風電是資源潛力大、技術基本成熟的可再生能源，在減排溫室氣體、應對氣候變化的新形勢下，越來越受到世界各國的重視，并已在全球大規(guī)模開發(fā)利用。隨著風電的快速發(fā)展，風機數(shù)量在急劇增加。目前，我國大約有6萬臺風機，新機組的不斷投運，舊機組的不斷老化，使得提高風機的利用率，降低設備的故障率和故障時間，避免設備突發(fā)故障，成為風電運營商日常設備維護與檢修工作的主要目標。

 

風電場設備維護現(xiàn)狀

 

縱觀設備的維護歷史，設備維護方式一般來說可概括為事后維修、預防性維護和改善性維護三種。在這三種維護方式中，以預防性維護最為常見。目前，預防性維護又可分為周期預防性維護和狀態(tài)維護兩種方式。

 

周期預防性維護即以一定的時間為周期，有計劃地安排預防性維護活動，維護的目的是預防故障的發(fā)生。周期預防性維護針對故障的基本思想是“預防為主”，強調(diào)維護設備的安全性，并兼顧維護活動的經(jīng)濟性。

 

狀態(tài)維護是一種以設備技術狀態(tài)為基礎的預防性維護方式。它根據(jù)設備的日常點檢、定期檢查、連續(xù)監(jiān)測和故障診斷提供的信息，經(jīng)過統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)處理，來判斷設備的惡化程度。或由維護人員根據(jù)參數(shù)的變化趨勢或幅值變化做出判斷，并在故障發(fā)生之前對設備進行有計劃的適當維護。狀態(tài)維護方式不規(guī)定設備的使用時間，能有效避免“維修不足”和“維修過度”，充分利用設備壽命。使維護工作量維持在較低水平，是一種經(jīng)濟合理的優(yōu)化維護方式。目前，狀態(tài)維護的應用比較普遍，比如發(fā)電機、飛機發(fā)動機等。但狀態(tài)維護也存在一定不足，即只考慮了設備當前的運行狀態(tài)，而沒有考慮或較少考慮設備未來的運行情況。

 

新的觀念是采用智能維護（IM，Intelligent Maintenance）系統(tǒng)，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。

 

風電油液在線監(jiān)測必要性

 

機械設備80%的隱患來自于潤滑，磨損故障是風機等大型設備失效的主要原因。潤滑油是機械設備的“血液”，它在機械設備中起著密封、潤滑、減磨、冷卻、清洗、減振和防腐等重要作用，但它本身也“藏污納垢”。這些污染物包括有：零部件的磨損顆粒、腐蝕產(chǎn)物，此外潤滑油和添加劑在一定程度上無一不與機械設備及潤滑油的使用狀態(tài)相關聯(lián)，同時作為一種載體，在用潤滑油中蘊藏著豐富的來自機器運動副表面的摩擦學狀態(tài)信息。對其性能及所攜帶的磨損產(chǎn)物的分析，可有效地評價機械的磨損狀態(tài)。監(jiān)測油液指標就如同給齒輪箱“抽血”化驗，用最科學、最直觀的數(shù)據(jù)幫助工作人員及早地發(fā)現(xiàn)某些故障信號，從而及時維護，避免故障發(fā)生，延長使用壽命。

 

油液狀態(tài)監(jiān)測的首要目的就是對油品劣化、污染和機械磨損的早期發(fā)現(xiàn)和預警。首先，機械磨損的早期發(fā)現(xiàn)是設備視情維護的基礎，可以在設備發(fā)生嚴重磨損與失效之前安排檢修，減少設備損壞；其次，根據(jù)設備狀態(tài)合理安排檢修時間，減少故障停機和定期檢修對生產(chǎn)的影響；再次，提高了設備的平均故障時間，提高了生產(chǎn)率。

 

目前我國風機設備的維護主要是定期維護和實驗室離線油液分析。定期維護存在的問題主要維護成本高，而且隨著設備老化定期維護周期逐步降低，從而造成很大的維護成本浪費；而實驗室油液離線分析則主要存在檢測時間長；部分檢測儀器價格昂貴，體積龐大，不適合在企業(yè)一級的推廣使用；取樣不具有代表性；送檢周期太長；應用地域有限制等問題。

 

相對于離線油液檢測，實現(xiàn)風電機組遠程在線狀態(tài)監(jiān)測的網(wǎng)絡化、智能化已勢在必行。首先在線監(jiān)測能夠具有實時監(jiān)測的優(yōu)勢，完成一次在線監(jiān)測一般只需要幾分鐘到十幾分鐘。現(xiàn)場服務器通過互聯(lián)網(wǎng)將風電場和風電機組的數(shù)據(jù)實時傳送到遠離風電場的遠程監(jiān)測中心，在遠程監(jiān)測中心上直接顯示風電場運行狀態(tài)，實時顯示風電機組的設備狀態(tài)，數(shù)據(jù)同時自動存入數(shù)據(jù)庫。其次無需取樣，直接對回油管或齒輪箱中的油液進行分析，避免了不具代表性和二次污染的可能性。

 

采用在線故障預警系統(tǒng)將能夠至少降低齒輪箱80%的故障率和維護費用，約能節(jié)約總投資的17%。風電企業(yè)通過增加風機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的技術，對風機進行監(jiān)測，能夠確切掌握關鍵零部件的實際特性，判定需要修復或更換的零部件和元器件，充分利用零件的潛力，避免過度維修、減少能源損耗，達到變定期維護為視情維護的目的，從而節(jié)省成本

