风力发电机是将风能转换为机械功，机械功带动转子旋转，最终输出交流电的电力设备。风力发电机一般有风轮、发电机(包括装置)、调向器(尾翼)、塔架、限速安全机构和储能装置等构件组成。
海上风力发电机组齿轮箱维护现状及解决方法
1海上风力发电齿轮箱维护现状
1.1 齿轮箱在双馈风力发电机组的作用
风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速通常风轮的转速很低远达不到发电机发电所要求的转速必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现故也将齿轮箱称之为增速箱根据机组的总体布置要求有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴（俗称大轴）与齿轮箱合为一体也有将大轴与齿轮箱分别布置其间利用涨紧套装置或联轴节连接的结构为了增加机组的制动能力常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置配合叶尖制动（定浆距风轮）或变浆距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动
1.2 海上风电对运行维护的考验
近年来海上风电技术发展迅速海上风电场的数目和装机容量不断增加但是由于海上风电场较陆上风电场的工作环境更加恶劣如盐雾的腐蚀台风的破坏海浪的载荷和海上撞击物 主要是海冰 的影响如何提高海上风机的可靠性和利用率就成为研究重点和亟待解决的问题通常情况下陆上风电场设有运行维护中心对风机的维护也相对简单不易受天气等因素的影响而海上风电场由于工作环境恶劣螺栓及接触点等一些易损部件的失效加快机械和电气系统的故障率也会大幅上升需要增加检修和维护的频率另外由于环境的特殊性海上风电场中如果发生机组故障由于天气原因维护人员可能数月都不能到达故障点且出海维修需要动用大型工程船进行运输与吊装费用也十分昂贵 为了使每台风机的投资尽量最小化海上风电场的运行维护需要从长远角度来制定合理的维护和检修计而维护和检修计划的制定则是基于对风电机组的状态监测故障预测和诊断的
为此针对海上风电场的运行维护对海上风电机组的齿轮箱状态监测与故障诊断以及风机监控系统提出了严峻的考验
1.3 现有的齿轮箱维护方式
1.3.1 齿轮箱的故障率以及维修所耗费的时间
齿轮传动是机械设备中设备中最为常用的传动方式之一风电齿轮箱运行状态的正常与否直接关系到整台机组的工作状况据有关资料统计齿轮箱发生故障有40％的原因是由于设计制造装配及原材料等因素引起的即是由制造单位设计制造引起的另有43％的原因是由于用户维护不及时和操作不当引起的还有17％的原因是由于相邻条件（如电机联轴节等）的故障或缺陷引起的当然风电齿轮箱故障原因是否有这比例关系还要经过统计得出由此可见为了确保风电齿轮箱安全正常地运行提高齿轮传动的可靠性一方面需要改进设计提高加工制造精度以及改善装配质量另一方面则必须提高运行管理和维护水平对齿轮传动装置进行状态监测和故障诊断
再者由于齿轮箱的故障发生一般为突发故障这样的故障往往面临着没有备品备件维修周期长（一般为两个月）单单从这些浪费的发电量就是一个可观的金额针对1.5MW的路上风机发生的每一次事故发电量损失基于0.54元每度30%的风机利用率来说60天损失的发电量约为60x24x1500x30%x0.54=349920元随时尤为客观
1.3.2 现有的齿轮箱维护方式
风力发电机组齿轮箱的日常运行维护内容主要包括设备外观检查噪音测试油位检查油温电气接线检查等具体工作任务包括持续大风天气时在中控室应注意观察齿轮油温轴承温度登机巡视风力发电机组时应注意检查齿轮箱油位检查齿轮泵接线箱体及润滑管路有无渗漏现象外设的润滑管路有无松动清洁齿轮箱离开机舱前应开机听齿轮箱及齿轮泵运行有无异常声音利用油标尺或油位窗检查油位是否正常借助玻璃油窗观察油色是否正常发现油位偏低应及时补充并查找具体渗漏点及时处理如果滤清器压差传感器报警应尽快更换滤芯检查滤芯是否有铁屑并彻底清洗内部如有较多铁屑应该化验齿轮箱润滑油品通过化验结果判断齿轮箱是否有潜在的危险将新的滤芯安装到机组上后应开机听齿轮泵和齿轮箱运行声音是否正常观察齿轮泵出口压力表压力是否正常
