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    風力發電機組故障及失效分析方法

       日期:2018-09-25     來源:中國節能在線    瀏覽:85    評論:0    

      2013年10月18日,北京國際風能暨展覽會——風電技術論壇——風電故障與分析。北京鑒衡認證中心有限公司風能事業部副總經理楊洪源先生介紹風力發電機組故障及失效分析方法。以下是全文:

      楊洪源:大家上午好!下面我介紹一下風電機組故障與失效分析的技術,把風電機組故障和失效分析大概是一個什么樣的過程讓大家有一個了解。我的介紹主要分成四個部分,一個是風電機組的故障與失效,它是什么樣的一個概念。第二部分是失效分析方法的介紹,地三是針對風電機組故障與失效分析應該是什么樣的一個方法,最后是得出一個結論。

      風電機組失效,我們通常都是不希望它也失效的問題,但是風電機組是一個大型的設備,在使用壽命期里面不可避免會出現一些問題,我們怎么樣通過這種失效的分析使它損失降低到最小,甚至是使壞事變成好事,所以我們對失效分析就應該做一些很細致的專業的工作。

      介紹一下失效和故障的概念,按照GB/T3178-94的術語,失效是指產品終止完成規定功能的能力這樣的事件。故障是指產品不能執行規定功能的狀態,預防性維修或者其他計劃性活動或者缺乏外部資源的情況除外,這相當于風電機組的定期檢查,比如限電,或者風況條件不滿足要求的情況。有故障不一定失效,但是失效通常肯定會由于故障產生的。

      風電機組是大型復雜的機電裝備,機組的可靠性受設計、制造、運行維護,包括使用條件等多方面因素的影響,機組的故障、部件失效,甚至整個機組倒塌的事故也是時有發生。特別是在我們國家,風電這幾年都發展的很快,但是對于機組的安全性的認識,還有相關的運行經驗還是相對薄弱的。所以說,在已裝的機組中,不可避免都存在一些安全的隱患。隨著這些機組運行年限的增長,這些部件和機組的失效問題就會逐漸的暴露出來。

      下面這個圖上給出了兩個例子,因為風電機組事故通常都是屬于比較敏感的一些信息,所以說要想得到比較全面的和比較新的一些事故情況,還是比較困難。左邊這個是由于變槳電池的容量失效,導致機組飛車,最后整個倒塌。右邊是維護人在更換葉片的時候,將變槳系統關閉,導致風能在風的作用下啟動旋轉,因為無法控制而飛車,最后倒塌燒毀。

      什么叫失效分析,就是對設備及構建在使用過程中發生的各種形式失效現場的特征及規律進行分析研究,從中找出產生失效的主要原因及防止失效的措施,稱之為失效分析,我們一個是要找出失效的原因,第二要防止失效的措施。通過失效分析可以防止類似失效在生命周期內再次發生,使產品的質量得以提高。失效分析的必要性,并不一定出現失效就一定是壞事,因為這是從幾個方面。比如19世紀中期的時候德國的鐵路頻繁的發現斷裂的現象,通過對失效現象的總結和研究,最后發現因為之前的設計都只考慮了強度,沒有考慮疲勞,因為車載在循環載荷作用下,經歷的載荷歷程也是比較長,所以疲勞問題比較突出。在這個研究的基礎上就發展出來疲勞學這一門學科,現在在結構強度領域,疲勞也是重要的問題。

      第二、二戰期間,美國的軍運飛機運輸到中東以后,發現60%記載的電子設備都是不能用的,這樣促使他們對電子設備的可靠性去開展研究,然后在1950年的時候,他們是海陸空三軍聯合成立了一個課題研究小組,專門針對這個問題研究。在1957年,通過七年的研究,發布了一個關于飛機的電子產品的可靠性研究的一個報告,這個報告最后就成為可靠性研究這樣一個奠基性的文件。

      所以,從這里面可以看出來,很多我們的設計理論,或者說我們的設計方法有可能沒有經過長期的工程驗證,只有通過在使用過程中的失效,并且對失效問題的解決,有可能引發一些新的技術提出來。另外,在日本30多年前他們的產品也是以產品質量低劣而受影響的,但是現在他們的汽車產品在全世界還是贏得了很好的聲譽。其中一個重要原因就是他們在30多年前就開始系統的分析世界各國汽車構建的失效情況,著重研究它的失效原因和改進措施,并且對這個改進措施的結果進行跟蹤調查,這樣就使日本機械產品到今天,特別是汽車行業是在世界范圍內占有明顯的優勢。現在我們國家的裝機容量是非常多的,我們能夠基于這些運行的經驗,基于這些失效的數據進行研究,我相信隨著我們技術的發展,我們的產品也會在世界上占有這樣的一些技術優勢和質量的保證。

