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无故障风场建设方案及实践

日期:2021-11-22    来源:《风能产业》  作者:辛理夫、张爵

国际风力发电网

2021
11/22
17:15
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关键词: 无故障风场 深度定检 智慧运维

在经历了“十三五”期间的连续高速增长后,中国风电进入以规模化与高质量发展为着力点的风电新时代。2020年10月,财政部、发展改革委、国家能源局联合印发《关于促进非水可再生能源发电健康发展的若干意见》有关事项的补充通知》,通知明确风电一类、二类、三类、四类资源区项目全生命周期合理利用小时数分别为48000小时、44000小时、40000小时和36000小时。海上风电全生命周期合理利用小时数为52000小时。《通知》明确了风电补贴的总体规模和实施方式,给发电企业吃了颗定心丸的同时,也促使发电企业向现有风场要效益,降低风电机组的故障率,旨在提高存量风场的发电量。龙源等风电开发企业率先发力,携手整机制造企业打造“全年无故障示范风电场”,这既是挑战,也是行业发展的必然选择。

1.无故障风电场建设面临问题

早期建设的风电场虽拥有各地区最好的风资源、优越的地形条件以及相对较好的电价政策,但其同样面临着故障率高、发电性能差、安全可靠性低以及经济性差等严峻问题。

(1)故障率高

由于早期对风机认识的不足,在部件设计、制造、选型过程中存在不同程度的缺陷,加上部分零部件出现老化以及长期维护不到位,机组故障率较高,停机时间较长,运行稳定性较差。

(2)发电性能差

早期投运场站风资源相对较好,但由于机组额定风速高、单位千瓦扫风面积较小、风能利用率较低,风电机组容量系数、年利用小时数均偏低。相比最新机型,在同等风资源条件下,早期机组利用小时低1000小时甚至更多。

(3)安全可靠性低

由于早期风机设计制造技术及经验不足,配套产业链不成熟,机组环境适应性不强,老旧机组可靠性较低,故障频发,安全隐患较多,叶片断裂、飞车倒塔、机舱着火等重大设备事故时有发生。

(4)经济性差

部分风电场风机检修工作量大、停机时间长、运维成本较高。尽管项目核准电价较高,但受此影响项目经济性较差,甚至出现亏损。

2.无故障风电场建设对策

建设无故障风电场需从深度定检、技术改造、智慧运维和性能提升等多个维度综合考虑。

(1)数据分析,深度定检

不同风场风资源条件不同,机组问题、维护水平参差不齐,对于风机的整机、机械、电气、各子系统进行深度定检是必不可少的过程,深度定检是通过在线和离线的方式采集机组振动、油液、电气指标、发电指标等数据,通过大数据分析平台和智能分析工具,对于风机进行全面分析和诊断,了解机组当前的运行状态以及存在的潜在问题,提出针对性的运维策略和技改方案。

(2)深度治理,技改优化

老旧风场积累的问题较多,通过深度治理将风机“焕然一新”,通过机械设备维护、电气系统维护、严重老化器件换新、标准化运维等方式,在此基础上,同步开展安全性提升和可靠性提升技改工作,如变桨防超速、超级电容改造、偏航防超速、并网系统优化、变频系统优化、机组可复位故障优化、场群控制等,从根本上解决机组的“顽疾”。

(3)健康管理,精细运维

风机可靠性提升之后,采用何种运维方式,将直接影响技改效果以及风场同年无故障目标的实现,基于健康管理的精细化运维是不二选择。使用智能化的健康管理系统,集整机、机械、电气、子系统状态检测、状态评估和故障预警功能于一体,提前预判机组问题,为运维提供方案和建议,配合健康管理的精细化运维,才能够让风机在发电时少报或不报故障。

(4)二次开发,提升性能

风场发电量的提升不仅和故障率有关,还和发电性能有关,如何提高单机的发电性能是一个关键问题,叶尖延长、更换长叶片、软件优化、提升额定功率、场群控制等方法都可以实现上述目标。通过对风机和风场二次开发,可提升风电场发电性能,改善风电场经济效益。

