風力發(fā)電設備研究開發(fā)技術(序)

1、風機在線監(jiān)測系統(tǒng) 研發(fā)工程計劃書 1 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 目錄 序 風力發(fā)電的現(xiàn)狀 風力發(fā)電的問題 開發(fā)工程 研發(fā)現(xiàn)狀 研發(fā)內(nèi)容 成果 研發(fā)體系 研發(fā)工程 研發(fā)預算 未來構想 事業(yè)規(guī)劃 1. 序 全球的環(huán)境問題日益嚴重，為此新能源的利用日漸增長。其中，風電是利用風力能源轉化 為電能的一種發(fā)電方式，目前為止主要在歐洲得到了一定的應用。隨著全球能源結構的不 斷向新能源領域傾斜，風力發(fā)電的規(guī)模在全球范圍內(nèi)得到了迅速的發(fā)展。據(jù)最新的調(diào)查結 果1全世界風里發(fā)電市場到 2015年將會達到14兆日元、到2020年將會達到24兆日元。 風機的裝機容量雖然還以

2、歐洲為主，但是亞太地區(qū)也會有飛速的增長。特別是像一些風力 資源豐富，國土面積比較大的國家，還有很大的開發(fā)余地。 雖然在CO 2排放和環(huán)境污染方面風力發(fā)電有著巨大的優(yōu)勢，但是由于風力狀況，落雷， 暴風雨等自然條件的影響，風力發(fā)電一般都設置與較為偏僻和第西鞥較為復雜的地區(qū)。由 于日常的檢修維護十分復雜，故障頻發(fā)，造成了運營率不高的現(xiàn)狀。 在風機設備中大量的使用了軸承和齒輪等零部件設備，如果能及時監(jiān)測類似旋轉設備的異 常狀況，并能及時加以修理，將會大大降低故障率并能降低檢修成本。另外，通過監(jiān)視風 機設置場所的風力狀況，可以根據(jù)風向及時調(diào)整風車的方向和葉片的角度，提高運行效 率。 本計劃書就是基于以上

3、的觀點，從設備利用率的提升和檢修維護成本的降低出發(fā)，做了一 份翔實的風力發(fā)電設備優(yōu)化系統(tǒng)企劃書。 2. 風力發(fā)電的現(xiàn)狀 (1)設備容量與運行率 風力發(fā)電被認為是對環(huán)境不會造成污染，并且取之不盡的新能源發(fā)電之一，在近年的普 及率得到很大的提高。按照國家設備裝機容量來看，歐美占據(jù)了大量的份額，但是近幾年 新興國家取得了很大的增長。尤其是中國已經(jīng)超過日本，風機裝機容量成為世界第8位， 裝機容量達到 1,219MW。根據(jù)預測，到 2020年將會達到 100,000MW，在世界中的份額 也會超過15%。(図-1、2)。 但是風力發(fā)電設備裝機容量的提升，并沒有帶動運營率的提升。像図一3中表示，發(fā)電設 備的

4、盈盈率作為維持在 20%左右。主要原因是風力變化和風機設備故障引起所致。 MW 120,000 100,coo 0O,COO 60,C00 図-2 風力發(fā)電、太陽光発電 中國市場予測2) 測年 儷年 泗年泅年年的年腫年 富士握清予測 克曙光発電 風機設備利 35- 用 率在 0 対彖期間(二指療召総発畫星(kWh) 役備利用率二 風車C定格出力(WV)X対象七全曆B寺間(hr) 図-3風力發(fā)電設備的設備利用率3) (2) 故障及事故事例 關于風機故障及事故的報告比較少，德國的新能源產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構(NEDO)做過 一次20052009年故障報告書。根據(jù)相關報告，主要的故障內(nèi)容作了以下介紹。

5、4 1) 故障及事故發(fā)生數(shù)量 根據(jù)報告提供的數(shù)據(jù)，以下是做的基本的信息圖表。雖然故障在逐步減少，但是故障 的發(fā)生率還是維持在 1015%的較高區(qū)間內(nèi)。 表-1調(diào)查的風機數(shù)量和故障次數(shù) 工程 2006 年 2007 年 2008 年 2009 年 風機數(shù)量 769 898 926 1025 故障次數(shù) 164 112 97 125 :故障頻率（） 21.3 12.5 10.5 P 13.9: 運行中的風機總數(shù) 924 1050 1050 1268 2）故障原因 故障的主要原因如 表-2所示。原因中的比例中自然現(xiàn)象和不明原因分別占據(jù)了1/3 （34.5%、34.7% ）。自然現(xiàn)象雖然屬于不可抗力，但

