風(fēng)力發(fā)電設(shè)備研究開發(fā)技術(shù)(序)

1、風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng) 研發(fā)工程計(jì)劃書 1 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 目錄 序 風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀 風(fēng)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(yù)算 未來構(gòu)想 事業(yè)規(guī)劃 1. 序 全球的環(huán)境問題日益嚴(yán)重，為此新能源的利用日漸增長。其中，風(fēng)電是利用風(fēng)力能源轉(zhuǎn)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(yīng)用。隨著全球能源結(jié)構(gòu)的不 斷向新能源領(lǐng)域傾斜，風(fēng)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(jié) 果1全世界風(fēng)里發(fā)電市場到 2015年將會達(dá)到14兆日元、到2020年將會達(dá)到24兆日元。 風(fēng)機(jī)的裝機(jī)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(fēng)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(fēng)力發(fā)電有著巨大的優(yōu)勢，但是由于風(fēng)力狀況，落雷， 暴風(fēng)雨等自然條件的影響，風(fēng)力發(fā)電一般都設(shè)置與較為偏僻和第西鞥較為復(fù)雜的地區(qū)。由 于日常的檢修維護(hù)十分復(fù)雜，故障頻發(fā)，造成了運(yùn)營率不高的現(xiàn)狀。 在風(fēng)機(jī)設(shè)備中大量的使用了軸承和齒輪等零部件設(shè)備，如果能及時(shí)監(jiān)測類似旋轉(zhuǎn)設(shè)備的異 常狀況，并能及時(shí)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(fēng) 機(jī)設(shè)置場所的風(fēng)力狀況，可以根據(jù)風(fēng)向及時(shí)調(diào)整風(fēng)車的方向和葉片的角度，提高運(yùn)行效 率。 本計(jì)劃書就是基于以上

3、的觀點(diǎn)，從設(shè)備利用率的提升和檢修維護(hù)成本的降低出發(fā)，做了一 份翔實(shí)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備優(yōu)化系統(tǒng)企劃書。 2. 風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀 (1)設(shè)備容量與運(yùn)行率 風(fēng)力發(fā)電被認(rèn)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(shè)備裝機(jī)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(fēng)機(jī)裝機(jī)容量成為世界第8位， 裝機(jī)容量達(dá)到 1,219MW。根據(jù)預(yù)測，到 2020年將會達(dá)到 100,000MW，在世界中的份額 也會超過15%。(図-1、2)。 但是風(fēng)力發(fā)電設(shè)備裝機(jī)容量的提升，并沒有帶動運(yùn)營率的提升。像図一3中表示，發(fā)電設(shè) 備的

