【摘要】中國(guó)風(fēng)電行業(yè)近十幾年來(lái)得到迅猛發(fā)展,涌現(xiàn)出一大批主機(jī)制造商,最高峰時(shí)有70余家,但近幾年整機(jī)制造呈現(xiàn)越來(lái)越集中的趨勢(shì),2021年有新增裝機(jī)的整機(jī)制造企業(yè)只有十七家,排名前5家市場(chǎng)份額合計(jì)達(dá)到了近70%。近60家“消失”廠(chǎng)商所生產(chǎn)的風(fēng)電機(jī)組,已經(jīng)或即將成為“孤兒機(jī)組”,這些機(jī)組由于缺乏維護(hù)和管理,發(fā)電效率較低,運(yùn)維成本偏高,亟需通過(guò)技改方式使機(jī)組恢復(fù)到較好的運(yùn)行狀態(tài),除去孤兒機(jī)組運(yùn)營(yíng)企業(yè)的痛點(diǎn)。
關(guān)鍵字:孤兒機(jī)組、技改提效
“孤兒機(jī)組”一詞在最近幾年被頻繁提出,這些機(jī)組可分為三類(lèi):第一類(lèi)是比較典型的整機(jī)廠(chǎng)破產(chǎn)倒閉(沒(méi)人管);第二類(lèi)是公司還在,但沒(méi)有了風(fēng)電業(yè)務(wù)、不再生產(chǎn)主機(jī)(沒(méi)能力管);第三類(lèi)是公司還有風(fēng)電業(yè)務(wù),但對(duì)于出保風(fēng)場(chǎng)不再進(jìn)行服務(wù)(沒(méi)意愿管)。
孤兒機(jī)組主要存在四大問(wèn)題,可以歸納為“老、弱、病、殘”。“老”是指技術(shù)落后,近幾年未更新迭代且部件老化、維護(hù)不到位等問(wèn)題。“弱”是指機(jī)組性能差、發(fā)電效率低,有些機(jī)組甚至不能滿(mǎn)發(fā)。“病”是指機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定,關(guān)鍵部件故障頻發(fā),故障得不到及時(shí)的處理。“殘”是指?jìng)浼捎谕.a(chǎn)或渠道不暢導(dǎo)致無(wú)法及時(shí)供應(yīng),風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄缺失等。
這些機(jī)組整體數(shù)量不算多、占國(guó)內(nèi)裝機(jī)總量的比例也不算大,但這些機(jī)組生產(chǎn)廠(chǎng)家較多,導(dǎo)致機(jī)型數(shù)量相對(duì)繁雜,單個(gè)機(jī)型裝機(jī)數(shù)量從一臺(tái)到上千臺(tái)不等;由于技術(shù)路線(xiàn)的不統(tǒng)一,相對(duì)于其他主流風(fēng)電機(jī)組技改,針對(duì)孤兒機(jī)組的技改開(kāi)發(fā)門(mén)檻和成本相對(duì)較高,很難形成市場(chǎng)規(guī)模,很少有廠(chǎng)家愿意投入。所以為數(shù)不多的孤兒機(jī)組成為了風(fēng)電運(yùn)營(yíng)企業(yè)的痛點(diǎn)和風(fēng)電行業(yè)的隱患。
1、機(jī)組情況介紹
本文介紹的風(fēng)電機(jī)組是日本川崎1.5MW中速永磁機(jī)組,在國(guó)內(nèi)僅此一臺(tái),雖然這家企業(yè)還在,但已撤出風(fēng)電行業(yè),沒(méi)有能力進(jìn)行機(jī)組的維護(hù)和升級(jí),屬于比較典型的孤兒機(jī)組。該機(jī)組于2011年9月份安裝,2012年4月份初步通過(guò)驗(yàn)收并網(wǎng)發(fā)電,但并網(wǎng)初期受日方技術(shù)人員對(duì)驗(yàn)收中存在的不合格項(xiàng)整改影響停機(jī)較頻繁,于2012年9月份整改完成正式通過(guò)驗(yàn)收。2013年12月10日,日方結(jié)束最后一次維保交于業(yè)主單位自己運(yùn)維,風(fēng)機(jī)年等效滿(mǎn)負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)逐年下降,運(yùn)行非常不穩(wěn)定。