      產生失效的主要原因,這個不是只是針對風電,是整個機械產品的失效通常都是這樣幾個方面。一個是設計不合理,第二個是選材不當,或者材料的缺陷,第三個是制造工藝的不合理。最后一個是使用維護,就是在整個從設計到最后使用的過程都有可能出現這樣的一些問題。失效分析,通過幾十年的發展,國內外也做了很多研究的工作,然后在各個領域,包括汽車的航空航天的其他的一些工程機械都做了,然后也發展出來相應的一些技術,比如斷口分析,裂紋分析,痕跡分析,模擬實驗等。

      由于風電有自己的特色,風電機組有它的特點,特別是風電機組的制造過程和使用環境條件的惡劣,所以它的失效分析應該是有它獨特的一些方法學,方法論的。我們這兒就是根據風電的這些特點,然后給出了這樣的一個分析流程。部件或者機組的失效通常由這幾個方面造成的,針對每一個方面,在失效分析的時候我們開展工作。

      第一、設計方面的問題,這個現在在國內其實原始設計,它通常都是經過了比較嚴格的計算分析,一般是不會有這樣的問題的。但是,國內主要面臨的是很多各個從國外引進來以后,它的使用的環境條件和原始設計可能不太一樣。比如說國外可能沒有低溫,或者高原這樣的一些問題,還有國外設計的機組安全等級有可能是針對二類的,但是國內有可能風能資源好的地方想用到一類,這樣它的設計是不是還滿足要求,就可能有底驗證。另外,設計方面的問題還有認識不足的時候,比如我們初期接觸到有設計,在塔桶厚度,塔桶的連接地方沒有按照標準的要求,這樣相當于這個地方有一個比較嚴重的硬力集中。這些問題,當然隨著現在技術的發展可能逐漸會減少。但是,又會有新的問題產生。所以說,設計問題也是在整個失效分析中不能忽略的一個方面。

      第二、生產制造的缺陷,對風電機組來說,生產制造的環節也是比較多的,有整機的裝配,它可能對整個傳動鏈,整個機組都會有一定的影響。其中比較突出的是比如葉片,近幾年我們國內葉片出的問題還是比較多,葉片除了設計以外,它的制造過程,它對工藝的要求也是比較高的。

      第三、安裝維護,安裝維護不當,在我們國家也是比較突出,因為在現場安裝的條件可能也是有限,另外在某些時間進度要求比較嚴的情況下,對于安裝是怎么樣要求,比如說現場的塔桶安裝的螺栓擰緊,同時按照標準是要完成幾步,對稱安裝去擰,如果不按照這個執行,可能會存在一些安全隱患。

      第四、實際運行條件超出機組運行的限制,第一個是機組安全等級于風電場不匹配,它的設計的使用工況通常使用比較可控,風電是被動的,外界條件怎么樣,它就承受載荷,比如汽車和飛機的使用工況我們可以預見到,并且可以去控制,去操作它。對風電機組的失效分析來說,我們要特殊考慮的一個方面,就是它的環境條件是否符合,包括可研皆噸的技術選型,當然不只是風況條件,包括其他條件的影響。第二、我們是不是做到了測風數據的準確,包括對測風設備,測風時間,測風數據處理的要求是不是都滿足了。最后,測風也對了,但是風電場的地形也是很復雜的,它的排部對發電量有影響,在追求高的發電量的同時,它有可能存在一些不利的機位,載荷比較大。

      對風電機組的失效分析,可能整個就是應該從這些方面都做一些考慮。但是,每個失效可能是不太一樣的,我們不會說每一個失效都要全部把這些工作都做一遍,我們可以根據失效的信息進行初步的判斷,選擇最有可能的方面去做,采用排除法去做。

      下面就是結合具體的例子,如果說作為一個塔架的失效分析,大概是在剛才的這些內容的基礎上,我們去把它結合具體的失效案例做這樣的一個展開。塔架首先它的設計問題,包含了塔架的趨勢分析,門框這塊,因為它有缺口,用門框加強,加強以后,它的結構相對比較復雜一點,所以要做這樣一個硬力分析。另外,塔架的法蘭連接,也是比較關鍵的一個受力部位,通過這樣的分析,看看設計方面是不是滿足要求了。