4、盈盈率作為維持在 20%左右。主要原因是風(fēng)力變化和風(fēng)機(jī)設(shè)備故障引起所致。 MW 120,000 100,coo 0O,COO 60,C00 図-2 風(fēng)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(fēng)機(jī)設(shè)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(fēng)車C定格出力(WV)X対象七全曆B寺間(hr) 図-3風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的設(shè)備利用率3) (2) 故障及事故事例 關(guān)于風(fēng)機(jī)故障及事故的報(bào)告比較少，德國的新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)做過 一次20052009年故障報(bào)告書。根據(jù)相關(guān)報(bào)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(bào)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(fēng)機(jī)數(shù)量和故障次數(shù) 工程 2006 年 2007 年 2008 年 2009 年 風(fēng)機(jī)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(yùn)行中的風(fēng)機(jī)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(jìn)行分析的話，可以進(jìn)一步解讀故障原因和降低事故頻 率。另外風(fēng)車內(nèi)故障占據(jù)1/4（ 26.5% ），人為原因（主要是檢修維護(hù)不到位）占據(jù) 了 3.4%。由此可以斷言通過進(jìn)行運(yùn)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(jì)結(jié)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(fēng)，對流，和冰凍的侵襲，造成設(shè)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(yùn)行中機(jī)器設(shè)備的監(jiān)測，對機(jī)器設(shè)備的老化進(jìn)程進(jìn)行準(zhǔn)確的把 握，并及時(shí)對相關(guān)零部件進(jìn)行維修和改進(jìn)，可以延長設(shè)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(fēng)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(jì) 498 100.0 表-3故障原因的具體分析 （20062009 ） 故障原因 原因細(xì)節(jié) 發(fā)生次數(shù) 所占比例（） 自然現(xiàn)象 暴風(fēng) 26 5.2 落雷 123 24.7 亂流 10 2.0 冰凍 4 0.8 其他 9 1.8 風(fēng)車故障 設(shè)計(jì)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(jì) 498 100.0 3）故障發(fā)生部位 故障部位的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如 表-4所示。其中控制裝置15.7% ）、風(fēng)向及風(fēng)速測定儀器 （11.3% ）、葉片（10.6% ）、電氣設(shè)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(zhuǎn)機(jī)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(jī)的故障發(fā)生率也達(dá)到了9.9%。為 此，通過對運(yùn)行中機(jī)器設(shè)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(shè)置地點(diǎn)（地形） 由于風(fēng)機(jī)所在的地形的不同，造成的的故障概率由表-5所表示。設(shè)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(shè)置的 風(fēng)機(jī)占據(jù)了絕對多數(shù)，不能很好的進(jìn)行檢修維護(hù)是存在的一個(gè)重要的問題。這些都 可能直接造成故障的產(chǎn)生。運(yùn)行狀態(tài)的集中管理，尤其是通過在控制室的遠(yuǎn)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(jī)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(jī) 38 6.4 偏航控制裝置 28 4.7 風(fēng)向及風(fēng)速計(jì) 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(chǔ)系統(tǒng) 2 0.3 系統(tǒng)關(guān)聯(lián)裝置 12 2.0 其他 84 14.2 合計(jì) 593 100.0 表-5設(shè)置地形與故障產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)表（2009 ） 地形 |設(shè)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(jì) 1268 100.0 1025 100.0 125 100.0 5）故障周期 根據(jù)表6的相關(guān)數(shù)據(jù)，在事故發(fā)生的時(shí)間在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間25年和510年的占據(jù)了 大部分，一般在運(yùn)轉(zhuǎn)初期和末期容易產(chǎn)生事故発生（故障率曲線）。如果將設(shè)計(jì)壽命設(shè) 置為20年的話，一般在運(yùn)裝周期的末期容易產(chǎn)故障。從設(shè)備的經(jīng)濟(jì)型考慮，也應(yīng)該 做大限度降低運(yùn)行中的故障率。為此可以靈活運(yùn)用在線監(jiān)測等有效的手段。 表-6運(yùn)行期間故障概率（2009年） 運(yùn)行時(shí)間 設(shè)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(jì) 1268 100.0 1025 100.0 125 100.0 6）故障停止時(shí)間 因故障造成的停止運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間如表-7所示。其中1/4 （26.7% ）的風(fēng)機(jī)在1周以內(nèi) 完成修理，繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。但是 1/3（32.1%）的風(fēng)機(jī)停止了一個(gè)月以上。造成長期停運(yùn)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(yùn)行停止時(shí)間。 表-7因故障

13、停止運(yùn)行時(shí)間 （20062009 ） 停止時(shí)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(jì) 498 100.0 另外根據(jù)在北海道設(shè)置的192臺風(fēng)機(jī)在2年間發(fā)生的240件的相關(guān)報(bào)告，其中偶發(fā)原因 （落雷意外：116件48.3% ）和設(shè)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(jì) 240 100 (3) 狀態(tài)監(jiān)測的效果 通過以上分析，一下總結(jié)了風(fēng)機(jī)故障與狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)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(fēng)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(fù)重及負(fù)重變化引起。為此，在設(shè)計(jì)階段就應(yīng)該充分考慮到 推力負(fù)重及負(fù)重變化情況，并通過對設(shè)備老化和磨損的評估，在配以在線監(jiān)測等遠(yuǎn) 程監(jiān)測系統(tǒng)，可以將故障降低到最小程度。 2) 發(fā)電機(jī)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(jī)進(jìn)行冷卻的風(fēng)扇也是故障原因之一。 為此，隨時(shí)監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機(jī)器的軸承和風(fēng)扇等主要設(shè)備的運(yùn)行狀況，及時(shí)排除故障，對 提高運(yùn)行效率有很大幫助。 3) 加速機(jī)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(shí)監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機(jī)器的軸承和風(fēng)扇等主要設(shè)備的運(yùn)行狀況，及時(shí)排除故障，對提高運(yùn) 行效率有很大幫助。 4) 主軸軸承的故障較多，主要原因是轉(zhuǎn)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(yùn)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(jìn)行數(shù)據(jù)收集和及時(shí)分

