1、海上風力發(fā)電齒輪箱維護現(xiàn)狀

1.1 齒輪箱在雙饋風力發(fā)電機組的作用

風力發(fā)電機組中的齒輪箱是一個重要的機械部件，其主要功用是將風輪在風力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機并使其得到相應的轉(zhuǎn)速。通常風輪的轉(zhuǎn)速很低，遠達不到發(fā)電機發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速，必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實現(xiàn)，故也將齒輪箱稱之為增速箱。根據(jù)機組的總體布置要求，有時將與風輪輪轂直接相連的傳動軸（俗稱大軸）與齒輪箱合為一體，也有將大軸與齒輪箱分別布置，其間利用漲緊套裝置或聯(lián)軸節(jié)連接的結(jié)構(gòu)。為了增加機組的制動能力，常常在齒輪箱的輸入端或輸出端設置剎車裝置，配合葉尖制動（定漿距風輪）或變漿距制動裝置共同對機組傳動系統(tǒng)進行聯(lián)合制動。

1.2 海上風電對運行維護的考驗

近年來，海上風電技術發(fā)展迅速，海上風電場的數(shù)目和裝機容量不斷增加，但是由于海上風電場較陸上風電場的工作環(huán)境更加惡劣，如鹽霧的腐蝕、臺風的破壞、海浪的載荷和海上撞擊物( 主要是海冰) 的影響，如何提高海上風機的可靠性和利用率就成為研究重點和亟待解決的問題。通常情況下，陸上風電場設有運行維護中心，對風機的維護也相對簡單，不易受天氣等因素的影響。而海上風電場由于工作環(huán)境惡劣，螺栓及接觸點等一些易損部件的失效加快，機械和電氣系統(tǒng)的故障率也會大幅上升，需要增加檢修和維護的頻率。另外，由于環(huán)境的特殊性，海上風電場中如果發(fā)生機組故障，由于天氣原因維護人員可能數(shù)月都不能到達故障點，且出海維修需要動用大型工程船進行運輸與吊裝，費用也十分昂貴 。為了使每臺風機的投資盡量最小化，海上風電場的運行維護需要從長遠角度來制定合理的維護和檢修計，而維護和檢修計劃的制定則是基于對風電機組的狀態(tài)監(jiān)測、故障預測和診斷的。

為此，針對海上風電場的運行維護，對海上風電機組的齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷以及風機監(jiān)控系統(tǒng)提出了嚴峻的考驗。

1.3 現(xiàn)有的齒輪箱維護方式

1.3.1 齒輪箱的故障率以及維修所耗費的時間

齒輪傳動是機械設備中設備中最為常用的傳動方式之一。風電齒輪箱運行狀態(tài)的正常與否直接關系到整臺機組的工作狀況。據(jù)有關資料統(tǒng)計，齒輪箱發(fā)生故障有40％的原因是由于設計、制造、裝配及原材料等因素引起的，即是由制造單位設計制造引起的；另有43％的原因是由于用戶維護不及時和操作不當引起的；還有17％的原因是由于相鄰條件（如電機、聯(lián)軸節(jié)等）的故障或缺陷引起的。當然，風電齒輪箱故障原因是否有這比例關系，還要經(jīng)過統(tǒng)計得出。由此可見，為了確保風電齒輪箱安全、正常地運行，提高齒輪傳動的可靠性，一方面需要改進設計、提高加工制造精度以及改善裝配質(zhì)量，另一方面則必須提高運行管理和維護水平，對齒輪傳動裝置進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。

再者，由于齒輪箱的故障發(fā)生一般為突發(fā)故障，這樣的故障往往面臨著沒有備品備件、維修周期長（一般為兩個月）。單單從這些浪費的發(fā)電量就是一個可觀的金額。針對1.5MW的路上風機發(fā)生的每一次事故，發(fā)電量損失基于0.54元每度，30%的風機利用率來說，60天損失的發(fā)電量約為60x24x1500x30%x0.54=349920元，隨時尤為客觀。

