【转贴】风力发电机的可维护性设计研究

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风力发电机的可维护性设计研究
付霁野（沈阳金祥电能设备有限公司  辽宁沈阳  110168）
摘  要：介绍了风力发电机的可维护性设计方法及实现步骤。利用可维护性分析方法，将概念设计中确定的可维护性要求分配到产品或系统的各个组成部分或组元。通过后期的详细设计来保证这些要求的实现，再经过生产运行阶段的评价反馈，形成完善的产品可维护性设计目标。经验证，与传统设计相比融入了该设计思想的产品在运行维护过程中效率得到了显著提高。
关键词：风力发电机；风力发电系统；可维护性设计
1 引言
风能属于太阳能的一种，因此它是取之不尽、用之不竭的；在能量转换过程中，不产生任何有害气体和废料，属于清洁能源；与传统火电相比，发电也不存在原材料运输问题。风力发电机是将风能转换为机械功的动力机械，已受到世界各国的广泛重视，经过近些年的发展,安装规模有了大幅度提高。但从现场反馈情况看，仍有部分风机存在故障率高，利用率低的现象，影响用户的经济效益。其产生原因往往是由于现场维护不到位造成的。而设计结构不合理；检测手段不科学；维护流程不完善，是导致维护不到位的根本原因。因此，本文给风机的研发引入了可维护性设计思想，使产品在设计阶段就解决将来现场的维护问题，确保消除维护障碍，提高风机利用率，从而降低运营成本。
2 可维护性设计的涵义
apics（美国运作管理协会）将可维护性定义为：一类提供修理和高效能力的设备及其安装的特征。根据国标《gb/t 19960.1-2005 风力发电机组 第1部分：通用技术条件》4.6 可维护性与可维修性要求：“在机组要维护的部位应留有调整和维护空间，以便于维护。机组及零部件在质量合格的前提下应具有维修、调整和修复性能。塔架高度超过60m的机组应为维护人员配备安全的提升装置。”
因此，风力发电机在设计时应充分保证产品和系统使用的可维护性。其设计要考虑产品与系统功能与性能维护的方便性、可靠性、可测控性、精度、安全性和经济性，而且应和系统的其他设计要素并行考虑与实施。其根本目的是响应顾客的需求，并实现生产接收管理与信息控制。它体现在产品与系统的功能要求和用户的满意度上。
3 风机可维护性的理论设计及实施步骤
风力发电机的可维护性根据上述定义及目的，编制了如下设计与实施步骤（见图1）：

图1    风机可维护性设计实施步骤
1 概念设计：定义概念、确定产品或系统维护的要素组成，产品先期的可行性研究。包括：维护先期条件确立、维护周期等级分类、风机维护组成部分。
2 具体/详细设计：完成可维护性的预测，完成与可维护性相关的文件编写和审定，并规定产品或系统寿命期中的相关的可维护性功能与要求，进行维护安全规则编制、维护工具选取、维护所需耗材、编制《风力发电机组维护手册》。
3 生产制造及安装：在生产制造及安装过程中完成可维护性规定的功能的辨识、排序、试验的组织与实施，保证了风机的制造及安装各阶段的可维护性。
4 系统使用与寿命的支持：风机在客户使用过程中进行的可维护性监测、实验与评价，可维护性数据采集、分析和修正活动。根据不同零部件的维护监测结果与维护周期，进行耗材与部件的更换与补充。
5 系统退役与处理：包括风机系统退役部件的可拆卸性、可重复利用性（回收）及消除污染方面的工作。风机使用的，能够对水造成污染的润滑剂或冷却剂必须以正确的方式使用和处置。防止污染物进入环境中，从而满足了客户的环境评估要求。
4 风机可维护性设计实例
4.1 设计完备的监测手段保证设备运行跟踪与维护
风机通过安装plc控制器、cms状态监控器及远程在线监测软件的方式，配合各部位传感器及通讯网络，形成了完善的监测系统，实时测量风机的各种运行状态，充分保证了维护的可测、可控。监测项目如图2：

