风力发电系统维修综述与分析

ImadAlsyouf1（瑞典），IdrissEl-Thalji（瑞典）

一、简介

风能是最具吸引力的可再生能源之一，在世界范围内，近海和海上风电场逐渐增加，这一点不足为奇。风电场的广泛发展及其在风力发电机大小、季节性和位置特性上的区别，提高了寿命周期费用，特别是风力发电系统的运行和维修费用。

运行和维修费用占风力发电系统寿命周期费用的很大一部分，对近海风电场尤其如此。风力发电系统的运行和维修费用占总成本的1/3。维修费用已经冲击制造商，不久将开始冲击用户，因为大功率风力发电机（>1MW）保修期将过。风力发电机的计划内维修费用相对很低，而非计划维修费用要高，因此制造商已开始在设计中考虑风力发电机的可维修性等。设计和调研阶段所制定的策略会对拥有成本产生显著影响。急需采取一种对具体的业务变量和目标进行过程优化的综合方法。所有的利益相关者应意识到维修在获得可持续和更具竞争力能源供应中的重要作用。为了能从风能中获得更多的电能，应努力注重改善维修措施。笔者对有关风力发电系统维修的文献进行总结分析，主要目的是学习总结现有风力发电系统的维修实践，对风力发电系统维修领域的相关文献进行系统分类，分析差异、薄弱环节和趋势并为以后的研究方向提出建议。

二、分类方法

笔者以风力发电系统的寿命周期阶段为基础，把相关文献分为以下几部分内容。

1.设计和开发

该阶段的作用是获取利益相关者的需求，它包括系统分析、优化和综合、定义、系统测试和评估。该阶段着重考虑物流和维修支持要素的提供和获取。系统寿命周期费用的相当一部分源于系统早期规划和概念设计阶段期间固有可靠性和可维修性决策结果。如优化设计和购置费用可对设备维修费用产生负面影响。因此，为设计出更好基于维修策略的设备，需要风电场业主、运营者和原始设备制造商三者之间紧密结合。为了改善风力发电系统的成本效率，面向维修、状态监测系统和诊断仪器、维修数据采集系统、员工安全服务的设计以及测量和控制系统的集成，都是在该阶段应提前考虑的重要因素。

2.生产和建设

该阶段关注风力发电系统组件生产、建设和组装所要求的所有活动和中间过程。它包括物流、采购和库存要求、制造、包装、入库、物资调运、运输、通信、数据处理和物流管理。所有这些活动的实施应以优良的质量和成本为基础。通常，质量和装配失误、安装误差、设计误差和操作者误差是导致系统使用早期阶段出现问题的原因。一般在保修期内原始设备制造商承担较大的责任。

3.运行和维修

该阶段关注系统如何操作、使用和维修。目的在于持续维修和技术支持，使系统能有效获得其目标成本。不少学者也曾经讨论过维修方法及其开发。通常，维修工作旨在最大限度地降低工业设备、机械装置和装备等的失效率。这些维修工作可有几种形式和措施，其中维修措施可分为以下几种方法。（1）被动式方法重点主要在消防、安装新设备、为保证生产线的运转能力使用库存的半成品，以及进行全年总体规划。（2）预防性方法是仅仅基于原始设备制造商和使用统计方法，以失效数据为基础，模拟关键部件的寿命功能。（3） 预知性方法是使用计算机辅助和维修系统（CMMS），在培训和提高业务能力方面进行投资，使用状态监测技术以及以可靠性为中心的维修（RCM） 方法，如失效分析，故障模式、影响及危害度分析（FMECA） 和统计模型。（4） 诊断方法（专家系统） 使用远程自动诊断技术。（5）自主性方法是以全员生产维修（TPM）哲学为基础，主要取决于对设备综合效率（OEE） 的测量。（6）精益生产方法重点在于降低能量损失，如高水平的备件库存和设备的持续修理。（7） 主动式方法是协助改善生产过程、购置新设备、选择供应商，使用功能组解决生产问题，设计和改善生产过程，利用公司的有效信息进行维修工作和关键部件的定期计划更换。

4.系统报废

该阶段旨在当系统到达其设计寿命或有重大技术进展时怎样进行处置。它涉及风力发电项目所有可见物的处理，如涡轮机、塔架、混凝土基础、变电设备等达到设计寿命后系统的报废。

三、分析讨论

笔者参阅的大部分文献重点介绍改善风力发电系统（尤其是近海）性能所采取的合理维修措施。其中五篇文献讨论了在设计和开发阶段考虑维修的重要性，二篇文献讨论了风力发电系统的生产和构建过程的质量，15篇文献讨论了风力发电系统的运行和维修。通过对相关文献的分析，总结了风力发电系统在每个寿命周期阶段面临的主要挑战和方法，见表1。

在设计和开发阶段，确定设计者应考虑的以下目标是可行的，如改善可靠性、可利用率、可维修性和安全性；降低关键维修费用；获得一种优化的设计方案。需强调的是，为了获得一种优化的设计方案，采用有关基于综合设计方法的机械设计的合理维修策略是很重要的。但是，为了设计出更好的基于维修策略的风电设备，这要求风电场业主、运营者和原始设备制造商之间应密切合作。

在生产和建设阶段，需强调的是，消除制造、库存和建设质量问题是主要挑战。这是因为以上过程是在运行和建设风力发电系统期间通常出现维修问题的根源。这一点可以通过改善整个供应链的质量控制程序来达到。

表1

在运行和维修阶段，面临的挑战来自于各种不同的维修方法。对于预防性方法，通常这些工作是根据原始设备制造商的推荐来进行规划的。主要目标是怎样合理规划维修工作，如使维修规划和系统季节运行规划同步。对于预知性方法，主要挑战有：测算状态监测的附加值，证实投资状态监测技术是可行的；开发预测部件剩余寿命的算法；开发在日常工作中协助操作者制定成本效率决策的应用软件；把状态监测系统集成到近海风力发电技术中；把故障预测数据集成到数据库中，以实施状态维修策略；在公共平台中，简化和重新安排系统；优化维修计划，使维修更有效。对于诊断方法（专家系统），主要挑战是使用智能化的在线状态监测系统，通过网络获得和交换数据。对于自主性方法，主要目标是怎样获得和计量生产损失。成功做到这些，可以呈现资金和生产损失的低效之处，帮助决策者认清维修的作用，鼓励他们投资新技术。对于主动性方法，重点在于改进状态监测技术，集成风力发电机测量系统和维修监测系统，获得更好的运行和维修构造法，从整体上优化维修策略，即避免局部优化。这需要开发基于状态监测数据和从风力发电机中获得的数据及信号的新的数据处理算法。此外，对于采集和交换运行和维修数据，还需要工业合作伙伴之间密切合作。

在最后的报废阶段，重点在于考虑风力发电系统技术、经济和环境方面的问题。如在出现故障之前可进行多少次大修是一个相关的问题，实践中必须考虑其技术优势和经济效益。

四、结语

作为支撑功能的维修，在获得和维持竞争力优势方面具有重要作用。所有利益相关者应认清维修在获得可持续性和具竞争力能源供应中的作用，这是很重要的。风电场业主、运营者和原始设备制造商之间应密切合作，设计出更好的基于维修的风电设备。还需要更多的研究如何以高效率和有效的方式，把这些措施应用于风力发电系统。对于采集和交换运行和维修数据，还需要工业合作伙伴之间密切合作。将来必须建立风力发电系统正确的维修策略，并提供安全、可持续性和具竞争力的能源供应。