3.无故障风场建设案例

甘肃某风电场风建于2009年。通过对该风场2020年1月至2020年12月风机运行数据进行分析,发现该风场故障频次较高,提升机组发电性能刻不容缓。

3.1 运行状况分析

(1)故障分析

该风电场2020年1月至2020年12月,从风机故障分布来看,故障所属系统分布见图1、图2,可以看出该风电场安全链系统、变桨系统、偏航系统、变频系统的故障率较高。通过对各故障系统的主要故障原因进行分析,大部分故障可能是由于电气元件损害、线路松动等原因导致。因此需对机组开展深度治理,优化PLC程序,并结合相应的技改或监测方案,大幅度降低机组的故障率,提高可靠性,从而达到无故障风场的建设目标。

图1:机型1故障所属系统分布

图2:机型2故障所属系统分布

(2)项目技改状况分析

结合电网部门的最新要求和风机的运行情况,该风电场进行了一系列的技术改造与升级。2019年至今,已实施的技改9项,即将开始实施的技改2项,涉及风机安全性能提升、可靠性提升、便捷维护等各个方面,如偏航衬垫改造、变频器远程监控、平台护栏改造等。

通过上述技改,风电场的涉网性能、安全性能得到了明显提升。结合2020年的故障统计来看,还需要对于现存故障进行综合治理、专项技改和软件优化,通过多种科学有效的大数据分析、技术评估和技改优化,达到无故障风场的建设目标。

(3)备件消耗分析

备件更换是反映风机运行状态,进行故障分析的重要参考指标。对该风场2020年风机备件及大件消耗情况以及备件更换台次TOP10机组进行统计,见图3、图4。

图3:2020年风机备件与大件消耗统计

图4:2020年备件更换台次TOP10机组

更换率排名TOP5的备件为变桨电池、主碳刷、接地碳刷、控制柜散热风扇、单向阀;更换率排名TOP2的大件为发电机、齿轮箱;更换率排名TOP3机组为30#、22#、29#。对于易损备件以及更换备件频次较高机组,在进行系统技改时应重点关注,优化的同时还需对各部件进行在线状态监测及预诊断工作,以便在小风工况下提前或加大频次进行维护定检。

3.2 优化方案

通过对该风电场运行状况进行分析,可将存在的问题分为三类:(1)设备老化、维护不足。该风电场风机已运行超过十年,部分零部件出现老化,加上长期维护不到位,导致故障率较高;(2)由于早期对风机认识的不足,在部件设计、制造、选型过程中存在不同程度的缺陷,影响机组的稳定运行;(3)技术不断更新迭代,原有控制逻辑已不能完全满足机组稳定运行要求。

针对上述问题,通过风机综合治理、风机专项技改、程序优化等一系列方案措施来加以应对,实现降低机组故障,提升机组能效的目标

(1)综合治理方案

对风电场所有风机进行体检是无故障风电场建设过程中的重要环节。只有通过对风机进行全面且深度的体检,才能了解风机存在的顽疾,以对症下药,提出针对性解决方案。

体检过程中严格按照风力发电机组巡检表以及零部件测试方案执行,对存在的问题进行记录。根据排查结果,对电气线路进行治理以及性能不达标的零部件进行更换,确保风机各系统工作在可靠状态,降低机组故障率,提高机组发电量。

(2)专项技改

针对选型不当的部件以及风机存在的典型问题,采取专项技改方案,以减少备件损坏,降低机组故障,提高机组运行稳定性和发电量。风机专项技改共计11项,其所解决的问题详细见表1。

表1:专项技改方案

(3)程序优化

通过对该风机运行状况进行分析,原有控制逻辑已不能完全满足机组稳定运行要求。从告警体系与告警逻辑、风机运行参数、系统控制逻辑三个角度出发,深入分析与综合判断相结合,优化风机程序,以降低风机故障率,提高其发电性能。

(4)风电场管理软件升级

风电场当前的管理软件已无法满足无故障风场建设的需求,将原有系统升级为智慧风场管理系统,从风、机、场、网、环等层面实现风电场高效运行。该系统包括智能电网和调度运行优化、风电场智能监控和数据分析、网络和数据管理系统等功能。

同时引入“锐智”健康管理系统,将提升风机可靠性与健康管理的精细化运维相结合,保证风机少报或不报故障。该系统集成了整机、机械、电气、子系统状态检测、状态评估和故障预警功能,能够提前预判机组问题,为运维提供方案和建议。

5.结语

建设无故障风电场是风电行业新的发展方向。风电场运行情况复杂,全年无故障实现起来虽具有较多难点,但是从深度定检、技术改造、智慧运维和性能提升等多个维度出发,提高风电场发电性能与经济效益,建设无故障风电场成为可能。


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