【摘要】中國風電行業(yè)近十幾年來得到迅猛發(fā)展，涌現(xiàn)出一大批主機制造商，最高峰時有70余家，但近幾年整機制造呈現(xiàn)越來越集中的趨勢，2021年有新增裝機的整機制造企業(yè)只有十七家，排名前5家市場份額合計達到了近70%。近60家“消失”廠商所生產(chǎn)的風電機組，已經(jīng)或即將成為“孤兒機組”，這些機組由于缺乏維護和管理，發(fā)電效率較低，運維成本偏高，亟需通過技改方式使機組恢復到較好的運行狀態(tài)，除去孤兒機組運營企業(yè)的痛點。
關(guān)鍵字：孤兒機組、技改提效
“孤兒機組”一詞在最近幾年被頻繁提出，這些機組可分為三類：第一類是比較典型的整機廠破產(chǎn)倒閉（沒人管）；第二類是公司還在，但沒有了風電業(yè)務、不再生產(chǎn)主機（沒能力管）；第三類是公司還有風電業(yè)務，但對于出保風場不再進行服務（沒意愿管）。
孤兒機組主要存在四大問題，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、維護不到位等問題。“弱”是指機組性能差、發(fā)電效率低，有些機組甚至不能滿發(fā)。“病”是指機組運行不穩(wěn)定，關(guān)鍵部件故障頻發(fā)，故障得不到及時的處理。“殘”是指備件由于停產(chǎn)或渠道不暢導致無法及時供應，風機運行數(shù)據(jù)記錄缺失等。
這些機組整體數(shù)量不算多、占國內(nèi)裝機總量的比例也不算大，但這些機組生產(chǎn)廠家較多，導致機型數(shù)量相對繁雜，單個機型裝機數(shù)量從一臺到上千臺不等；由于技術(shù)路線的不統(tǒng)一，相對于其他主流風電機組技改，針對孤兒機組的技改開發(fā)門檻和成本相對較高，很難形成市場規(guī)模，很少有廠家愿意投入。所以為數(shù)不多的孤兒機組成為了風電運營企業(yè)的痛點和風電行業(yè)的隱患。
1、機組情況介紹
本文介紹的風電機組是日本川崎1.5MW中速永磁機組，在國內(nèi)僅此一臺，雖然這家企業(yè)還在，但已撤出風電行業(yè)，沒有能力進行機組的維護和升級，屬于比較典型的孤兒機組。該機組于2011年9月份安裝，2012年4月份初步通過驗收并網(wǎng)發(fā)電，但并網(wǎng)初期受日方技術(shù)人員對驗收中存在的不合格項整改影響停機較頻繁，于2012年9月份整改完成正式通過驗收。2013年12月10日，日方結(jié)束最后一次維保交于業(yè)主單位自己運維，風機年等效滿負荷利用小時數(shù)逐年下降，運行非常不穩(wěn)定。
該機組設計復雜，配置比較先進，屬于2011年代同容量機組的高配。首先，這臺風機是全功率中速永磁機組，在國內(nèi)并不多見，配件非常難尋。機組各子系統(tǒng)設計復雜，齒輪箱、發(fā)電機等各個子系統(tǒng)均有獨立的控制器，整機共十幾個通訊子站。機組同時配有液壓半自動盤車，葉片及塔筒載荷監(jiān)測，塔筒阻尼系統(tǒng)，偏航配置有獨立的變頻軟啟系統(tǒng)。此外，由于整機封閉，導致機組故障停機后，無法準確讀取故障信息并及時處理和消缺。
該機組主要存在四大“痛點”。第一是整機及部件方面：機組無法滿發(fā)、振動過大、故障頻發(fā)以及缺乏備件支撐。第二是運行及記錄統(tǒng)計方面：由于風機沒有監(jiān)控系統(tǒng)，所以運行數(shù)據(jù)記錄幾乎沒有，且看不見運行狀態(tài)。第三是機組發(fā)電時長方面：該風機長期處于半停運狀態(tài)，年等效滿負荷小時數(shù)不足400小時。最后是場內(nèi)運行維護情況：業(yè)主進行的不定期維護難以達到風電機組的穩(wěn)定運行要求。
1.1 機組基本情況
該機組額定功率 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)電機額定轉(zhuǎn)速為374rpm。
此臺風機主要大部件均采用國外知名品牌，如LM葉片、ABB變流器、SSB變槳、Bachmann主控、SKF主軸、ABB發(fā)電機等。
1.2 運行狀態(tài)分析
由于受機組穩(wěn)定運行影響，導致發(fā)電運行時間以及發(fā)電量較低。尤其2014年之后，機組在無原廠家技術(shù)支撐及維護的情況下，2015-2018年均發(fā)電量為54.7萬kWh，處于較低水平。
1.3 機組問題分析
1）性能問題
機組無法滿發(fā)，機組最大發(fā)到1MW，且功率非常不穩(wěn)定。偏航控制邏輯不合理，偏航過于頻繁。偏航剎車異響，剎車片磨損嚴重。
2）故障問題
機組在啟機時或運行過程中經(jīng)常報出“安全系統(tǒng)風機級別跳閘”、“變槳系統(tǒng)啟動EFC故障”。風速超過10m/s時經(jīng)常報出“風速大安全停機”或者其它故障，頻繁觸發(fā)安全停機。