1.3.2 現(xiàn)有的齒輪箱維護方式

風力發(fā)電機組齒輪箱的日常運行維護內(nèi)容主要包括：設備外觀檢查、噪音測試、油位檢查、油溫、電氣接線檢查等。具體工作任務包括：持續(xù)大風天氣時，在中控室應注意觀察齒輪油溫、軸承溫度；登機巡視風力發(fā)電機組時，應注意檢查齒輪箱油位，檢查齒輪泵接線、箱體及潤滑管路有無滲漏現(xiàn)象，外設的潤滑管路有無松動，清潔齒輪箱；離開機艙前，應開機聽齒輪箱及齒輪泵運行有無異常聲音。利用油標尺或油位窗檢查油位是否正常，借助玻璃油窗觀察油色是否正常，發(fā)現(xiàn)油位偏低應及時補充并查找具體滲漏點，及時處理。如果濾清器壓差傳感器報警應盡快更換濾芯，檢查濾芯是否有鐵屑并徹底清洗內(nèi)部，如有較多鐵屑應該化驗齒輪箱潤滑油品，通過化驗結(jié)果，判斷齒輪箱是否有潛在的危險。將新的濾芯安裝到機組上后，應開機聽齒輪泵和齒輪箱運行聲音是否正常，觀察齒輪泵出口壓力表，壓力是否正常。

除了以上的常規(guī)維護，業(yè)主普遍采用離線油液實驗室進行油液分析，每年兩次對潤滑油進行理化分析和磨粒分析，用來判斷設備的運行情況。

再者，按照我們國家的相關要求，要在我國1.5MW以上的風機采取標配振動在線監(jiān)測的手段對齒輪箱的異常振動進行監(jiān)測，用來判斷設備故障的發(fā)生。

1.4 齒輪箱維護方式的瓶頸或遇到的問題

離線油液分析即實驗室分析，它主要基于石油產(chǎn)品質(zhì)量評定方法、光譜元素分析與鐵譜技術，從設備潤滑系統(tǒng)或液壓系統(tǒng)中取出一小瓶樣品，送到實驗室進行檢測，并依靠專家經(jīng)驗對設備的油質(zhì)狀態(tài)、污染狀態(tài)與磨損狀態(tài)進行評價并給出指導建議，全部結(jié)果輸入計算機系統(tǒng)，以方便查閱并形成歷史趨勢。 

離線監(jiān)測是目前油液分析的主要形式，在為汽車、港口、石化、冶金、制氣、化工、石油開采、運輸、水泥、電力等行業(yè)的大型壓力機、大型減速箱、氣體壓縮機、高精度伺服液壓系統(tǒng)、大型燃氣透平機、大型水輪機組等關鍵設備的潤滑磨損狀態(tài)分析中發(fā)揮了重要的作用。但是，離線監(jiān)測也存在一些固有的問題。

1.4.1 技術上的問題

（1）檢測消耗時間太長。目前油液分析實驗室采用的是石油產(chǎn)品質(zhì)量評定的標準方法與檢測實驗室的管理體系，需要時間長，一般完成一個樣品的檢測全過程需要二到五天時間。檢測結(jié)果精確，但事實上在狀態(tài)監(jiān)測中更注重的是趨勢而不是數(shù)據(jù)的精度。

 （2）部分檢測儀器價格昂貴，體積龐大，不適合在企業(yè)一級推廣使用。

（3）分析鐵譜對人員素質(zhì)的依賴較大，不適合大面積推廣以及檢測流程的提速。

1.4.2 應用中的問題

（1）取樣不一定有代表性。有些大型潤滑系統(tǒng)的用油量可到幾十立方，而離線監(jiān)測的取樣量一般只有幾百毫升。典型磨損顆粒被稀釋而不一定能夠被及時發(fā)現(xiàn)。 

（2）送檢周期太長。一般從取樣到送至最近的專業(yè)油液實驗室，到得到分析報告，需要幾天甚至幾個星期時間。  

（3）應用地域有限制。有些交通不便的企業(yè)或取樣不便的設備很難開展定期的離線監(jiān)測。如遠洋船舶與風電齒輪箱。

而對于在線式的振動監(jiān)測，檢測的WAV波形對于業(yè)主來說很難進行分析，而如果要達到一個很好地監(jiān)測目的，這些分析需要收費，而且價格不菲。另外，振動監(jiān)測往往受到外界的干擾比較嚴重。例如在風電機組轉(zhuǎn)速隨著風速的上升，振動值也會超標。另外如果隨著其他部件的振動，齒輪箱會存在共振的可能性，這都使振動在線監(jiān)測處在一個尷尬的境地。業(yè)主普遍反映振動監(jiān)測一般沒有用處，這些問題主要集中在虛報誤報頻繁，數(shù)據(jù)繁雜需要專業(yè)人員分析這些方面。