該機(jī)組設(shè)計(jì)復(fù)雜,配置比較先進(jìn),屬于2011年代同容量機(jī)組的高配。首先,這臺(tái)風(fēng)機(jī)是全功率中速永磁機(jī)組,在國(guó)內(nèi)并不多見(jiàn),配件非常難尋。機(jī)組各子系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜,齒輪箱、發(fā)電機(jī)等各個(gè)子系統(tǒng)均有獨(dú)立的控制器,整機(jī)共十幾個(gè)通訊子站。機(jī)組同時(shí)配有液壓半自動(dòng)盤(pán)車(chē),葉片及塔筒載荷監(jiān)測(cè),塔筒阻尼系統(tǒng),偏航配置有獨(dú)立的變頻軟啟系統(tǒng)。此外,由于整機(jī)封閉,導(dǎo)致機(jī)組故障停機(jī)后,無(wú)法準(zhǔn)確讀取故障信息并及時(shí)處理和消缺。
該機(jī)組主要存在四大“痛點(diǎn)”。第一是整機(jī)及部件方面:機(jī)組無(wú)法滿(mǎn)發(fā)、振動(dòng)過(guò)大、故障頻發(fā)以及缺乏備件支撐。第二是運(yùn)行及記錄統(tǒng)計(jì)方面:由于風(fēng)機(jī)沒(méi)有監(jiān)控系統(tǒng),所以運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄幾乎沒(méi)有,且看不見(jiàn)運(yùn)行狀態(tài)。第三是機(jī)組發(fā)電時(shí)長(zhǎng)方面:該風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期處于半停運(yùn)狀態(tài),年等效滿(mǎn)負(fù)荷小時(shí)數(shù)不足400小時(shí)。最后是場(chǎng)內(nèi)運(yùn)行維護(hù)情況:業(yè)主進(jìn)行的不定期維護(hù)難以達(dá)到風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行要求。
1.1 機(jī)組基本情況
該機(jī)組額定功率 1.5MW,葉輪直徑82.5m,齒輪箱增速比為23.1,葉輪額定轉(zhuǎn)速為16.2rpm,發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為374rpm。
此臺(tái)風(fēng)機(jī)主要大部件均采用國(guó)外知名品牌,如LM葉片、ABB變流器、SSB變槳、Bachmann主控、SKF主軸、ABB發(fā)電機(jī)等。
1.2 運(yùn)行狀態(tài)分析
由于受機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行影響,導(dǎo)致發(fā)電運(yùn)行時(shí)間以及發(fā)電量較低。尤其2014年之后,機(jī)組在無(wú)原廠(chǎng)家技術(shù)支撐及維護(hù)的情況下,2015-2018年均發(fā)電量為54.7萬(wàn)kWh,處于較低水平。
1.3 機(jī)組問(wèn)題分析
1)性能問(wèn)題
機(jī)組無(wú)法滿(mǎn)發(fā),機(jī)組最大發(fā)到1MW,且功率非常不穩(wěn)定。偏航控制邏輯不合理,偏航過(guò)于頻繁。偏航剎車(chē)異響,剎車(chē)片磨損嚴(yán)重。
2)故障問(wèn)題
機(jī)組在啟機(jī)時(shí)或運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常報(bào)出“安全系統(tǒng)風(fēng)機(jī)級(jí)別跳閘”、“變槳系統(tǒng)啟動(dòng)EFC故障”。風(fēng)速超過(guò)10m/s時(shí)經(jīng)常報(bào)出“風(fēng)速大安全停機(jī)”或者其它故障,頻繁觸發(fā)安全停機(jī)。
2)監(jiān)控問(wèn)題
無(wú)上位監(jiān)控系統(tǒng),只有風(fēng)機(jī)側(cè)的調(diào)試監(jiān)控界面。界面故障信息指向不明確,無(wú)故障歷史記錄和故障錄波功能,導(dǎo)致故障原因判斷困難。
3)備件問(wèn)題
機(jī)組部件多為進(jìn)口部件。備件采購(gòu)周期長(zhǎng)或無(wú)法找到原型號(hào)。
2、技改內(nèi)容分析
2.1 主控程序開(kāi)發(fā)
