李文通　康濤　張勇

摘要：為了能夠有效控制風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)成本，運(yùn)營(yíng)商與整機(jī)廠越來(lái)越關(guān)注風(fēng)電機(jī)組可靠性的技術(shù)與研究工作，但是如何將現(xiàn)場(chǎng)采集的大量運(yùn)行數(shù)據(jù)切實(shí)應(yīng)用到風(fēng)電機(jī)組的可靠性提升工作中成為可靠性技術(shù)與風(fēng)電機(jī)組銜接的瓶頸所在。本文通過(guò)介紹以可靠性為中心的維修（RCM）技術(shù)，與國(guó)內(nèi)多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域?qū)CM的模型創(chuàng)建和實(shí)踐應(yīng)用，結(jié)合風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)維特點(diǎn)，以機(jī)組的機(jī)械系統(tǒng)為例，詳細(xì)說(shuō)明如何將可靠性技術(shù)和RCM融入風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)維策略制定過(guò)程，以及基于RCM技術(shù)，從大量運(yùn)行數(shù)據(jù)中挖掘?qū)︼L(fēng)電機(jī)組可靠性具有關(guān)鍵影響的技術(shù)指標(biāo)的過(guò)程與方法，從而實(shí)現(xiàn)降低運(yùn)營(yíng)成本的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；以可靠性為中心的維修；數(shù)據(jù)挖掘；運(yùn)維策略

中圖分類號(hào)TM6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)2095-6363（2015）12-0079-02

近年來(lái)，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，裝機(jī)容量大幅提升，使在役風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)成為整機(jī)廠與運(yùn)營(yíng)商必須認(rèn)真面對(duì)的問(wèn)題，同時(shí)其中蘊(yùn)含的巨大市場(chǎng)潛力也吸引了越來(lái)越多的關(guān)注。但是風(fēng)電產(chǎn)業(yè)后市場(chǎng)的發(fā)展前景對(duì)有效地控制運(yùn)維成本，實(shí)現(xiàn)精益化管理提出了十分熱切的要求，而且日益激烈的行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)也迫使整機(jī)廠與運(yùn)營(yíng)商對(duì)機(jī)組不同壽命階段的運(yùn)維策略展開(kāi)籌劃，以期削減成本。

“大數(shù)據(jù)、智能分析與診斷、運(yùn)維決策智能化、集約化管理”等一系列高科技的先進(jìn)方案被引入到機(jī)組運(yùn)維管理體系中。事實(shí)上，從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，這些先進(jìn)方案融合到一起，便是“以可靠性為中心的維修（Reliability Centered Maintenance，簡(jiǎn)稱RCM）”技術(shù)。RCM技術(shù)產(chǎn)生于二十世紀(jì)六十年代，目前廣泛應(yīng)用于核電工業(yè)與軍工領(lǐng)域。由于同核電機(jī)組獲得能量的穩(wěn)定性不同，以及發(fā)電設(shè)備安全性要求的差異，適用于風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的RCM技術(shù)還需獨(dú)立開(kāi)發(fā)。

目前，系統(tǒng)復(fù)雜的大型設(shè)備運(yùn)維策略主要包括兩類：事前維修與事后維修。事前維修包括預(yù)防性維修與預(yù)測(cè)性維修兩類，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)普遍采用的定期檢修制度便屬于預(yù)防性維修的范疇，它根據(jù)機(jī)組零部件的工作特性，在其失效之前，定期檢查更換，以確保機(jī)組的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。但是實(shí)踐證明，隨著機(jī)組服役的不斷延伸，由機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力或環(huán)境應(yīng)力等因素導(dǎo)致的疲勞故障僅僅依靠預(yù)防性維修己難以有效應(yīng)對(duì)。而RCM技術(shù)通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，運(yùn)用可靠性分析與預(yù)計(jì)技術(shù)，對(duì)機(jī)組運(yùn)行中后期可能出現(xiàn)突發(fā)故障提前發(fā)出預(yù)警，指導(dǎo)對(duì)機(jī)組實(shí)施不定期的維護(hù)工作，防范故障導(dǎo)致的嚴(yán)重影響發(fā)生，同時(shí)輔以其他維修策略，形成一種系統(tǒng)性的維修策略。事后維修是指等到故障發(fā)生之后，再采取措施維修設(shè)備恢復(fù)功能；傳統(tǒng)的大型設(shè)備維修，由于缺乏故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，多采用事后維修。當(dāng)前國(guó)內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的RCM技術(shù)處于起步階段，整機(jī)廠與運(yùn)營(yíng)商對(duì)機(jī)組運(yùn)行技術(shù)數(shù)據(jù)的收集工作已經(jīng)展開(kāi)，但是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)整理分析并運(yùn)用到機(jī)組維修策略中的工作尚未開(kāi)始。

