风电场故障统计 2风电可靠性设计 一般来说，海上风电可靠性设计过程大概是：明确产品研制阶段的可靠性工作的内容、制定可靠性设计准则及要求(标准、规范等)并建立可靠性模型；进行系统可靠性指标的预计和分配(可靠性建模、预计、分配)；进行各种可靠性分析(故障模式影响及危害度分析、故障树分析等)；进行整机及子系统的可靠性设计。 在进行可靠性分析时，一般会将风电机设备划分为三个部分分别分析： 塔架、叶片、齿轮箱、变桨装置、偏航装置等机械结构； 控制柜、发电机、变频柜、电抗器、传感器等电气设备； 保障风电机组高效运行的硬件、软件控制系统。 对于结构设计，从工程角度来说实际相当于裕度设计，对于海上风电来说主要针对零件磨损和断裂。 图2 裕度设计流程 结构可靠性设计中常用的物理量为：载荷、材料力学特性参数、工况变化、几何尺寸、其他不确定因素(载荷简化、力学模型简化等)。据统计，机械结构破坏80%是由疲劳引起的，因此，必须重视机械结构的疲劳可靠性，充分开展疲劳可靠性设计和试验。   图3叶片强度试验 风机基础下部钢管桩直径大、入土深度深、承载力要求高，这种大直径钢管桩的承载力试验经验较少。为确保工程设计和施工的安全可靠，工程实施前需要在工程海域进行桩基承载力试验。通过现场试验，确定钢管桩的竖向和水平极限承载力，并获取土层的侧阻、端阻力和桩身的应力及变形数据，为桩基设计提供可靠的数据。海上风机桩基础承受的荷载通常都很大，如果采用传统的堆载静载法或锚桩反力静载法进行试验，需要很大的堆载量和锚桩数量，试桩成本很高。近年来出现的自平衡法为海上桩基承载力试验提供了一种新的手段。自平衡法的试验原理见图5，该方法采用在桩身内部某位置预埋加载设备，通过加载设备将桩身的一部分往上顶，另一部分向下压，同时测量桩侧和桩端的阻力。该方法利用桩身上、下两段阻力的相互平衡互为反力，免去了传统方法中的堆载或锚桩，试验费用相对低廉。 图4 自平衡法实验原理 对于电控系统的可靠性而言，具体要求如下： 在自检、启动、软切入、并网运行、停机、维护状态时，控制系统能准确、有效并及时发出指令； 在故障情况下，控制系统应能及时保护停机并显示相应的故障类型； 具备主要数据的监测功能； 机组与中心控制室应当有安全稳定的远程通信功能，中央控制室能够得到机组所有的数据，机组能够得到控制室的所有指令。 集电系统可靠性研究中常用失负荷概率、失负荷频率、失电量期望等指标描述电力系统稳定且充裕地提供所需电能的能力。但在海上风电系统并网分析中，并未有明确意义的负荷，所以海上风电集电系统可靠性分析更侧重于研究海上风电系统为主网提供有效出力的水平及出力波动水平。考虑到风机出力还受环境因素影响，若仅分析系统的故障情况，采用可用容量描述更加适宜。因此，停运表更适宜描述集电系统的故障状态。停运表是系统可能出现的容量值对应的概率频率参数的有序集合，包括确切概率（系统为某容量事件的概率）、累计概率（系统小于等于某容量事件的概率）和累计频率（系统小于等于某容量事件的频率）等等。以某停运表为例，如下图所示。 图5 集电系统可靠性分析流程 海上风电对恶劣天气的防护 海上风电场大部分工程都是离岸施工，工作场地远离陆地，受海洋环境影响较大。在建设过程中和建成后的使用期间，自然灾害风险都是其不可避免的影响因素。所以，在建设初期应充分收集海上目标风电场的自然条件资料，包括风、浪、流、潮汐、气温、降雨、雾等的历年统计资料和实测资料；根据统计和实测资料，分析影响施工的自然条件因素；通过分析统计影响施工作业的时间制定合理的施工窗口期。同时，一般海上风电项目对设备和选址具有较高的要求，在选择设备时，选择质量可靠、技术成熟、有批量运行业绩的适合机型，机型和厂家必须要有第三方认证机构技术认证，从而确保风电设备的质量。例如，当选址在浙江、广东、福建等易受台风影响的沿海区域时，风机应采用抗台风机型。在设备生产时聘请专业的监造团队，保证设备的出厂质量。最后，在可行性研究和设计阶段，需对项目建设条件进行深入细致、长期的调查、勘测、分析和方案比较。详细勘察时对每个机位采用较先进的海上孔压静力触探试验技术，提高土壤参数的准确性，保证风机基础设计安全的同时，使基础设计达到最优化。同时采用第三方认证单位对设计进行认证，保证设计的合理性。 海上风电防火预案 目前，已经并网的海上风电场在运行期间，已经发生了几起风电机组的火灾安全事故。一般来说，海上风电火灾可能发生在机舱、塔基、风场及风机变电站。目前，大多数风电机，开关装置、逆变器、控制柜、变压器等部件通常安装在发动机舱内；因此，火灾风险显著增加。同时，机舱内技术设备的高度集中和易燃材料的使用，火灾会迅速扩散，塔体上部也有被损坏的危险。如果机舱完全损坏，修复费用可能会达到风机本身的价值。而且海上风电场，由于使用特制船只、浮式起重机或电缆铺设船，相关费用相比陆上风电场大大增多。 1海上风电机组火灾的特点 通过国内外部分风电机组火灾案例加以分析研究，总结出海上风电机组火灾具有如下基本特点。 （1）大量高价值的设备高密度地集中在一个狭小的机舱里，潜在的着火源也比较集中。 （2）海上风电场一般都处在离岸10 km以外的海上，均为无人操作和值守；同时，风场塔台较高，一旦发生火灾，几乎不存在进行消防扑救的可能。 （4）随着近几年装机容量不断增加，单机容量也越来越大，转运船舶、安装浮吊船舶的调遣周期一般都较长，海上风电机组及部件的成本以及发生火灾后恢复运营的成本均在不断增加，中断运营导致的损失也越来越大。 2海上风电机组火灾预案 在设计机舱结构时，应尽量避免在机舱中使用电线和电缆连接（电缆端子通常是导致电缆着火的罪魁祸首），不可避免的电缆接头要用阻燃剂包封。对于发动机舱中的塑料电气设备，应尽可能将其放置在铁质文件柜中，即使塑料组件着火，也只能在铁制文件柜中点燃，不容易将火灾事故延伸到其他地方。在发动机舱中，可以将经过专业设计的自动灭火系统安装在发动机舱的顶部，该系统带有多个火灾事故传感器和泡沫灭火剂打印机喷嘴，一旦发生火灾，可以自动打开火警系统，自动操作灭火系统，迅速喷洒泡沫灭火剂扑灭大火，从而将火灾事故的危害降到最低。 结语 在现阶段，我国的风电厂基础建设正在积极推进，不可避免地存在很多专业性和稳定性问题。这种问题不容忽视。一个小问题很可能会导致毁灭性的安全事故。与陆上风电相比，海上风电运行环境更加极端，始终必须在潮湿、寒冷、海上、强风和耐腐蚀的条件下进行工作，并且安全系数和稳定性要求更高。因此，这显然为海上风电机组设计及其风电场选址，工程建设和运营人员提出了更加严苛的要求，有必要额外考虑海上风电场在独特环境中的稳定性问题，从而确保海上风电健康发展，真正确保在问题发生之前就进行预防，着眼于长期。
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