摘要：本文对当前风电机组检修的主要模式进行了概述，在利用马尔科夫随机过程的基础上，结合风电机组在实际使用中的故障情况，以风电机组中的齿轮箱为为例计算了设备的最优检测频率。
关键词：风电；机组检修；马尔科夫链
1.风力机组维修方式
风能是典型的可再生能源之一，是化石能源的有效替代能源。随着我国风电场开发规模的增大，风电机组的数量在快速增加。随着机组的功率和尺寸的增大，发生故障的可能性也在随之加大，机组的维护费用通常会达到总成本的20%以上。为了保障风电场的正常运作，对风电机组的维护和保养也就显得越来越重要。
风电机组的检修是风电机组维护中的重要组成部分。由于风电机组的安放位置特殊，往往都位于地面以上数十米的空中，不便于随时进行机组的运行状态监控。当前对风电机组的维修和保养，大多是在机组购进后2年~5年的保修期之后，对发生故障机组单独检修或对风电场机组进行有计划的维护保养。而对风电机组运行维护采用的原则“预防为主、计划检修”，除了发现故障的机组，一般都会对风电场机组进行年度例行维护。维护的内容主要包括对机组部件的常规检查和测试，对磨损的部件进行更换等。机组常规检查与测试的对象主要是机组的电气、机械设备，如传感器和回路、主回路的绝缘性检查、模块式插件检查与紧固、控制柜柜体密封情况检查等。对故障机组的维修则主要是对磨损部件更换、对不合理设计导致的故障的修复等工作。由于风电机组检修不便，因此对于风电机组的检修模式也是一个被重视的问题，以便在资源运用最少的情况下维护风电场的正常运转。
国内外风电场对风电机组的检修策略主要有以下四种。（1）无检修模式。这种模式以5年为周期对全部机组进行大修，其间不对机组进行维护和故障维修；（2）非故障不维修模式。这种模式的特点是只有发现机组故障后才进行维修；（3）机会检修模式。这种模式的特点是对风电场实施维修操作时，可以择机对其他风机进行预防性检修；（4）定期检修模式。这种模式是以一定的周期制定检修计划，对机组有计划的进行预防性检修。
以上四类检修模式各有优缺点。无检修模式和非故障不检修模式一般被称为“被动型”的检修模式，对风电机组的检修行为是以实际发生的故障为依据，只要机组还能正常运行，就让机组一直运行到发生故障停机为止。采用这两类机组检修模式的前提是机组发生故障的直接后果不严重、对电网的影响也较小的情形。机会检修模式和定期检修模式都可以归于计划检修模式。计划检修模式的关键是选择合适的检修时间间隔，间隔过长对其间发生的故障不便处理，间隔时间过短又会造成维护成本过高。我国风电场普遍采用的检修模式主要是定期检修和针对机组故障的事后检修，在实际运用中常面临的问题是对机组设备的运行状况了解不及时，加之风电机组进口部件偏多，因此维护成本相对较高，机组发生故障后所造成的损失也较大。由此引发的问题就是需要建立其一套有效的风电机组检修策略，对机组的运行状况做到全面的了解，降低机组的维护成本。
2.基于马尔科夫链的设备检修模型
通常的检修模式都是把设备严格分为完好和故障这两种状态。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在设备的实际运行过程中，由于零件的老化等原因，即便设备未进入故障状态，但离发生停机故障也很接近了。通过对设备零件的磨损和老化状况的概率评估来制定检修策略将大大的提高设备维护的主动性。本文利用马尔科夫链原理来建立风力机组零件的多阶段老化模型，并用成本效益分析法来制定机组的检修计划。
为节约篇幅，马尔科夫链的基本原理不再详述，仅针对制定检修计划的成本效益分析过程做一概述，考虑的因素为：即时费用、潜在泊松故障产生费用、老化磨损费用和状态转移产生的费用，步骤如下：（1）设机组服从个阶段的老化过程；（2）在不采取检修措施的情况下，经过个阶段机组老化程度（状态）为，此时需要进行故障维修，维修后机组的状态为；（3）在每个机组设备老化阶段下都进行预防性检修，此时的检修状态为，在经过机组检测后决定是否进行维修，检测后的得到的机组状态为；（4）根据检测得到的状态，如不需维修则机组状态返回检测前的状态，若维修，则根据维修的程度决定老化状态，可由转移概率计算确定；（5）如果考虑机组故障的随机性，以泊松分布来描述，维修后机组状态恢复到。
2.1 模型构建
齿轮箱是风电机组的重要组成部分，是主要的动力传输系统，齿轮箱的正常运转是风电机组机组正常发电的基础。齿轮箱发生故障后的维修时间也是好事最长的。造成齿轮箱故障的原因大约有一半是来自于设计和制造方面的因素，维护不利或操作不当也是造成齿轮箱故障的重要原因。因此为了提高齿轮箱的运行可靠性，除了从设计制造方面提高工艺水平外，对齿轮箱的运行和维护也重要的环节。
风力发电机组设计寿命一般为20年，其他易磨损部件约为5年左右，而齿轮箱的设计寿命约为10万小时。因此按照上述依据马尔科夫链提出的检修模型，将机组设备的老化过程分为3个阶段，，阶段间的转移年限分别定为3.5年、5年和3年。
2.2 结果分析
由上述计算结果可见，齿轮箱的可利用的率为，通过求解半马尔科夫过程可获得最高可用率的检测频率。结合本文的数据，得到的最优检测频率为0.01，即100天为周期检修一次，此时的设备可用率可达到0.99。
对于齿轮箱可能出现的随机故障，统计数据表明每年出现随机故障的频率约为0.05-0.1次左右。随着机组使用年限的延长，出现随机故障的几率也会逐渐增加，也就会影响到机组设备的可用率和最优检修频率。明显的结论是，随着设备随机故障频率加大，设备的可用率也就会随之降低。当设备的年随机故障频率为0.05时，齿轮箱的最高可用率为0.996，当随机故障频率为0.01次时，齿轮箱的最高可用率为0.994。
3.结语
风电机组的检修和日常维护是一个比较复杂的问题。本文以马尔科夫随机过程为基础，探讨了一种风电机组齿轮箱的检修模型，根据风电场机组的故障统计数据计算机组的最优检测频率。对于风电机组的其他关键设备，也可以按照类似的方法进行计算。此外还可以从经济的角度来制定机组的最优检修计划，这是需要进一步探讨的问题。
参考文献：
[1]周为，王剑彬，向友.基于TRIZ的导向环自动装配设备上料机构设计[J].机械工程与自动化，2016.
[2]李振楚.南京风电装备产业现状分析与发展构想[J].机械制造与自动化，2009.
论文作者:沈俪
论文发表刊物:《基层建设》2018年第3期
论文发表时间:2018/5/16
标签：机组论文; 齿轮箱论文; 故障论文; 风电论文; 模式论文; 设备论文; 状态论文; 《基层建设》2018年第3期论文;