2、解決方法

2.1基于智能維護的管理理念提出

智能維護系統(tǒng)是在狀態(tài)維護基礎上發(fā)展起來的一種全新的預測性維護方式，其目的在于實現(xiàn)設備接近于零故障的運行效率。通過融入嵌入式智能代理技術和性能衰退預測技術，智能維護不僅提供了設備性能衰退監(jiān)測的低成本解決方案，也使得企業(yè)在制定維護計劃和準備維護資源（如備品備件）時的時間余量更為充足。特別是在備品備件的庫存管理上，智能維護可使維護所需的備品備件庫存大幅降低，從而為企業(yè)節(jié)約維護所需的庫存成本。2002年，智能維護被美國財富雜志評選為未來制造業(yè)最熱的三項技術之一。

我國從2006年開始大面積采用風機發(fā)電，大多數(shù)風電機組已經(jīng)運行了5年，齒輪箱故障無法避免。隨著機組運行對間的加長，目前這些機組陸續(xù)出現(xiàn)了故障（包括風輪葉片、電機、增速齒輪，及控制系統(tǒng)等），導致機組停止運行，嚴重影響發(fā)電量，造成經(jīng)濟損失。

目前，中國風電場主對運行維護的預算比較低，維護費用可以做得很便宜，但長期來看不值，3年、5年好對付，一旦風機運行超過10年，維護成本會有一個迅速上升的趨勢。這時，風機的故障會越來越多，問題也會越來越大，前面少花的錢會在這個時期補回來，而且還影響風機的壽命。而選用合適的維護方法，則可以讓風機在保持高可利用率的前提下，運行25年到30年。國外風機場主這方面已經(jīng)走在了前面。目前有很多國際知名企業(yè)已把智能維護技術作為企業(yè)的主要發(fā)展戰(zhàn)略以促進維護策略從平均故障間隔到平均衰退間隔的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)企業(yè)設備和產(chǎn)品在其生命周期中近乎零的故障發(fā)生率，從而大大提高國際市場的競爭力。

2.2油液監(jiān)測對降低風電機組維護成本的影響

2.2.1 提高風電機組可靠性

風電機組機械設備中的主齒輪箱，作為傳動機構(gòu)，對風力發(fā)電起著極其重要的作用。該齒輪箱具有造價高、維修困難的特點，由齒輪、軸承等摩擦副構(gòu)成，以高粘度齒輪油予以潤滑。潤滑方式是基于集中循環(huán)潤滑系統(tǒng)的強制式潤滑。正常情況下，各摩擦副處于邊界潤滑狀態(tài)，以正常的磨損速率運行。但當在用齒輪油被污染、油質(zhì)下降、供油不足等造成潤滑不良時，非正常的磨損狀態(tài)出現(xiàn)了，會瞬間產(chǎn)生巨大磨損顆粒，或磨損率上升導致磨損顆粒數(shù)量顯著增加。如果對此置若罔聞，任其發(fā)展，勢必造成主齒輪箱相關摩擦副異常磨損，使相關摩擦副出現(xiàn)磨損故障，甚至導致嚴重的安全事故。而等主齒輪箱出現(xiàn)故障后再去維修，不僅會因停機造成發(fā)電損失，而且維修費用也將數(shù)倍或數(shù)十倍地增加。

由于主齒輪箱在用齒輪油中含有磨損下來的磨粒和污染雜質(zhì)，帶有豐富的摩擦學信息，通過油液監(jiān)測技術，定期取樣檢測在用齒輪油，測定在用齒輪油的理化性能，分析磨損顆粒和污染雜質(zhì)，監(jiān)控風電機組齒輪箱的潤滑狀態(tài)和磨損狀態(tài)，使齒輪箱總是處于良好或正常的潤滑狀態(tài)和磨損狀態(tài)，同時也能及時發(fā)現(xiàn)潤滑隱患和由潤滑不當造成的故障隱患，提前預測故障萌芽，及時消除故障隱患，不因停機而耽誤發(fā)電生產(chǎn)，以最小的代價換取齒輪箱的正常運行，最大限度地延長風電機組齒輪箱的使用壽命，從而產(chǎn)生顯而易見的效益。從這個意義上說，對風電機組實施油液監(jiān)測，提高了風電機組的可靠性，降低了機組維護成本。

譬如，龍源集團開展油液監(jiān)測工作已有三年，三年來共檢測 15000 多臺次，其中提出警告 973 臺次，提出潤滑狀態(tài)異常、建議換油或采取其他措施的 454 臺次，有效地避免了磨損故障的發(fā)生，提高了風電機組的可靠性，在一定程度上降低了維護成本。圖 1 示出了龍源集團三年來油液監(jiān)測結(jié)果。

