風力發電齒輪箱運維現狀以及發展趨勢

吳偉強

南京安維士傳動技術股份有限公司, 江蘇 南京 210019

根據相關統計數據，2017年全球新增并網風電裝機1503萬kW，累計并網裝機容量達到1.64億kW。預計到2020年，11萬臺風機都將出保。如果齒輪箱發生重大質量事故，更換齒輪箱的費用可能超過百萬元。昂貴的維修費用衍生出巨大的市場，目前包括風場開發商、風機制造商、齒輪箱制造商以及第三方公司在內的運維公司都在積極參與，分享這個巨大的紅利。

1 風電齒輪箱的運維現狀

齒輪箱的運行質量，關系到齒輪箱20年壽命周期的成本，也關系到風場投資收益率。影響齒輪箱運行質量的因素有很多，譬如齒輪箱的設計可靠性、制造質量等等。但隨著風電行業的不斷發展，相關行業標準的不斷完善，齒輪箱的設計以及制造水平有了很大的提升。這個時候，運維水平的高低直接影響著齒輪箱的運行質量。目前，齒輪箱的運維現狀主要有以下幾個方面。

1.1 運維的規范以及標準不健全

由于風電行業的特殊性，市面上主齒輪箱規格繁多，各個制造商的技術水平、生產能力不同，對于齒輪箱運維的要求也不一致，導致目前市場上并沒有關于齒輪箱運維的行業或者國家標準。規范不健全，意味著維護標準、檢查標準、維修驗收標準不一致，最終影響的還是齒輪箱的運行質量。

1.2 運維人員的技能水平較低

它主要包含兩方面：一是風場運維人員大部分非機械行業出身，對齒輪箱這種機械設備不了解，只能依據主機廠或齒輪箱制造商的說明書進行基本維護；二是由于風電行業的特殊性，夏天高溫、冬天寒冷以及需要高空作業，人員的流動性相對其他行業較大，而人才的培養又需要時間。

1.3 監測設備缺乏

目前齒輪箱上的監控設備主要是監控潤滑油溫度、軸承溫度以及進油壓力的傳感器。部分機型裝有監控齒輪箱振動的傳感器，以及監控齒輪箱潤滑油性能的傳感器，但普及范圍相對較窄。由于風機的特殊性，無法做到隨時隨地檢查齒輪箱的狀況，只能等齒輪箱出現較大故障后才發現問題。

1.4 機型繁多堯備件困難

國內風電從2005年開始逐步快速發展，在發展高峰時期有幾十家主機廠。而各個主機廠的風機機型大部分都不一致，導致不同主機廠的齒輪箱必須特殊定制，不具備互換性，進而導致維修技術須單獨開發、工裝須單獨儲備、維修備件須單獨儲備等等。如果沒有提前儲備，齒輪箱一旦出現故障，停機時間將會非常長，損失就會很大。如果提前儲備備件，對于數量較少的機型可能很長時間無法用到備件，資金占用時間較長。

1.5 早期齒輪箱技術堯質量可靠性低

在國家支持綠色清潔能源這個大環境下，風電發展迅速，但是風機以及齒輪箱的技術、制造質量并沒有完全跟上行業的發展速度，存在部分脫節，有些齒輪箱甚至沒有經過嚴格的樣機試驗就開始批量化生產，隱患較多，導致部分廠家的齒輪箱在運行幾年后出現故障，給風場造成較大損失。

1.6 行業不透明

整個風電行業，包括主機以及齒輪箱的基礎數據都基本處于不公開狀態，每個齒輪箱制造商對自己齒輪箱的數據保密。風場的運維人員無法得到齒輪箱的基本數據，譬如齒輪箱結構、試驗數據等等，導致齒輪箱一旦出現問題，無法及時分析故障原因。

2 風電齒輪箱運維的發展趨勢

為了解決棄風問題，2017年國家發改委和能源局聯合印發了《解決棄水棄風棄光問題實施方案》，可再生能源電力受限嚴重地區棄風狀況明顯緩解。隨著國內棄風限電的改善，齒輪箱的可靠運行變得尤為重要。各個風場也在轉變，將以前的被動性運維變為主動性運維[1]。目前來看，風電齒輪箱運維的發展趨勢主要有以下幾個方面。

2.1 精細化運維

根據風場齒輪箱歷年的運行數據，結合齒輪箱的結構，與齒輪箱制造商或者專業的第三方制定有針對性的運維計劃以及運維要求，減少不必要的浪費。同時，對風場運維人員進行運維計劃、要求以及技術專業培訓，提升運維人員整體技術水平。

2.2 智能監控系統

目前行業上的CMS系統主要是齒輪箱在線測振系統，但CMS系統只能做到警報自動化，即齒輪箱出現故障后自動報警，但無法自動分析具體是哪個零件出現故障，只能通過人工分析振動頻譜來判斷。而且很多CMS系統出現警報時，齒輪箱已處于故障中后期[2]。這也是未來CMS系統的發展方向，即通過分析頻譜來判斷出現故障的零件，同時也可以發現零件早期故障。

2.3 預測性智能運維

通過CMS系統以及安裝在齒輪箱和風機上的各個傳感器，檢測齒輪箱相關運行數據，預測齒輪箱的剩余使用壽命以及故障概率。根據預測的結果提前檢查齒輪箱、調整齒輪箱的維護工作、做好備件儲備工作，將齒輪箱的故障率降到最低，同時將齒輪箱出現故障后的影響降到最低。

2.3.1 檢修規范化、標準化

中國船級社質量認證公司、南京安維士傳動技術股份有限公司、南京高速齒輪制造有限公司聯合編制的《風力發電機組主齒輪箱檢修技術規范》于2017年8月正式發布，填補了國內沒有風電齒輪箱檢修規范的空白，引導了風電齒輪箱檢修市場良性和有序的發展。

2.3.2 優化性技改及維修

當齒輪箱出現批量性故障或者存在批量性故障隱患的時候，就需要對齒輪箱做優化性技改，提升齒輪箱的運行質量。齒輪箱在設計的時候是依據當時的技術水平進行的，在齒輪箱的實際運行過程中，技術也在發展與進步[3]。以現有的技術對原有的結構進行優化，可以提升齒輪箱運行的可靠性。否則，只對齒輪箱復制性維修，會導致齒輪箱始終存在故障隱患。

3 結語

風力發電齒輪箱的可靠運行需要將行業的標準、先進的傳感技術、智能運維以及運維人員的技術管理整合起來[3]，才能做到提前預測，提前準備，提前調整，最終達到齒輪箱可靠運行的目的。