除了以上的常规维护业主普遍采用离线油液实验室进行油液分析每年两次对润滑油进行理化分析和磨粒分析用来判断设备的运行情况
再者按照我们国家的相关要求要在我国1.5MW以上的风机采取标配振动在线监测的手段对齿轮箱的异常振动进行监测用来判断设备故障的发生
1.4 齿轮箱维护方式的瓶颈或遇到的问题
离线油液分析即实验室分析它主要基于石油产品质量评定方法光谱元素分析与铁谱技术从设备润滑系统或液压系统中取出一小瓶样品送到实验室进行检测并依靠专家经验对设备的油质状态污染状态与磨损状态进行评价并给出指导建议全部结果输入计算机系统以方便查阅并形成历史趋势
离线监测是目前油液分析的主要形式在为汽车港口石化冶金制气化工石油开采运输水泥电力等行业的大型压力机大型减速箱气体压缩机高精度伺服液压系统大型燃气透平机大型水轮机组等关键设备的润滑磨损状态分析中发挥了重要的作用但是离线监测也存在一些固有的问题
1.4.1 技术上的问题
（1）检测消耗时间太长目前油液分析实验室采用的是石油产品质量评定的标准方法与检测实验室的管理体系需要时间长一般完成一个样品的检测全过程需要二到五天时间检测结果精确但事实上在状态监测中更注重的是趋势而不是数据的精度
（2）部分检测仪器价格昂贵体积庞大不适合在企业一级推广使用
（3）分析铁谱对人员素质的依赖较大不适合大面积推广以及检测流程的提速
1.4.2 应用中的问题
（1）取样不一定有代表性有些大型润滑系统的用油量可到几十立方而离线监测的取样量一般只有几百毫升典型磨损颗粒被稀释而不一定能够被及时发现
（2）送检周期太长一般从取样到送至最近的专业油液实验室到得到分析报告需要几天甚至几个星期时间
（3）应用地域有限制有些交通不便的企业或取样不便的设备很难开展定期的离线监测如远洋船舶与风电齿轮箱
而对于在线式的振动监测检测的WAV波形对于业主来说很难进行分析而如果要达到一个很好地监测目的这些分析需要收费而且价格不菲另外振动监测往往受到外界的干扰比较严重例如在风电机组转速随着风速的上升振动值也会超标另外如果随着其他部件的振动齿轮箱会存在共振的可能性这都使振动在线监测处在一个尴尬的境地业主普遍反映振动监测一般没有用处这些问题主要集中在虚报误报频繁数据繁杂需要专业人员分析这些方面
2解决方法
2.1基于智能维护的管理理念提出
智能维护系统是在状态维护基础上发展起来的一种全新的预测性维护方式其目的在于实现设备接近于零故障的运行效率通过融入嵌入式智能代理技术和性能衰退预测技术智能维护不仅提供了设备性能衰退监测的低成本解决方案也使得企业在制定维护计划和准备维护资源（如备品备件）时的时间余量更为充足特别是在备品备件的库存管理上智能维护可使维护所需的备品备件库存大幅降低从而为企业节约维护所需的库存成本2002年智能维护被美国财富杂志评选为未来制造业最热的三项技术之一
我国从2006年开始大面积采用风机发电大多数风电机组已经运行了5年齿轮箱故障无法避免随着机组运行对间的加长目前这些机组陆续出现了故障（包括风轮叶片电机增速齿轮及控制系统等）导致机组停止运行严重影响发电量造成经济损失
目前中国风电场主对运行维护的预算比较低维护费用可以做得很便宜但长期来看不值3年5年好对付一旦风机运行超过10年维护成本会有一个迅速上升的趋势这时风机的故障会越来越多问题也会越来越大前面少花的钱会在这个时期补回来而且还影响风机的寿命而选用合适的维护方法则可以让风机在保持高可利用率的前提下运行25年到30年国外风机场主这方面已经走在了前面目前有很多国际知名企业已把智能维护技术作为企业的主要发展战略以促进维护策略从平均故障间隔到平均衰退间隔的转变实现企业设备和产品在其生命周期中近乎零的故障发生率从而大大提高国际市场的竞争力
2.2油液监测对降低风电机组维护成本的影响
2.2.1 提高风电机组可靠性
风电机组机械设备中的主齿轮箱作为传动机构对风力发电起着极其重要的作用该齿轮箱具有造价高维修困难的特点由齿轮轴承等摩擦副构成以高粘度齿轮油予以润滑润滑方式是基于集中循环润滑系统的强制式润滑正常情况下各摩擦副处于边界润滑状态以正常的磨损速率运行但当在用齿轮油被污染油质下降供油不足等造成润滑不良时非正常的磨损状态出现了会瞬间产生巨大磨损颗粒或磨损率上升导致磨损颗粒数量显着增加如果对此置若罔闻任其发展势必造成主齿轮箱相关摩擦副异常磨损使相关摩擦副出现磨损故障甚至导致严重的安全事故而等主齿轮箱出现故障后再去维修不仅会因停机造成发电损失而且维修费用也将数倍或数十倍地增加