值得一提的是，由于油液監(jiān)測工作能較早發(fā)現(xiàn)磨損故障隱患，可能在較短時間內(nèi)不一定出現(xiàn)故障，也難有被現(xiàn)場及時確認的手段，油液監(jiān)測的結(jié)果有時難于一時被風電場所驗證，因而個別風電場對油液監(jiān)測持有異議。這可以理解，但這種理念需要更新。因為根據(jù)油液監(jiān)測結(jié)果，在用潤滑油不能滿足使用要求時，就會存在風電機組有關摩擦副磨損加劇、有關摩擦副點蝕嚴重、極壓條件下摩擦副磨損失效等安全隱患。如不及時消除，勢必造成摩擦副磨損失效和磨損故障，風電機組有關部件就達不到設計壽命，其可靠性就大打折扣。

2.2.2 降低潤滑成本

通過油液監(jiān)測將定期換油變?yōu)榘促|(zhì)換油，即根據(jù)油液監(jiān)測結(jié)果決定是否更換新油，可使風電場節(jié)省可觀的潤滑成本。潤滑油是由基礎油和各種添加劑組成。在用齒輪油使用過程中，一旦齒輪油的各種添加劑耗盡、本身嚴重氧化、粘度發(fā)生嚴重變化，齒輪油的各種性能就下降，或者一旦齒輪油被嚴重污染，都會造成在用齒輪油不能滿足使用要求的后果。此時就必須立即更換。然而，在用齒輪油雖有

成分輕微變化，性能輕微下降，油品稍有污染，使用年限超過齒輪箱制造商或供油商建議的年限，但經(jīng)檢測，在用齒輪油的各種性能仍能滿足使用要求，就可以繼續(xù)使用而不必更換。一般說來，風電機組主齒輪箱所用的合成齒輪油，齒輪箱制造商建議使用3 年就需更換。供油商近幾年則建議換油期為 3 到 5 年。如果按油液監(jiān)測結(jié)果進行按質(zhì)換油，就可能超過了齒輪箱制造商或供油商建議的使用期限，這樣就延長了換油周期，節(jié)省了換油費用，降低了潤滑成本。

以龍源集團某風電場為例。該風電場使用的是全合成齒輪油。油品供應商推薦的換油周期為 3 至 5 年。該風電場風電機組齒輪箱在用油已使用近 6 年，經(jīng)定期取樣檢測，發(fā)現(xiàn)該在用齒輪油各項指標均正常，仍能滿足使用要求，建議風電場繼續(xù)使用，取得了較好的經(jīng)濟效益。因此，根據(jù)油液監(jiān)測結(jié)果實施按質(zhì)換油，不能滿足使用要求的要及時換掉，能滿足使用要求的要繼續(xù)使用，既可以保證機組設備處于良好的潤滑狀態(tài)，又能避免定期換油造成的換油成本浪費。從這個意義上說，也降低了潤滑成本。

2.3 保障風電機組潤滑的可靠性

通過油液監(jiān)測對風電場所用新潤滑油品實施把關，主要包括所購新油油品是否合格、注入到主齒輪箱的油品是否正確等三個方面。有信譽的供油商都能提供第三方檢驗合格證明，保證油品質(zhì)量，但個別供油商有時以次充好、以假充真。如果應用了這樣的潤滑油，輕則造成磨損故障，重則造成嚴重的安全事故。入庫前如有疑問，可以根據(jù)需要進行質(zhì)量抽檢，以保證所購油品質(zhì)量。庫存新油油品是否變質(zhì)是一個常被風電場所忽略的問題。新油入庫后，由于溫度、濕度、灰塵等各種環(huán)境因素的影響，其性能會有不同程度的劣變。儲存時間越長，劣變程度越大。一般來說，如果保存得當，全合成油品可保存三年或更長。但由于環(huán)境因素的不確定性，加之儲存措施難免不周，如存儲時間過長，所以最好在使用前進行一次抽檢。通過檢測，以確定油品質(zhì)量是否可靠。這可以有效避免因油品劣化導致潤滑不良而產(chǎn)生磨損故障或事故。對剛剛注入到主齒輪箱的齒輪油短時間內(nèi)進行一次檢查十分必要。因為這既可以有效避免共組人員因疏忽大意而用錯油，又可驗證換油是否規(guī)范。因疏忽大意用錯油的案例在許多行業(yè)并不鮮見，所以風電行業(yè)也要特別注意。更換新油要有嚴格的程序，如不嚴格遵守，就會出問題。例如，舊油沖洗不徹底，就可能導致新油污染等。