2）監(jiān)控問題
無上位監(jiān)控系統(tǒng)，只有風機側(cè)的調(diào)試監(jiān)控界面。界面故障信息指向不明確，無故障歷史記錄和故障錄波功能，導致故障原因判斷困難。
3）備件問題
機組部件多為進口部件。備件采購周期長或無法找到原型號。
2、技改內(nèi)容分析
2.1 主控程序開發(fā)
主控制程序是風力發(fā)電機組的控制中樞，包含了實現(xiàn)機組運行功能的控制邏輯，協(xié)調(diào)整個機組的各個部件實現(xiàn)無人值守狀態(tài)下的穩(wěn)定、可靠、高效運行。控制程序需要根據(jù)機型和部件進行定制化開發(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)測的相關(guān)數(shù)據(jù)信息采集及處理功能；
安全保護：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)不能保證機組在正常限值范圍內(nèi)運行時，而采取保護行動的一種系統(tǒng)；
故障報警及記錄：任意一個故障碼激活時，主控系統(tǒng)能根據(jù)故障碼屬性，準確做出相應告警或停機操作；
功率控制：主控系統(tǒng)控制風機變流器，以轉(zhuǎn)矩給定的方式實現(xiàn)對機組的有功功率調(diào)節(jié)，通過MPPT算法實現(xiàn)發(fā)電效率最大化。通過無功功率值給定或功率因數(shù)給定的方式實現(xiàn)對機組的無功功率調(diào)節(jié)；
變槳控制：變槳的作用有兩個，一是保證機組安全停機，二是控制機組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在目標轉(zhuǎn)速附近；
部件控制：對發(fā)電機、齒輪箱、液壓系統(tǒng)等部件進行監(jiān)視和控制，包括潤滑裝置、冷卻裝置、加熱裝置的啟停控制，部件異常監(jiān)測報警等。
控制程序替換后，逐步提升機組最大功率，最終目標為機組設計滿發(fā)功率1500kW，由于此機組為測試樣機，未經(jīng)長時間滿發(fā)運行驗證，有可能在升功率過程中出現(xiàn)部件無法滿足、振動異常、載荷超限等異常情況的風險，就需要對機組進行載荷仿真計算和相關(guān)測試。
2.2 載荷仿真與計算
風力發(fā)電機組的載荷仿真計算是風機設計中的一項重要工作，主要體現(xiàn)在其提供部件強度分析、結(jié)構(gòu)動力分析及疲勞壽命計算的載荷依據(jù)，確保各部件承載在設計極限內(nèi)；通過優(yōu)化運行載荷，提高機組的可靠性。風電機組是具有高動態(tài)載荷的動力系統(tǒng)，要保證在其20年生命周期內(nèi)安全可靠運行，必須承擔設計壽命內(nèi)由交變應力產(chǎn)生的載荷以及可能產(chǎn)生的破壞。
對于改造機組，設計數(shù)據(jù)的完整性缺失會導致載荷計算準確度下降，但還是需要盡量獲得計算所需的設計數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)完整性和準確性越好，仿真計算驗證結(jié)果就越接近實際，安全性越高，為機組升功率運行提供依據(jù)。
載荷工況的設計與計算依據(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)坐標系）；偏航軸承（固定于機艙上的坐標系）；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)場測試得知，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：空氣動力、自重、旋轉(zhuǎn)慣量和動態(tài)慣量的作用。動態(tài)響應包括塔架、葉片、驅(qū)動鏈、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械剎車導致的。
疲勞等效載荷用來等效疲勞損傷，它是用對單一頻率下重復的單應力范圍進行雨流計數(shù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的值來表示的。Miner’s法則。損傷等效應力由下面的公式給出：
其中：
LN圖片是N次循環(huán)的等效應力；
圖片Li是應力范圍間隔i；
圖片ni在間隔i應力范圍的雨流計數(shù)；
圖片m是材料的圖片曲線的負的反斜率系數(shù)（m同樣是指S-N曲線的斜率）；
N是風機壽命的循環(huán)次數(shù)；