主控制程序是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制中樞,包含了實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行功能的控制邏輯,協(xié)調(diào)整個(gè)機(jī)組的各個(gè)部件實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守狀態(tài)下的穩(wěn)定、可靠、高效運(yùn)行。控制程序需要根據(jù)機(jī)型和部件進(jìn)行定制化開(kāi)發(fā),替換后的主控程序具備以下功能:
數(shù)據(jù)采集與處理:具備參與控制和故障監(jiān)測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)信息采集及處理功能;
安全保護(hù):安全系統(tǒng)在邏輯上是高于控制系統(tǒng)的一種系統(tǒng),在安全相關(guān)的限值參數(shù)超出后或者控制系統(tǒng)不能保證機(jī)組在正常限值范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí),而采取保護(hù)行動(dòng)的一種系統(tǒng);
故障報(bào)警及記錄:任意一個(gè)故障碼激活時(shí),主控系統(tǒng)能根據(jù)故障碼屬性,準(zhǔn)確做出相應(yīng)告警或停機(jī)操作;
功率控制:主控系統(tǒng)控制風(fēng)機(jī)變流器,以轉(zhuǎn)矩給定的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的有功功率調(diào)節(jié),通過(guò)MPPT算法實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率最大化。通過(guò)無(wú)功功率值給定或功率因數(shù)給定的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的無(wú)功功率調(diào)節(jié);
變槳控制:變槳的作用有兩個(gè),一是保證機(jī)組安全停機(jī),二是控制機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在目標(biāo)轉(zhuǎn)速附近;
部件控制:對(duì)發(fā)電機(jī)、齒輪箱、液壓系統(tǒng)等部件進(jìn)行監(jiān)視和控制,包括潤(rùn)滑裝置、冷卻裝置、加熱裝置的啟停控制,部件異常監(jiān)測(cè)報(bào)警等。
控制程序替換后,逐步提升機(jī)組最大功率,最終目標(biāo)為機(jī)組設(shè)計(jì)滿(mǎn)發(fā)功率1500kW,由于此機(jī)組為測(cè)試樣機(jī),未經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間滿(mǎn)發(fā)運(yùn)行驗(yàn)證,有可能在升功率過(guò)程中出現(xiàn)部件無(wú)法滿(mǎn)足、振動(dòng)異常、載荷超限等異常情況的風(fēng)險(xiǎn),就需要對(duì)機(jī)組進(jìn)行載荷仿真計(jì)算和相關(guān)測(cè)試。
2.2 載荷仿真與計(jì)算
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的載荷仿真計(jì)算是風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要工作,主要體現(xiàn)在其提供部件強(qiáng)度分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析及疲勞壽命計(jì)算的載荷依據(jù),確保各部件承載在設(shè)計(jì)極限內(nèi);通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行載荷,提高機(jī)組的可靠性。風(fēng)電機(jī)組是具有高動(dòng)態(tài)載荷的動(dòng)力系統(tǒng),要保證在其20年生命周期內(nèi)安全可靠運(yùn)行,必須承擔(dān)設(shè)計(jì)壽命內(nèi)由交變應(yīng)力產(chǎn)生的載荷以及可能產(chǎn)生的破壞。