1.以可靠性為中心的維修

RCM技術(shù)是國(guó)際上通用的用以確定設(shè)備預(yù)測(cè)性維修需求，優(yōu)化維修制度的一種系統(tǒng)工程方法。它借助可靠性分析方法創(chuàng)建設(shè)備的功能或硬件FMEA，采取風(fēng)險(xiǎn)矩陣邏輯判斷的方法，通過(guò)對(duì)設(shè)備故障模式的影響與發(fā)生頻率分析，結(jié)合安全性與經(jīng)濟(jì)型原則，確定并不斷優(yōu)化設(shè)備的運(yùn)維策略，從而指導(dǎo)大型設(shè)備的日常檢修維護(hù)工作。標(biāo)準(zhǔn)的RCM分析過(guò)程是根據(jù)SAE JTAl011《以可靠性為中心的維修過(guò)程的評(píng)審準(zhǔn)則》給出的RCM過(guò)程準(zhǔn)則進(jìn)行的。

在實(shí)際的RCM工程應(yīng)用過(guò)程中，前期還需完成制定RCM工作計(jì)劃，確定RCM工作的實(shí)施范圍，以及收集并統(tǒng)計(jì)分析故障數(shù)據(jù)等工作；后期則要匯總形成RCM工作報(bào)告，并執(zhí)行相應(yīng)的維修計(jì)劃，從而與前期工作形成閉環(huán)系統(tǒng)，使設(shè)備的運(yùn)維策略不斷優(yōu)化完善。同數(shù)據(jù)挖掘相關(guān)的故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析雖然未被列入評(píng)審準(zhǔn)則，但它卻是RCM工作的基礎(chǔ)，如果缺乏充足準(zhǔn)確的故障數(shù)據(jù)，輕則加大故障模式影響分析的難度與工作量，重則導(dǎo)致錯(cuò)誤的評(píng)估結(jié)果，造成嚴(yán)重的負(fù)面影響。因此，RCM分析過(guò)程中基于設(shè)備功能的故障模式庫(kù)的創(chuàng)建（FMEA分析過(guò)程），對(duì)有價(jià)值的故障數(shù)據(jù)挖掘具有十分重要的意義。

2.將RCM引入風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維過(guò)程

預(yù)防性維修對(duì)機(jī)組運(yùn)行初期的故障具有較為明顯的預(yù)防效果，但是到了機(jī)組服役的中后期，定期檢修在不同的零部件上會(huì)表現(xiàn)出“維修不足”或“過(guò)度維修”的問(wèn)題，產(chǎn)生意外故障影響導(dǎo)致的高額維修費(fèi)用和備品備件不必要的消耗。因此將核電等大型設(shè)備維護(hù)中廣泛采用的RCM技術(shù)，應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)維策略研究制定，通過(guò)預(yù)測(cè)性維修手段降低運(yùn)行故障率，控制運(yùn)維成本，顯得十分必要。

首先，風(fēng)電機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)包括實(shí)現(xiàn)核心功能（將捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能）的傳動(dòng)鏈系統(tǒng)與傳動(dòng)鏈上的泵、管、閥等附件系統(tǒng)，以及實(shí)現(xiàn)調(diào)整捕獲到的能量、系統(tǒng)制動(dòng)、傳動(dòng)鏈支撐與載荷傳遞功能的輔助系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)的泵、管、閥等附件系統(tǒng)。

其中，傳動(dòng)鏈的功能是將風(fēng)輪（葉片與輪轂）捕獲到的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為主軸的低速旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，再通過(guò)齒輪箱將主軸的機(jī)械能增速為發(fā)電機(jī)可接受的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械能（不計(jì)機(jī)械效率的條件下，能量大小不變）；齒輪箱的潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)在潤(rùn)滑油溫低于限值時(shí)，將潤(rùn)滑油泵送至齒輪箱中的各個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)，減緩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)磨損導(dǎo)致的壽命衰減，當(dāng)潤(rùn)滑油溫高于限值時(shí)，則控制油溫繼續(xù)上升，以免潤(rùn)滑油變質(zhì)，影響潤(rùn)滑效果。其中聯(lián)軸器、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、偏航/變槳系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)，以及傳動(dòng)鏈中主軸與齒輪箱的支撐和機(jī)架將主軸承與彈性支撐傳遞過(guò)來(lái)的載荷再通過(guò)偏航系統(tǒng)傳遞給塔筒，最終傳導(dǎo)到地面。此即風(fēng)電機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)各部件的主要功能。