應力圖片圖片Li是根據(jù)結(jié)構(gòu)的尺寸而定的。假設載荷與應力成比例，這樣在上面的公式中用載荷來代替應力是可以接受的。為了簡化圖片Li圖片和圖片ni圖片是根據(jù)沒有修正的一維的數(shù)據(jù)表中得來的，根據(jù)平均應力用來說明疲勞破壞。疲勞載荷的安全系數(shù)為1.0。經(jīng)過極限和疲勞載荷計算，滿足要求。
2.3 關(guān)鍵部件國產(chǎn)化替代
在此次改造過程中，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；
為消除目前頻繁報出的“安全系統(tǒng)風機級別跳閘”、“變槳系統(tǒng)啟動EFC故障”等故障，需要結(jié)合程序替換后的測試，對安全鏈信號以及主控與變槳間的信號進行治理，內(nèi)容包括：安全鏈器件和線路檢查、測試，滑環(huán)替換，主控與變槳間的中心線束替換、測試，主控與變槳間的通訊穩(wěn)定性測試，將之前變槳中控箱的臨時接線恢復為航空插接件。
為提高變槳系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，對變槳系統(tǒng)部分器件進行替換升級，具體包含：升級最新變槳控制系統(tǒng)版本，更換3臺變槳驅(qū)動器，更換變槳編碼器。
關(guān)鍵部件替換改造完成后，可減少機組停機時間，提高可利用率，目標將可利用率提升到95%以上。
2.4 監(jiān)控系統(tǒng)與手機app開發(fā)
原風機未配備后臺監(jiān)控系統(tǒng)，無法對運行數(shù)據(jù)進行記錄、查詢，也無法生成運行報表。擬增加監(jiān)控系統(tǒng)可監(jiān)控本機組，也可滿足風場裝機的擴展，增加手機APP遠程查看功能。
新增加的中央監(jiān)控系統(tǒng)，具備完備的數(shù)據(jù)記錄和詳細的故障診斷，解決目前“界面故障信息指向不明確，無故障歷史記錄和故障錄波信息，故障原因判斷困難”的問題。
3、技改經(jīng)濟性評價
根據(jù)風電場實際情況，考慮風機自耗電及各種因素折減，風機折減系數(shù)選取0.67，年發(fā)電量計算結(jié)果如下表：
表3-1 電量計算
考慮到川崎樣機機械、電氣部件為定制化產(chǎn)品，在設備需要更換時，需要從國內(nèi)外相關(guān)廠家定制，會導致采購相對通用件周期較長，機組停機時間較長，技改后評估發(fā)電量在原計算發(fā)電量基礎(chǔ)上折算0.7，得到目標年發(fā)電量為1768MWh。
表3-2 經(jīng)濟性估算
說明：投資回報周期不考慮財務成本，按照工業(yè)用電價0.61元（含增值稅）。
4、總 結(jié)
公司憑借豐富的老舊機組改造經(jīng)驗和扎實的技術(shù)積累，經(jīng)過前期的深入調(diào)研和多次分析、討論、評估，結(jié)合業(yè)主實際情況，專項研發(fā)工作小組最終確定了在風機整體大部件不變的情況下，采用：風機主控系統(tǒng)軟件及部分關(guān)鍵部件替換、重新開發(fā)主控軟件、應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，項目還將充分利用原有設施，最大限度地降低業(yè)主改造投入。
2021年1月至今，技改后的“孤兒機組”逐漸恢復平穩(wěn)運行。在機艙和塔底都配備了相應的操作屏，能更加清晰地顯示出機組的運行數(shù)據(jù)以及運行故障。廠區(qū)內(nèi)，配備了可監(jiān)控的SCADA系統(tǒng)，在手機端同時配備了APP 遠程監(jiān)視軟件。漢化的監(jiān)控系統(tǒng)和故障代碼，使得每個故障都能清晰可視、實時快速發(fā)現(xiàn)并找到具體成因。
通過深度技術(shù)改造，該機組平穩(wěn)運行后最終呈現(xiàn)的效果可以歸納為“三提高和三降低”。發(fā)電小時數(shù)在原有的基礎(chǔ)上增加了800多小時，可利用率提升超過50%，經(jīng)濟收益經(jīng)過測算大約是原來的3.6倍。運維和備件采購成本降低了近40%，故障率降低超過50%；以工業(yè)電價計算，企業(yè)每年節(jié)省70多萬元購電成本。經(jīng)過技改給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟價值和社會效益。
參考文獻：
[1] IEC61400-1 Wind turbines-Part1 Design requirements，Edition2019；
[2] 技改機組運行情況分析報告；
[3] 技改機組主控參數(shù)調(diào)整仿真分析報告；
[4] 技改機組載荷仿真計算報告；
作者：潤陽能源技術(shù)有限公司 劉昊、王建明、劉博、趙廣宇、吳鵬、李娟、趙洪志