風電油液在線監(jiān)測方法及相關硬件設備

 

在線監(jiān)測技術手段以其連續(xù)性、實時性和同步性等優(yōu)點，近年來在在線油液監(jiān)測技術領域得到了快速發(fā)展和應用，并在許多行業(yè)開展了相關的工程化應用探索。

 

油液在線監(jiān)測技術方法快速發(fā)展。現(xiàn)已形成了理化性能在線監(jiān)測、磨粒數(shù)量特征的在線監(jiān)測、磨粒圖像特征的在線監(jiān)測、磨粒元素含量在線監(jiān)測系統(tǒng)和油品分子結構在線監(jiān)測的油液在線監(jiān)測技術方法體系，各種在線技術方法不斷應用，各種方法均有成功應用的案例。

 

在線水分、黏度、顆粒、可視化鐵譜等先進監(jiān)測傳感器相繼產(chǎn)生和問世，并不斷應用于工程實踐中，其可靠性和實用性不斷提高。

 

各種在線油液監(jiān)測技術方法不斷從實驗室階段走向工程化應用階段，在更多行業(yè)得到應用和推廣。中航工業(yè)北京長城航空測控技術研究所、武漢理工大學、西安交通大學等單位在這方面開展了卓有成效的工程化應用實踐工作，最具代表性案例之一是中航工業(yè)北控所在風機上的應用（風電機組齒輪箱油液遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)在大唐新能源公司赤峰分公司應用，如圖2所示），填補了國內(nèi)空白，逐漸得到行業(yè)內(nèi)用戶的認可和肯定。

 

風電機組齒輪箱油液遠程在線監(jiān)測與故障預警系統(tǒng)

 

伴隨科學技術的日新月異，在線油液監(jiān)測作為一種現(xiàn)代監(jiān)測手段得到了積極發(fā)展。其中最具有代表性的就是風電機組齒輪箱油液遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)（圖3）在風機上的應用，它通過監(jiān)測風力發(fā)電機的“血液”——齒輪箱潤滑油的成分變化來預警風機是否要發(fā)生異?！，F(xiàn)場服務器通過互聯(lián)網(wǎng)將風電場和風電機組的數(shù)據(jù)實時傳送到遠離風電場的遠程監(jiān)測中心，在遠程中心上直接顯示風電場運行狀態(tài)，實時顯示風電機組的設備狀態(tài)，并提供設備的狀態(tài)分析方案。監(jiān)測數(shù)據(jù)不僅包括油液常規(guī)指標（粘度、水含量、密度、介電常數(shù)以及溫度），還包括磨損產(chǎn)生的鐵磁性與非鐵磁性金屬顆粒的大小和數(shù)量。這些監(jiān)測數(shù)據(jù)不僅能夠反映在用油品的狀態(tài)、準確的換油期等，還能判斷風機齒輪內(nèi)部磨損程度、磨損部位，進而實現(xiàn)風機齒輪箱運行狀態(tài)實時監(jiān)測，最終達到變定期維護為視情維護，變出現(xiàn)故障后的補救式維修為預警式維修，減少維修和維護費用的目的。

 

風電機組齒輪箱油液遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)具有在線監(jiān)測齒輪箱運行；減少例行維護次數(shù)；監(jiān)測數(shù)據(jù)更加可靠直觀；產(chǎn)品使用維護方便；可提供產(chǎn)品定制服務；不受地域限制等特點。

 

風電機組齒輪箱油液遠程在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理平臺能夠根據(jù)齒輪箱潤滑油的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)提供齒輪箱狀態(tài)分析方案，通過分析可以得到齒輪箱故障的預警，避免發(fā)生重大事故。數(shù)據(jù)管理平臺提供的軟件界面直觀易懂，無需用戶自行計算，并能夠輸出狀態(tài)趨勢，歷史數(shù)據(jù)以及相關圖標，省時高效；數(shù)據(jù)管理平臺所有的數(shù)據(jù)集中保存在服務器端，確保用戶數(shù)據(jù)安全無丟失危險，實現(xiàn)設備集群管理，提高工作效率；數(shù)據(jù)管理平臺具有可擴展性高，軟件功能可定制化，容易維護并具有很高的可靠性。

 

發(fā)展前景

 

在線油液監(jiān)測技術與當前快速發(fā)展的高新技術融合是其發(fā)展的動力，伴隨計算機技術、網(wǎng)絡通訊技術、數(shù)據(jù)融合技術的快速發(fā)展，在線油液監(jiān)測技術正向自動化、智能化方向發(fā)展；在線油液監(jiān)測診斷系統(tǒng)正向網(wǎng)絡化、遠程化方向發(fā)展；在線油液監(jiān)測診斷模式正向多種監(jiān)測技術手段融合診斷即多監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)融合診斷方向發(fā)展。開展在線油液監(jiān)測基礎理論研究、積極研發(fā)在線油液監(jiān)測傳感器、監(jiān)測儀器、綜合信息處理分析系統(tǒng)仍是今后油液監(jiān)測研究的主題；積極推進油液在線監(jiān)測理論，建立在線油液監(jiān)測示范工程案例是在線油液監(jiān)測快速發(fā)展的保障；倡導高新技術新理論在油液監(jiān)測中的應用和實踐是在線油液監(jiān)測發(fā)展的動力。