由于主齿轮箱在用齿轮油中含有磨损下来的磨粒和污染杂质带有丰富的摩擦学信息通过油液监测技术定期取样检测在用齿轮油测定在用齿轮油的理化性能分析磨损颗粒和污染杂质监控风电机组齿轮箱的润滑状态和磨损状态使齿轮箱总是处于良好或正常的润滑状态和磨损状态同时也能及时发现润滑隐患和由润滑不当造成的故障隐患提前预测故障萌芽及时消除故障隐患不因停机而耽误发电生产以最小的代价换取齿轮箱的正常运行最大限度地延长风电机组齿轮箱的使用寿命从而产生显而易见的效益从这个意义上说对风电机组实施油液监测提高了风电机组的可靠性降低了机组维护成本
譬如龙源集团开展油液监测工作已有三年三年来共检测 15000 多台次其中提出警告 973 台次提出润滑状态异常建议换油或采取其他措施的 454 台次有效地避免了磨损故障的发生提高了风电机组的可靠性在一定程度上降低了维护成本图 1 示出了龙源集团三年来油液监测结果
值得一提的是由于油液监测工作能较早发现磨损故障隐患可能在较短时间内不一定出现故障也难有被现场及时确认的手段油液监测的结果有时难于一时被风电场所验证因而个别风电场对油液监测持有异议这可以理解但这种理念需要更新因为根据油液监测结果在用润滑油不能满足使用要求时就会存在风电机组有关摩擦副磨损加剧有关摩擦副点蚀严重极压条件下摩擦副磨损失效等安全隐患如不及时消除势必造成摩擦副磨损失效和磨损故障风电机组有关部件就达不到设计寿命其可靠性就大打折扣
2.2.2 降低润滑成本
通过油液监测将定期换油变为按质换油即根据油液监测结果决定是否更换新油可使风电场节省可观的润滑成本润滑油是由基础油和各种添加剂组成在用齿轮油使用过程中一旦齿轮油的各种添加剂耗尽本身严重氧化粘度发生严重变化齿轮油的各种性能就下降或者一旦齿轮油被严重污染都会造成在用齿轮油不能满足使用要求的后果此时就必须立即更换然而在用齿轮油虽有
成分轻微变化性能轻微下降油品稍有污染使用年限超过齿轮箱制造商或供油商建议的年限但经检测在用齿轮油的各种性能仍能满足使用要求就可以继续使用而不必更换一般说来风电机组主齿轮箱所用的合成齿轮油齿轮箱制造商建议使用3 年就需更换供油商近几年则建议换油期为 3 到 5 年如果按油液监测结果进行按质换油就可能超过了齿轮箱制造商或供油商建议的使用期限这样就延长了换油周期节省了换油费用降低了润滑成本
以龙源集团某风电场为例该风电场使用的是全合成齿轮油油品供应商推荐的换油周期为 3 至 5 年该风电场风电机组齿轮箱在用油已使用近 6 年经定期取样检测发现该在用齿轮油各项指标均正常仍能满足使用要求建议风电场继续使用取得了较好的经济效益因此根据油液监测结果实施按质换油不能满足使用要求的要及时换掉能满足使用要求的要继续使用既可以保证机组设备处于良好的润滑状态又能避免定期换油造成的换油成本浪费从这个意义上说也降低了润滑成本
2.3 保障风电机组润滑的可靠性
通过油液监测对风电场所用新润滑油品实施把关主要包括所购新油油品是否合格注入到主齿轮箱的油品是否正确等三个方面有信誉的供油商都能提供第三方检验合格证明保证油品质量但个别供油商有时以次充好以假充真如果应用了这样的润滑油轻则造成磨损故障重则造成严重的安全事故入库前如有疑问可以根据需要进行质量抽检以保证所购油品质量库存新油油品是否变质是一个常被风电场所忽略的问题新油入库后由于温度湿度灰尘等各种环境因素的影响其性能会有不同程度的劣变储存时间越长劣变程度越大一般来说如果保存得当全合成油品可保存三年或更长但由于环境因素的不确定性加之储存措施难免不周如存储时间过长所以最好在使用前进行一次抽检通过检测以确定油品质量是否可靠这可以有效避免因油品劣化导致润滑不良而产生磨损故障或事故对刚刚注入到主齿轮箱的齿轮油短时间内进行一次检查十分必要因为这既可以有效避免共组人员因疏忽大意而用错油又可验证换油是否规范因疏忽大意用错油的案例在许多行业并不鲜见所以风电行业也要特别注意更换新油要有严格的程序如不严格遵守就会出问题例如旧油冲洗不彻底就可能导致新油污染等
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