16、析，以及及時(shí) 排除，將會變得越來越重要。在機(jī)器設(shè)備中對信息的收集和分析以及綜合管理運(yùn) 用，可以降低故障發(fā)生的頻率，提高運(yùn)行的效率。 3 風(fēng)力發(fā)電的課題 3.1 概述 風(fēng)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(gè)持久性的話題，通過降低設(shè)備故障發(fā)生的頻率，可以提高設(shè)備的利用 率。另外通過最優(yōu)化的檢修，也可以提高設(shè)備運(yùn)行效率。為開發(fā)出高性能的風(fēng)機(jī)，掌握風(fēng)力 狀況和合理配置風(fēng)機(jī)變得十分重要。 (2) 風(fēng)力發(fā)電功率穩(wěn)定性差，在與電網(wǎng)連接時(shí)，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(zhì)量。未解決這一難題，需要發(fā)電方和送電方共同努力。 (3) 設(shè)置范圍的擴(kuò)大 為普及風(fēng)力發(fā)

17、電，應(yīng)加大在海洋和山間的建設(shè)力度。在山間由于地形復(fù)雜，需要建立起成熟 的風(fēng)力預(yù)測模式。另外在海上建設(shè)風(fēng)機(jī)，不僅要注意天氣條件和海洋條件，還要將彼此的關(guān) 聯(lián)和對風(fēng)力發(fā)電的影響作出準(zhǔn)確的分析。 (4) 強(qiáng)化與環(huán)境的協(xié)調(diào) 風(fēng)車的造影，機(jī)鳥相撞的危害以及海洋生物的影響等，都是制約風(fēng)力發(fā)電的負(fù)面因素。要 從技術(shù)上對次類與環(huán)境不適應(yīng)的因素排除。提高風(fēng)力發(fā)電與環(huán)境的適應(yīng)性。風(fēng)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(shè)備費(fèi)用 量產(chǎn)技術(shù)，規(guī)?；a(chǎn) 降低建設(shè)成本 運(yùn)送及安裝技術(shù)的提高 風(fēng)機(jī)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(yùn)行及檢修費(fèi)用 /提高監(jiān)測系統(tǒng)、

18、設(shè)計(jì)壽命預(yù)測及評估方法的精細(xì)化、 增加發(fā)電量 / 提高設(shè)備運(yùn)行率，防止故障產(chǎn)生 迅速檢修提高運(yùn)行效率 提高控制系系統(tǒng)技術(shù) 風(fēng)力發(fā)電場的優(yōu)化技術(shù) 低風(fēng)速發(fā)電系統(tǒng) 高性能風(fēng)機(jī)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(jì)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(yù)測技術(shù) 提高蓄電池性能 (3)擴(kuò)大設(shè)置范圍 百復(fù)雜地形風(fēng)力預(yù)測系統(tǒng)丿 復(fù)合振動解讀技術(shù) 1海洋 氣象？海洋預(yù)測仿真技術(shù) 海洋變電站 (4)環(huán)境協(xié)調(diào)性 控制風(fēng)車噪音 低噪音風(fēng)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(fēng)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(xì)介 紹。通過對風(fēng)機(jī)運(yùn)行健全性，風(fēng)力情況，和發(fā)電量的集中監(jiān)測，靈活運(yùn)用風(fēng)機(jī)檢修和發(fā)電管 理的相關(guān)信息和技術(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電設(shè)備的最優(yōu)化配置及管理。 風(fēng)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(shè)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(xué)教授所在的公司為基礎(chǔ)，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(jì)劃有很大的盈利空間。 1）中國現(xiàn)有3 5 0 0 0臺風(fēng)機(jī)，本醒目提供的相關(guān)設(shè)備一臺售價(jià)在570萬日元左右，假設(shè) 能在中國銷售 3500臺的話，營業(yè)額將會達(dá)到 200