對(duì)于改造機(jī)組,設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的完整性缺失會(huì)導(dǎo)致載荷計(jì)算準(zhǔn)確度下降,但還是需要盡量獲得計(jì)算所需的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性越好,仿真計(jì)算驗(yàn)證結(jié)果就越接近實(shí)際,安全性越高,為機(jī)組升功率運(yùn)行提供依據(jù)。
載荷工況的設(shè)計(jì)與計(jì)算依據(jù)是IEC61400-1第2版,具體載荷位置包括:葉片根部(在半徑0米處);輪轂(在旋轉(zhuǎn)和靜態(tài)坐標(biāo)系);偏航軸承(固定于機(jī)艙上的坐標(biāo)系);塔筒(在高度0m、14.485m、32.305m、57.580m、78m即所有的法蘭位置處)。塔筒的固有頻率可由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得知,約為0.33Hz。
載荷數(shù)據(jù)不僅包括載荷工況中的描述,還包括:空氣動(dòng)力、自重、旋轉(zhuǎn)慣量和動(dòng)態(tài)慣量的作用。動(dòng)態(tài)響應(yīng)包括塔架、葉片、驅(qū)動(dòng)鏈、電氣和控制系統(tǒng)模態(tài)的相互影響。唯一的功能性的載荷是由機(jī)械剎車(chē)導(dǎo)致的。
疲勞等效載荷用來(lái)等效疲勞損傷,它是用對(duì)單一頻率下重復(fù)的單應(yīng)力范圍進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的值來(lái)表示的。Miner’s法則。損傷等效應(yīng)力由下面的公式給出:
其中:
LN圖片是N次循環(huán)的等效應(yīng)力;
圖片Li是應(yīng)力范圍間隔i;
圖片ni在間隔i應(yīng)力范圍的雨流計(jì)數(shù);
圖片m是材料的圖片曲線(xiàn)的負(fù)的反斜率系數(shù)(m同樣是指S-N曲線(xiàn)的斜率);
N是風(fēng)機(jī)壽命的循環(huán)次數(shù);
應(yīng)力圖片圖片Li是根據(jù)結(jié)構(gòu)的尺寸而定的。假設(shè)載荷與應(yīng)力成比例,這樣在上面的公式中用載荷來(lái)代替應(yīng)力是可以接受的。為了簡(jiǎn)化圖片Li圖片和圖片ni圖片是根據(jù)沒(méi)有修正的一維的數(shù)據(jù)表中得來(lái)的,根據(jù)平均應(yīng)力用來(lái)說(shuō)明疲勞破壞。疲勞載荷的安全系數(shù)為1.0。經(jīng)過(guò)極限和疲勞載荷計(jì)算,滿(mǎn)足要求。
2.3 關(guān)鍵部件國(guó)產(chǎn)化替代
在此次改造過(guò)程中,需更換必要器件,主要包含:
部分控制模塊:替換必要的控制模塊,可縮短控制程序替換的開(kāi)發(fā)和調(diào)試周期,保證新控制程序與硬件的良好適配;
為消除目前頻繁報(bào)出的“安全系統(tǒng)風(fēng)機(jī)級(jí)別跳閘”、“變槳系統(tǒng)啟動(dòng)EFC故障”等故障,需要結(jié)合程序替換后的測(cè)試,對(duì)安全鏈信號(hào)以及主控與變槳間的信號(hào)進(jìn)行治理,內(nèi)容包括:安全鏈器件和線(xiàn)路檢查、測(cè)試,滑環(huán)替換,主控與變槳間的中心線(xiàn)束替換、測(cè)試,主控與變槳間的通訊穩(wěn)定性測(cè)試,將之前變槳中控箱的臨時(shí)接線(xiàn)恢復(fù)為航空插接件。
為提高變槳系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性,對(duì)變槳系統(tǒng)部分器件進(jìn)行替換升級(jí),具體包含:升級(jí)最新變槳控制系統(tǒng)版本,更換3臺(tái)變槳驅(qū)動(dòng)器,更換變槳編碼器。
關(guān)鍵部件替換改造完成后,可減少機(jī)組停機(jī)時(shí)間,提高可利用率,目標(biāo)將可利用率提升到95%以上。
2.4 監(jiān)控系統(tǒng)與手機(jī)app開(kāi)發(fā)
原風(fēng)機(jī)未配備后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng),無(wú)法對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、查詢(xún),也無(wú)法生成運(yùn)行報(bào)表。擬增加監(jiān)控系統(tǒng)可監(jiān)控本機(jī)組,也可滿(mǎn)足風(fēng)場(chǎng)裝機(jī)的擴(kuò)展,增加手機(jī)APP遠(yuǎn)程查看功能。