      第二個方面就是生產制造的缺陷。對塔架來說,有可能是塔桶本身,母材就有這樣的問題,所以要對母材進行微觀的,機械性能的測試。塔架有一個連接螺栓,它的制造質量也會對這個有影響,所以對螺栓本身,也應該做一些這樣的性能的測試。另外塔架都是一個一個攔截斷攔截起來的,攔縫的強度對整個的影響也是比較關鍵的。焊接工藝的控制對它的性能,承載能力也是有很大的影響的。所以,對焊縫位置也需要做這樣的一些測試。

      另外一個方面就是安裝維護不當,這在托架方面有這樣的一些先例,有這樣的一些問題,就是它在安裝維護的過程中,是不是按照這個要求進行的擰緊,維護的過程中是不是也是做到了。比如螺栓擰的不均勻,這個風險就會比較大,如果說都擰的比較大,大的不多也行,但是就怕擰的不均勻,很有可能,本來分三次來施工,它一次就施工完了,有可能擰的后面的時候,前面的螺栓已經松動了。

      另外,塔架如果失效,它也是可能和現場的風況有關系,所以通常需要對現場的風況進行分析。如果它是來一陣大風就倒,可能會重點關注它的事故前一段時間的風況,如果它還存在疲勞的這些問題,或者曾經承受過大載荷,也會導致它存在隱患。所以,風況分析也會存在一段時間。包括它的風頻分布,湍流的,風向的,以及其他的。

      除了這些原因以外,塔架可能還會有一些其他的失效的可能,比如說有一個風輪葉片結冰以后,它的模式會發生改變,這樣會影響機組的整合。還有主要部件的更換,這有可能也會導致這個機組的特性發生改變。這個在我們國內還是比較突出的,因為通常原始設計都是經過比較嚴密的認證,但是使用過程中,通常會更換一些部件,特別是像如果更換葉片,或者更改塔架的高度,這樣對它的基礎的載荷其實有很大的影響。

      綜合整個這些方面的分析結構,最后我們能夠把整個塔架失效的原因去把它鑒定出來。另外對傳動面的故障分析,我們這兒是提出來一個就是在故障診斷的話,今天也有一些介紹,整個故障診斷的研究也是很多,包括一些診斷的設備也都已經有很豐富的應用經驗了。但是,我們這兒提出來,在故障分析的時候,除了現場的故障診斷和測試,還應該結合一些仿真模型,幫助我們做整個事故的分析。比如在傳動鏈來說,這個就是一個很好的例子,我們可以通過構建高精度的仿真模型,確定機組的固有模態,進行現場的測試,獲取機組的振動數據,利用仿真的計算和樣機測試,確定機組的振動來源,振動機組的位置,采取有效的措施。現場測試通常能夠發現它的問題,但是有可能不能找到它的根本原因在那兒,以及它的改進方向在那兒。這樣通過這樣的仿真模型,通過分析手段,我們輔助它做這樣的一個故障分析。

      這是一個傳動鏈故障分析的例子,我們在樣機中測試得到主軸的一個共振頻率28.5赫茲,在軟件中構建高精度的數字模型,它的能量分布主要是分布在葉片、主軸、齒輪箱的位置,很好的驗證了在28.21赫茲左右主軸會有這樣的一個共振的現象。這樣的話,我們就可以有針對性的做改進措施。最后在軟件中的高精度模型進行載荷計算,仿真的時候,可以發現在20幾秒的時候,確實會出現這樣一個大的載荷的波動,這樣我們可以知道由于此齒輪箱的頻率激發的。

      通過仿真我們也觀察到這樣一個振動現象,利用數字模型嘗試不同的解決方案,有針對性的解決這個問題。對于葉片失效,我們也是根據前面的分析流程給出了主要的分析內容,具體實施的時候會根據實際項目去做這個方案的一個定制。主要包含這些方面,對葉片現在可能主要有兩方面的問題,一個是在設計分析的工作可能是有所欠缺,在國內,另外就是它的工藝和質量的控制方面,因為對于葉片來說,這個影響是比較大的,包括施工人員,工廠加工人員的能力和素質,往往也會影響到葉片的質量。

      最后我想提到的就是說,通過失效分析,最終的目的是使失效盡量不要發生,所以,防患于未然,我們覺得比事后失效更重要,因為一旦出現事故,不管怎么樣都會有經濟損失,并且會產生責任糾紛,這樣對各方都是不利的。我們防患于未然,可以把這個工作做在前期,比如我們加強設計制造過程中的質量控制,我們在項目初期的時候進行更為細致的工作,包括對特定廠址的評估,做這樣的一些工作。另外就是加強風電場運維的管理,通過這些圖形使失效減少到更小。當然,另外由于我們的認識不夠,導致失效,可能需要我們積累一定的經驗,再去解決。謝謝大家!

     
    標簽: 風力發電機
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