6、不明原因的分析還是不夠，今 后的調(diào)查如果是通過狀態(tài)監(jiān)測進行分析的話，可以進一步解讀故障原因和降低事故頻 率。另外風車內(nèi)故障占據(jù)1/4（ 26.5% ），人為原因（主要是檢修維護不到位）占據(jù) 了 3.4%。由此可以斷言通過進行運行狀態(tài)的在線監(jiān)測，可以降低故障的發(fā)生概率。 故障原因的統(tǒng)計結果如 表-3所示。自然現(xiàn)象雖然是不可抗拒的原因，但是由于長 期遭受暴風，對流，和冰凍的侵襲，造成設備老化，并由此產(chǎn)生故障的可能性也是很 大的。為此，通過對運行中機器設備的監(jiān)測，對機器設備的老化進程進行準確的把 握，并及時對相關零部件進行維修和改進，可以延長設備壽命，降低故障發(fā)生的概 率。 表-2故障原因（2006

7、2009 ） 故障原因 發(fā)生次數(shù) 所占比例（） 自然現(xiàn)象 172 34.5 風車內(nèi)故障 132 26.5 人為原因 17 3.4 系統(tǒng)故障 4 0.8 不明原因 173 34.7 總計 498 100.0 表-3故障原因的具體分析 （20062009 ） 故障原因 原因細節(jié) 發(fā)生次數(shù) 所占比例（） 自然現(xiàn)象 暴風 26 5.2 落雷 123 24.7 亂流 10 2.0 冰凍 4 0.8 其他 9 1.8 風車故障 設計不良 65 13.1 制造不良 54 P 10.8 施工不良 13 2.6 人為原因 檢修不到位 17 3.4 :系統(tǒng)故障 系統(tǒng)故障 4 0.8 不明原因 不明原因（含調(diào)查中原

8、 因） 173 34.7 合計 498 100.0 3）故障發(fā)生部位 故障部位的統(tǒng)計結果如 表-4所示。其中控制裝置15.7% ）、風向及風速測定儀器 （11.3% ）、葉片（10.6% ）、電氣設備（10.0% ）、葉片螺距 控制系統(tǒng)（9.8%）的 發(fā)生概率比較高。其產(chǎn)生的原因主要是由于自然原因所致。另外旋轉機械（軸承，齒 輪）中經(jīng)常用到的主軸軸承，變速箱，以及發(fā)電機的故障發(fā)生率也達到了9.9%。為 此，通過對運行中機器設備的監(jiān)測可以明確故障產(chǎn)生的原因，降低故障產(chǎn)生的概率。 4）設置地點（地形） 由于風機所在的地形的不同，造成的的故障概率由表-5所表示。設置地形中 丘 陵？山 峰約占1/2

9、（44.9% ）、發(fā)生的次數(shù)也占到 1/2 （40.0% ）。沿海及島嶼占到 了約沿1/2 （45.2% ），其中島嶼中也包含了離島部分。丘陵？山峰與島嶼中設置的 風機占據(jù)了絕對多數(shù)，不能很好的進行檢修維護是存在的一個重要的問題。這些都 可能直接造成故障的產(chǎn)生。運行狀態(tài)的集中管理，尤其是通過在控制室的遠程監(jiān) 測，可以降低故障發(fā)生的概率。 表-4故障發(fā)生部位 （20062009 ） 故障部位 發(fā)生次數(shù) 所占比例（） 全部 5 0.8 葉片 63 10.6 P葉片輪殼 4 0.7: 空氣制動 2 0.3 機械制動 8 1.4 葉片螺距控制 58 9.8 主軸軸承 9 1.5 變速箱 12 2.0

10、發(fā)電機 38 6.4 偏航控制裝置 28 4.7 風向及風速計 67 11.3 控制裝置 93 15.7 電氣裝置 59 10.0 r油壓裝置 27 4.6: 感知裝置 22 3.7 基礎系統(tǒng) 2 0.3 系統(tǒng)關聯(lián)裝置 12 2.0 其他 84 14.2 合計 593 100.0 表-5設置地形與故障產(chǎn)生的關聯(lián)表（2009 ） 地形 |設置數(shù)量|調(diào)查數(shù)量|故障次數(shù)| （臺） 比例（） （臺） 比例（） （臺） 比例（） 丘陵？山岳 569 44.9 508 49.6 50 40.0 P內(nèi)陸平地 126 9.9 73 7.1 16 12.8 沿岸?島嶼 573 45.2 444 43.3 59

