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)項目計劃書目錄 序 風力發(fā)電的現(xiàn)狀 風力發(fā)電的問題 開發(fā)項目 研發(fā)現(xiàn)狀 研發(fā)內(nèi)容 成果 研發(fā)體系 研發(fā)工程10. 研發(fā)預算11. 未來構想12. 事業(yè)規(guī)劃 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(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

2、國家，還有很大的開發(fā)余地。雖然在CO2 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(zhuǎn)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。 風力

3、發(fā)電的現(xiàn)狀（）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3中表示，發(fā)電設備的盈盈率作為維持在20%左右。主要原因是風力變化和風機設備故障引起所致。図-風力發(fā)電、太陽能發(fā)電的世界市場潛力預測圖予測利用率2）図-風

4、力發(fā)電、太陽光発電中國市場予測2）風機設備利用率在20%左右図-風力發(fā)電設備的設備利用率3）（）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。4） 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)項目2006年2007年2008年2009年風機數(shù)量7698989261025故障次數(shù)16411297125故障頻率()21.312.510.513.9運行中的風機

5、總數(shù)924105010501268） 故障原因故障的主要原因如表-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，可以進一步解析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-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

6、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（20062009）故障原因發(fā)生次數(shù)所占比例（）自然現(xiàn)象17234.5風車內(nèi)故障13226.5人為原因173.4系統(tǒng)故障40.8不明原因17334.7總計498100.0表-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265.2落雷12324.7亂流102.0冰凍40.8其他91.8風車故障設計不良6513.1制造不良5410.8施工不良132.6人為原因檢修不到位173.4系統(tǒng)故障系統(tǒng)故障40.8不明原因不明原因（

7、含調(diào)查中原因）17334.7合計498100.0） 故障發(fā)生部位故障部位的統(tǒng)計結果如表-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(zhuǎn)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。） 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（44.9%）、發(fā)生的次數(shù)也占到1/2（4

8、0.0%）。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50.8葉片6310.6葉片輪殼40.7空氣制動20.3機械制動81.4葉片螺距控制589.8主軸軸承91.5變速箱122.0發(fā)電機386.4偏航控制裝置284.7風向及風速計6711.3控制裝置9315.7電氣裝置5910.0油壓裝置274.6感知裝置2

9、23.7基礎系統(tǒng)20.3系統(tǒng)關聯(lián)裝置122.0其他8414.2合計593100.0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56944.950849.65040.0內(nèi)陸平地1269.9737.11612.8沿岸島嶼57345.244443.35947.2合計1268100.01025100.0125100.0） 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(zhuǎn)時間2年和510年的占據(jù)了大部分，一般在運轉(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

10、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1048.2616.010.812年15912.514414.097.225年55844.046044.95443.2510年40832.233032.25947.210年以上393.1302.921.6合計1268100.01025100.0125100.0） 故障停止時間因故障造成的停止運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。但是1/3(32.1

11、%)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析，可以縮短運行停止時間。表-7因故障停止運行時間（20062009）停止時間發(fā)生次數(shù)比例（）3日7日以內(nèi)13326.77日14日以內(nèi)9418.914日30日以內(nèi)11122.330日90日以內(nèi)9218.490日以上6813.7合計498100.0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，

12、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)生原因件數(shù)比率（）偶發(fā)原因（包含落雷）15966落雷（43）（18）老化磨損5423初期故障219其他2合計240100（）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。） 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。） 發(fā)電機的故障為0.045件/（臺年

13、），故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(zhuǎn)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。） 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(zhuǎn)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。） 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行監(jiān)測，可以解析故障原因，防止事故的發(fā)生。） 故障的存在是有持續(xù)性的，對新的故障進行數(shù)據(jù)收集和及時分析，以及及時排除，將會變

14、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。風力發(fā)電的課題概述風力發(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(zhì)量。未解決這一難題，需要發(fā)電方和送電方共同努力。 (3) 設置范圍的擴大為普及風力發(fā)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

15、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。本計劃著力改善的項目風力發(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)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

16、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)對策電力安定化功率的穩(wěn)定性問題大規(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) 擴大設置范圍山間地形復雜地形風力預測系統(tǒng)海洋復合振動解析技術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)項目和第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)劃本項目將以日本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。）中國現(xiàn)有臺風機，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200億日元。）故障檢測裝置和功率優(yōu)