傳動(dòng)鏈若不能持續(xù)將捕獲到的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)可以接受的高速機(jī)械能，則視為故障，以此類推可得各部件的故障判據(jù)。根據(jù)故障判據(jù)，進(jìn)而確定機(jī)械系統(tǒng)各部件的基本故障模式庫(kù)，針對(duì)故障模式展開(kāi)面向各部件定性的故障模式和影響分析，可以得出傳動(dòng)鏈中的一些關(guān)鍵部件發(fā)生故障，將導(dǎo)致機(jī)組基本的發(fā)電功能失效，并且對(duì)故障部件的更換成本中大都涉及現(xiàn)場(chǎng)大型設(shè)備的吊裝，維修成本高；輔助系統(tǒng)中的回轉(zhuǎn)支承與機(jī)架的維修更換也涉及現(xiàn)場(chǎng)吊裝，成本較高。傳動(dòng)鏈系統(tǒng)與輔助系統(tǒng)的附件系統(tǒng)的故障影響則相對(duì)較小，但其故障模式對(duì)傳動(dòng)鏈與輔助系統(tǒng)中的大型部件工作壽命卻有不容小視的漸進(jìn)性影響。因?yàn)楣收嫌绊懗藢?duì)系統(tǒng)性能與維修成本進(jìn)行分析，還需考慮故障發(fā)生頻率的高低，以衡量是否有必要對(duì)該類故障采取預(yù)測(cè)性維修方案。液壓制動(dòng)系統(tǒng)、齒輪箱與偏航系統(tǒng)在機(jī)組的機(jī)械系統(tǒng)的故障占比位列三甲（葉片/變槳故障主要為變槳控制系統(tǒng)故障），并且引發(fā)三者主要故障對(duì)機(jī)組系統(tǒng)工作壽命也有很大影響，發(fā)掘故障發(fā)生前傳動(dòng)機(jī)構(gòu)溫度、潤(rùn)滑油（脂）溫度、潤(rùn)滑油/液壓油壓力，以及關(guān)鍵部位振動(dòng)（加）速度等重要參數(shù)的變化趨勢(shì)，研究這些物理量在大型部件失效前的漸變規(guī)律，從而為運(yùn)維工作提供預(yù)警，避免嚴(yán)重故障導(dǎo)致的巨大維修成本。

由此可見(jiàn)，若將以可靠性為中心的維修（RCM）策略引入到風(fēng)電行業(yè)，必須根據(jù)各主要部件的故障機(jī)理與后果分析結(jié)論，以及現(xiàn)場(chǎng)故障率數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，從風(fēng)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）記錄的海量技術(shù)數(shù)據(jù)中，挖掘出對(duì)運(yùn)維策略具有重要影響的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，并加以分析判別，使這些數(shù)據(jù)能夠?yàn)檫\(yùn)維策略的制定提供準(zhǔn)確有效的基礎(chǔ)?？茖W(xué)合理的運(yùn)維策略，最終也將為優(yōu)化運(yùn)維資源配置，提升運(yùn)維管理效率，降低維修成本發(fā)揮巨大作用。

3.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為了有效控制風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)維成本，建議參考核電行業(yè)的成功經(jīng)驗(yàn)，引入以可靠性為中心的維修（RCM）策略，以及預(yù)測(cè)性維修/預(yù)防性維修方法。若要切實(shí)有效地將RCM策略運(yùn)用到風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)維過(guò)程，必須準(zhǔn)確了解機(jī)組故障模式、影響及原因，并基于此從大量技術(shù)數(shù)據(jù)中篩選出對(duì)故障發(fā)展趨勢(shì)具有指標(biāo)性意義的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。因此，本文介紹了關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的選取辦法。最后，希望本文能夠起到拋磚引玉的作用，對(duì)將RCM策略引入風(fēng)電行業(yè)有所幫助。