11、47.2 合計 1268 100.0 1025 100.0 125 100.0 5）故障周期 根據(jù)表6的相關數(shù)據(jù)，在事故發(fā)生的時間在運轉時間25年和510年的占據(jù)了 大部分，一般在運轉初期和末期容易產(chǎn)生事故発生（故障率曲線）。如果將設計壽命設 置為20年的話，一般在運裝周期的末期容易產(chǎn)故障。從設備的經(jīng)濟型考慮，也應該 做大限度降低運行中的故障率。為此可以靈活運用在線監(jiān)測等有效的手段。 表-6運行期間故障概率（2009年） 運行時間 設置臺數(shù) 調(diào)查臺數(shù) 故障次數(shù) （臺） 比例（%） （臺） 比例（%） （臺） 比例（%） :1年未到 104 8.2 61 6.0 1 0.8 1 12年 159

12、12.5 144 14.0 9 7.2 25年 558 44.0 460 44.9: 54 43.2 510年 408 32.2 330 32.2 59 47.2 :10年以上 39 3.1 30 2.9: 2 :1.6 1 合計 1268 100.0 1025 100.0 125 100.0 6）故障停止時間 因故障造成的停止運轉的時間如表-7所示。其中1/4 （26.7% ）的風機在1周以內(nèi) 完成修理，繼續(xù)運轉。但是 1/3（32.1%）的風機停止了一個月以上。造成長期停運的 主要原因是自然現(xiàn)象，但是原因不明也占據(jù)了很大比例，同托對這些不明原因的解 讀，可以縮短運行停止時間。 表-7因故障

13、停止運行時間 （20062009 ） 停止時間 發(fā)生次數(shù) 比例（%） 3日7日以內(nèi) 133 26.7 7日14日以內(nèi) 94 18.9 14日30日以內(nèi) 111 22.3 30日90日以內(nèi) 92 18.4 90日以上 68 13.7 合計 498 100.0 另外根據(jù)在北海道設置的192臺風機在2年間發(fā)生的240件的相關報告，其中偶發(fā)原因 （落雷意外：116件48.3% ）和設備老化磨損 （54件（23%）占據(jù)了大部分。為此，通過 狀態(tài)監(jiān)測也可以最大限度降低事故發(fā)生的概率。 在具體的故障維修中，軸承 8件，齒輪3件，耦合5件。從中可以看出狀態(tài)監(jiān)測也可以降 低故障發(fā)生的概率。 表-8故障原因 發(fā)生

14、原因 件數(shù) 比率() :偶發(fā)原因(包含落雷) 159 66 落雷 (43) (18) P老化磨損 54: 23: 初期故障 21 9 其他 6 2 合計 240 100 (3) 狀態(tài)監(jiān)測的效果 通過以上分析，一下總結了風機故障與狀態(tài)監(jiān)測的關系?？梢酝ㄟ^狀態(tài)監(jiān)測，來降低故障 發(fā)生的概率。 1) 由于風造成的故障主要是由于對流引起的軸承及齒輪受損。這主要是由于對 流天氣造成主軸的推力負重及負重變化引起。為此，在設計階段就應該充分考慮到 推力負重及負重變化情況，并通過對設備老化和磨損的評估，在配以在線監(jiān)測等遠 程監(jiān)測系統(tǒng)，可以將故障降低到最小程度。 2) 發(fā)電機的故障為0.045件/ (臺？年)，故

15、障原因主要由于固定卷線絕緣層的 損傷造成的接地及軸承損傷。另外，對發(fā)電機進行冷卻的風扇也是故障原因之一。 為此，隨時監(jiān)測旋轉機器的軸承和風扇等主要設備的運行狀況，及時排除故障，對 提高運行效率有很大幫助。 3) 加速機的故障率為0.022件/ (臺？年)。小齒輪和軸承的事故較多。為此， 隨時監(jiān)測旋轉機器的軸承和風扇等主要設備的運行狀況，及時排除故障，對提高運 行效率有很大幫助。 4) 主軸軸承的故障較多，主要原因是轉動面的磨損和脫落。故障生成系統(tǒng)雖然 還沒有完全清晰。為此通過對主軸軸承的運行監(jiān)測，可以解讀故障原因，防止事故 的發(fā)生。 5) 故障的存在是有持續(xù)性的，對新的故障進行數(shù)據(jù)收集和及時分

