摘要：风力发电齿轮箱作为风力发电机的关键部位,一旦失效,除了本身的维修费用外,还会引起风力发电机的停机损失。通过研究目前风力发电齿轮箱的运维现状,提出风力发电齿轮箱的运维发展趋势,以提高风力发电齿轮箱的运行可靠性。
关键词：风力发电齿轮箱；运维现状；发展趋势
前言
齿轮箱是在风力发电机组中应用广泛的一个重要的机械部件。主要是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。齿轮箱在风力发电机组中不仅可以改变转速，也可改变轴所承受力的大小，齿轮与齿轮之间的摩擦会产生大量的热量，热量通过齿轮泵将油泵入散热系统进行散热，重新注入齿轮箱各个齿面，对齿轮进行润滑及降温。
一、风电齿轮箱技术特点
风轮的转速一定程度上影响着齿轮箱的转速，为了确保整个机组在机构上的紧凑性，设计时采用行星转动方式，同时还有平行轴齿轮的方式。在设计齿轮箱时，为了避免传动比太高，优化实际方案，增强紧凑性，兆瓦级的风电机组多半选用了半直驱的方式。在齿轮箱中，几个关键的产品性能指标有：
1.频率在0-200Hz，齿轮箱弹性支撑处的最大振动速度不能超过1.3mm/s；更高频率时的振动速度不能超过0.75mm/s。
2.兆瓦级以下噪音的控制小于88dB（A），兆瓦级以上最大噪音不能超过100dB（A）。
3.机械效率大于97.5%。
4.油液清洁度达到-/14/11的标准。齿轮箱这些关键性能指标的要求大大提高了装配精度，也增加了制作难度。风力发电机组一般所用的齿轮箱传动方式有，平行轴圆柱传动、行星和平行轴传动，还有功率混合传动等。主要用来传递动力的构件有轴、齿轮、齿圈、齿轮轴、箱体等。这些零件的材料各项指标和关键尺寸精度的控制要求必须达到标准，使其能够承受机组各种恶劣的工况，延长机组的使用寿命。齿轮箱的工艺涉及材料热处理、机械制造、动态仿真、3D检测、噪声与振动等方面的知识。一个齿轮是否能够达到承载标准，是由外部载荷和内部对加工材料的工艺质量等条件决定的，必须要对齿轮的制造和设计方面严格要求，用合理高效的控制方式来完成目标，从原材料控制、制造工艺控制、装配实验、油漆包装运输等等程序入手，严格把控细节。只有在大工业生产和完备的平台下才能确保齿轮箱的质量安全稳定，与风力发电主机正常运行所要求的标准相符合。
二、风电齿轮箱的运维现状
齿轮箱的运行质量,关系到齿轮箱20年寿命周期的成本,也关系到风场投资收益率。影响齿轮箱运行质量因素很多,譬如齿轮箱的设计可靠性、制造质量等等。随着风电行业的发展,相关行业标准不断完善,齿轮箱设计以及制造水平有了很大的提升。运维水平的高低直接影响着齿轮箱的运行质量。齿轮箱的运维现状主要有以下几点。
1.运维的规范以及标准不健全
由于风电行业的特殊性,市面上主齿轮箱规格繁多,各个制造商的技术水平、生产能力不同,对于齿轮箱运维的要求也不一致,导致目前市场上并没有关于齿轮箱运维的行业或者国家标准。规范不健全,意味着维护标准、检查标准、维修验收标准不一致,最终影响的还是齿轮箱的运行质量。
2.运维人员的技能水平较低
它主要包含两方面:一是风场运维人员大部分非机械行业出身,对齿轮箱这种机械设备不了解,只能依据主机厂或齿轮箱制造商的说明书进行基本维护;二是由于风电行业的特殊性,夏天高温、冬天寒冷以及需要高空作业,人员的流动性相对其他行业较大,而人才的培养又需要时间。
3.监测设备缺乏
目前齿轮箱上的监控设备主要是监控润滑油温度、轴承温度以及进油压力的传感器。部分机型装有监控齿轮箱振动的传感器,以及监控齿轮箱润滑油性能的传感器,但普及范围相对较窄。由于风机的特殊性,无法做到随时随地检查齿轮箱的状况,只能等齿轮箱出现较大故障后才发现问题。