新增加的中央監(jiān)控系統(tǒng),具備完備的數(shù)據(jù)記錄和詳細(xì)的故障診斷,解決目前“界面故障信息指向不明確,無(wú)故障歷史記錄和故障錄波信息,故障原因判斷困難”的問(wèn)題。
3、技改經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)
根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際情況,考慮風(fēng)機(jī)自耗電及各種因素折減,風(fēng)機(jī)折減系數(shù)選取0.67,年發(fā)電量計(jì)算結(jié)果如下表:
表3-1 電量計(jì)算
考慮到川崎樣機(jī)機(jī)械、電氣部件為定制化產(chǎn)品,在設(shè)備需要更換時(shí),需要從國(guó)內(nèi)外相關(guān)廠(chǎng)家定制,會(huì)導(dǎo)致采購(gòu)相對(duì)通用件周期較長(zhǎng),機(jī)組停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng),技改后評(píng)估發(fā)電量在原計(jì)算發(fā)電量基礎(chǔ)上折算0.7,得到目標(biāo)年發(fā)電量為1768MWh。
表3-2 經(jīng)濟(jì)性估算
說(shuō)明:投資回報(bào)周期不考慮財(cái)務(wù)成本,按照工業(yè)用電價(jià)0.61元(含增值稅)。
4、總 結(jié)
公司憑借豐富的老舊機(jī)組改造經(jīng)驗(yàn)和扎實(shí)的技術(shù)積累,經(jīng)過(guò)前期的深入調(diào)研和多次分析、討論、評(píng)估,結(jié)合業(yè)主實(shí)際情況,專(zhuān)項(xiàng)研發(fā)工作小組最終確定了在風(fēng)機(jī)整體大部件不變的情況下,采用:風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)軟件及部分關(guān)鍵部件替換、重新開(kāi)發(fā)主控軟件、應(yīng)用最新控制策略的整體解決方案。在發(fā)電量得到提升的同時(shí),項(xiàng)目還將充分利用原有設(shè)施,最大限度地降低業(yè)主改造投入。
2021年1月至今,技改后的“孤兒機(jī)組”逐漸恢復(fù)平穩(wěn)運(yùn)行。在機(jī)艙和塔底都配備了相應(yīng)的操作屏,能更加清晰地顯示出機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)以及運(yùn)行故障。廠(chǎng)區(qū)內(nèi),配備了可監(jiān)控的SCADA系統(tǒng),在手機(jī)端同時(shí)配備了APP 遠(yuǎn)程監(jiān)視軟件。漢化的監(jiān)控系統(tǒng)和故障代碼,使得每個(gè)故障都能清晰可視、實(shí)時(shí)快速發(fā)現(xiàn)并找到具體成因。
通過(guò)深度技術(shù)改造,該機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行后最終呈現(xiàn)的效果可以歸納為“三提高和三降低”。發(fā)電小時(shí)數(shù)在原有的基礎(chǔ)上增加了800多小時(shí),可利用率提升超過(guò)50%,經(jīng)濟(jì)收益經(jīng)過(guò)測(cè)算大約是原來(lái)的3.6倍。運(yùn)維和備件采購(gòu)成本降低了近40%,故障率降低超過(guò)50%;以工業(yè)電價(jià)計(jì)算,企業(yè)每年節(jié)省70多萬(wàn)元購(gòu)電成本。經(jīng)過(guò)技改給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。
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[4] 技改機(jī)組載荷仿真計(jì)算報(bào)告;
作者:潤(rùn)陽(yáng)能源技術(shù)有限公司 劉昊、王建明、劉博、趙廣宇、吳鵬、李娟、趙洪志