16、析，以及及時 排除，將會變得越來越重要。在機器設備中對信息的收集和分析以及綜合管理運 用，可以降低故障發(fā)生的頻率，提高運行的效率。 3 風力發(fā)電的課題 3.1 概述 風力發(fā)電中主要存在以下課題。 (1)發(fā)電成本過高 降低發(fā)電成本將是一個持久性的話題，通過降低設備故障發(fā)生的頻率，可以提高設備的利用 率。另外通過最優(yōu)化的檢修，也可以提高設備運行效率。為開發(fā)出高性能的風機，掌握風力 狀況和合理配置風機變得十分重要。 (2) 風力發(fā)電功率穩(wěn)定性差，在與電網(wǎng)連接時，會給電網(wǎng)系統(tǒng)在電壓及周波等方面造成影響， 影響配送電質量。未解決這一難題，需要發(fā)電方和送電方共同努力。 (3) 設置范圍的擴大 為普及風力發(fā)

17、電，應加大在海洋和山間的建設力度。在山間由于地形復雜，需要建立起成熟 的風力預測模式。另外在海上建設風機，不僅要注意天氣條件和海洋條件，還要將彼此的關 聯(lián)和對風力發(fā)電的影響作出準確的分析。 (4) 強化與環(huán)境的協(xié)調(diào) 風車的造影，機鳥相撞的危害以及海洋生物的影響等，都是制約風力發(fā)電的負面因素。要 從技術上對次類與環(huán)境不適應的因素排除。提高風力發(fā)電與環(huán)境的適應性。風力發(fā)電存在的 主要課題及解決方法 主要課題 解決方法 (1)降低發(fā)電成本 降低設備費用 量產(chǎn)技術，規(guī)?；a(chǎn) 降低建設成本 運送及安裝技術的提高 風機部件的輕量化小型化 耐久性的提高 新材料的開發(fā) 降低運行及檢修費用 /提高監(jiān)測系統(tǒng)、

18、設計壽命預測及評估方法的精細化、 增加發(fā)電量 / 提高設備運行率，防止故障產(chǎn)生 迅速檢修提高運行效率 提高控制系系統(tǒng)技術 風力發(fā)電場的優(yōu)化技術 低風速發(fā)電系統(tǒng) 高性能風機及部件的開發(fā) (2)系統(tǒng)對策 電力安定化 廠功率的穩(wěn)定性問題? 本計劃著力改善的工程 山間地形 、大規(guī)模集合式控制系統(tǒng) 高精度發(fā)電量預測技術 提高蓄電池性能 (3)擴大設置范圍 百復雜地形風力預測系統(tǒng)丿 復合振動解讀技術 1海洋 氣象？海洋預測仿真技術 海洋變電站 (4)環(huán)境協(xié)調(diào)性 控制風車噪音 低噪音風力發(fā)電系統(tǒng) 降低對生態(tài)環(huán)境的影響 鳥類及海洋生物監(jiān)測系統(tǒng) 風力發(fā)電用的優(yōu)化系統(tǒng)將會在第4部分開發(fā)工程和第 6部分開發(fā)內(nèi)容做一詳細介 紹。通過對風機運行健全性，風力情況，和發(fā)電量的集中監(jiān)測，靈活運用風機檢修和發(fā)電管 理的相關信息和技術，實現(xiàn)發(fā)電設備的最優(yōu)化配置及管理。 風力發(fā)電中的重要課題有(1)發(fā)電成本的降低(2)系統(tǒng)一體化對策。發(fā)電設備的最優(yōu)化系統(tǒng)將為 解決這些課題提出方案。 12.事業(yè)規(guī)劃 本工程將以日本NEC株式會社和東京大學教授所在的公司為基礎，在中國合作伙伴的協(xié)助 下，逐步展開。根據(jù) NEC的推算，本計劃有很大的盈利空間。 1）中國現(xiàn)有3 5 0 0 0臺風機，本醒目提供的相關設備一臺售價在570萬日元左右，假設 能在中國銷售 3500臺的話，營業(yè)額將會達到 200