图2    风电机组监测系统
风机引入了模块化安全系统，该系统是风力发电机组的一个中央控制单元，在有关安全限值超出限定值时，可独立通过操作管理系统触发制动系统。此外，根据驱动情况，可开启变流器从电网中隔离的程序，切断供应电压，触动低压设备主开关和中压开关设备电源开关并阻断偏航系统。模块化安全系统在机舱入口处、低压单元、齿轮箱、塔底等关键部位分别设置了急停按钮及检修开关，维护时可充分保障人身安全。
4.2 设计高效、快捷地运送人员及物料通道
风力发电机组引入风塔电梯技术，将安全、速度、舒适充分融入其中，是风力发电机组的安装和后期维护的高效保障。该电梯可以提供高达250kg的有效载荷，能轻松将人员或重物进行高速提升至塔顶附近。内部设置安全保护开关，保障电梯运行安全。
舱内设置额定载重为500kg的吊装设备。因此，在后期维护时，人员可以利用该吊车将故障部件从机舱尾部直接吊至地面，从而大幅减少劳动强度，节约时间。利用机舱内小吊车可更换的主要部件有：偏航电机及驱动、机舱内各冷却泵、润滑泵、低压单元部件、变桨控制柜部件等。
4.3 模块化结构设计保证维护简便、快捷
设计时尽量采用标准件，结构上采用了模块化设计等，提高了产品的标准化、通用性、互换性程度。使得该风机的维护过程容易实现。维护人员不需要过多繁重的专用工具，降低维护的技能要求。
4.4 可靠的设计延长了设备使用寿命
风机电气布线方面，通过设计合理的布线路径，保证动力电缆、控制电缆走线明确，方便检修；动力电缆采用交错布线，控制电缆采用屏蔽电缆，有效地减少了电磁干扰；电缆折弯半径严格按照相关标准执行，保证弯曲处的导体及绝缘的抗疲劳强度；电缆使用温度范围大，可以达到-40℃~70℃，适应严酷的外部环境；电缆在与主机架、轮毂等金属部分有可能产生相对摩擦运动的部位均覆盖了硬质波纹管等材料进行保护，通过以上措施保证了布线的可靠性，延长了电缆的维护更换周期。
4.5 采用防差错设计保障维护质量、提高效率
具有完善的防差错措施和识别标识。在该风机系统中，有不少的标识、铭牌，帮助维护人员识别部件，提高维护效率，同时提醒维护人员避开潜在的危险。例如，电缆及连接器，所有预制装置均需标记电缆号和起始位置。对同一类型或类似类型的连接器编制代码，以确保不会产生错误插接。在低压单元密集的插件板上，相邻的接插件对应插口针型均不相同，保证了连接器接插的“唯一性”，可有效防止电缆插错。
4.6 预留安全、便利的维护空间
风机的主轴，在主轴锥形面上开了三个人孔（见图3）,形成了一个通道，可以方便进出。这种设计既节省了材料，又降低了重量，更重要的是为将来风机的维护工作提供了极为便利的条件，客户在维护时，可以从人孔直接进入轮毂，从而避免了以往维护人员在机舱外进入的危险。

图3    风机主轴部位示意图
① 人孔  ② 轮毂
合理安排各组成部分的位置，减少连接件、固定件，使其检测、换件等维护操作简单方便，尽可能做到维护任一部分时，不拆卸或少拆卸，少移动其他部分，以降低工作量。轮毂中变桨电机，减速机的空间布置，是对散热方面的考虑，也是对维护操作可达性的考量。此处设计时，按照维护时人员所处的位置、姿势与使用工具的状况，提供适当的操作空间，使维护人员有个比较合理的姿势，避免易导致疲劳或受伤的姿势进行操作。在传动机构、轮毂或风轮叶片上进行维护工作时，要严格保证人员及设备的安全，因此，在设计时分别配备了风轮止动装置、叶片止动装置，防止转动，大大曾加了可维护的安全性。
塔筒/基础等部位在运行维护时要检查焊接部位、螺栓连接状态、表面涂层等，因此设计时应在塔筒关键节点设立平台、扶手、照明灯等设施，保证维护的可达性。
针对机舱顶部风速风向仪的维护，由于现场人员需爬至机舱外，风机在高空振动较大。因此应将机舱罩顶部表面设计成防滑结构，防止维护人员摔倒。
4.7 对风机的元件、耗材进行量化评价设计保证维护精度
风机的可维护性包括对元件、耗材的品质检验，应当具备量化的评估手段。风机在设计时应充分考虑维护人员上述要求，对于发电机冷却、变流器冷却及齿轮箱冷却系统的水/防冻剂合剂浓度、ph值；冷却液含量成分比例，均做了量化定义，使得维护人员可以根据维护规定的要求及时进行更换补充，保证了冷却液的成分精确度。
设计时对风机主要部分连接螺栓扭矩值进行了详细规定，客户在维护时即可依据对应的扭矩值使用扭矩扳手进行紧固，保证了连接的强度可靠性。
5 结论
通过上述多种措施，实现了风机的可维护性设计理念，使传统设计思想得到了完善和补充。在设计时不仅要考虑产品的功能性实现，而且对于后期现场人员进行维护的可达性、方便性也进行系统的研究。改进检测手段，以降低系统误报率，减少停机频次；空间布局设计合理，人员维修方便；部件通用性强，维护时可以携带更少的工具、材料，减少工作量；装配结构可靠简单，易损件便于观察，提高更换部件的效率。在设计理念中融入可维护性设计思想，减轻和减少维护的需求，从而降低维护成本，给客户带来良好的经济效益。风力发电机的可维护性设计对于提高产品竞争力具有十分重要的意义。

参考文献
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[3]刘万琨.张志英.李银凤.赵萍. 风能与风力发电技术[m]. 北京：化学工业出版社，2007.

该文原载于“中国社会科学院文献信息中心主办《环球市场信息导报》（理论）杂志2011年4月28 日出版，转载请注明出处