4.机型繁多、备件困难
国内风电从2005年开始逐步快速发展,在发展高峰时期有几十家主机厂。而各个主机厂的风机机型大部分都不一致,导致不同主机厂的齿轮箱必须特殊定制,不具备互换性,进而导致维修技术须单独开发、工装须单独储备、维修备件须单独储备等等。如果没有提前储备,齿轮箱一旦出现故障,停机时间将会非常长,损失就会很大。如果提前储备备件,对于数量较少的机型可能很长时间无法用到备件,资金占用时间较长。
5.早期齿轮箱技术、质量可靠性低
在国家支持绿色清洁能源这个大环境下,风电发展迅速,但是风机以及齿轮箱的技术、制造质量并没有完全跟上行业的发展速度,存在部分脱节,有些齿轮箱甚至没有经过严格的样机试验就开始批量化生产,隐患较多,导致部分厂家的齿轮箱在运行几年后出现故障,给风场造成较大损失。
6.行业不透明
整个风电行业,包括主机以及齿轮箱的基础数据都基本处于不公开状态,每个齿轮箱制造商对自已齿轮箱的数据保密。风场的运维人员无法得到齿轮箱的基本数据,譬如齿轮箱结构、试验数据等等,导致齿轮箱一旦出现问题,无法及时分析故障原因。
三、风电齿轮箱运维的发展趋势
为了解决弃风问题,2017年国家发改委和能源局联合印发了《解决弃水弃风弃光问题实施方案》,可再生能源电力受限严重地区弃风状况明显缓解。随着国内弃风限电的改善,齿轮箱的可靠运行变得尤为重要。各个风场也在转变,将以前的被动性运维变为主动性运维。目前风电齿轮箱运维的发展趋势主要有以下几个方面。
1.精细化运维
根据风场齿轮箱历年的运行数据,结合齿轮箱的结构,与齿轮箱制造商或者专业的第三方制定有针对性的运维计划以及运维要求,减少不必要的浪费。同时,对风场运维人员进行运维计划、要求以及技术专业培训,提升运维人员整体技术水平。
2.智能监控系统
目前行业上的CMS系统主要是齿轮箱在线测振系统,但CMS系统只能做到警报自动化,即齿轮箱出现故障后自动报警,但无法自动分析具体是哪个零件出现故障,只能通过人工分析振动频谱来判断。而且很多CMS系统出现警报时,齿轮箱已处于故障中后期"。这也是未来CMS系统的发展方向,即通过分析频谱来判断出现故障的零件,同时也可以发现零件早期故障。
3.预测性智能运维
通过CMS系统以及安装在齿轮箱和风机上的各个传感器,检测齿轮箱相关运行数据,预测齿轮箱的剩余使用寿命以及故障概率。根据预测的结果提前检查齿轮箱、调整齿轮箱的维护工作、做好备件储备工作,将齿轮箱的故障率降到最低,同时将齿轮箱出现故障后的影响降到最低。
（1）检修规范化、标准化
中国船级社质量认证公司、南京安维士传动技术股份有限公司、南京高速齿轮制造有限公司联合编制的《风力发电机组主齿轮箱检修技术规范》于2017年8月正式发布,填补了国内没有风电齿轮箱检修规范的空白,引导了风电齿轮箱检修市场良性和有序的发展。
（2）优化性技改及维修
当齿轮箱出现批量性故障或者存在批量性故障隐患的时候,就需要对齿轮箱做优化性技改,提升齿轮箱的运行质量。齿轮箱在设计的时候是依据当时的技术水平进行的,在齿轮箱的实际运行过程中,技术也在发展与进步"。以现有的技术对原有的结构进行优化,可以提升齿轮箱运行的可靠性。否则,只对齿轮箱复制性维修,会导致齿轮箱始终存在故障隐患。
结束语
风力发电齿轮箱的可靠运行需要将行业的标准、先进的传感技术、智能运维以及运维人员的技术管理整合起来，才能做到提前预测，提前准备，提前调整，最终达到齿轮箱可靠运行的目的。
参考文献：
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[2]杜亮.风电机齿轮箱常见故障分析尧诊断与预防[J].内蒙古电力技术,2011(02)院31-32