CN104484732B - 一种计及机组发电量的风电场维修部件选取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种计及机组发电量的风电场维修部件选取方法,主要涉及风电场某个或某些部件出现故障或者进行定期维修时,捎带进行其他部件的维修,捎带维修的机械部件,按以下步骤确定:1)根据风电场各风电机组额定功率、历史有功功率、历史风速信息,各机组机械部件使用寿命、历史维修数据,计算各台机组各个机械部件的可靠性系数;2)根据机组各机械部件使用寿命内发生可容忍故障、不可容忍故障的概率,结合各部件可靠性系数,确定各台机组各个部件维修的紧迫性;3)本次维修容量减去既定维修量,形成本次维修容量裕量,根据该裕量,按维修紧迫性从大到小顺序确定维修对象。本发明能降低风电场维修次数,降低维修费用。
Description
技术领域
本发明涉及风电场维修时机械部件的选取方法,具体地说,是涉及一种计及机组发电量的风电场维修部件选取方法。
背景技术
受风速的随机性和自身状态的动态性等影响,风电机组机械部件承受复杂的交变载荷,其内部缺陷不断形成、累积和发展,并导致材料性能逐渐劣化和损伤,需要及时维修。由于风电场一般地处偏远,甚至位于条件恶劣的海上,风电机组又位于高达数十米甚至百余米的塔架上,通常需要依靠大型吊车或吊船、直升机等大型的工程设施才能进行机械部件的维修,这些工程设施的租价昂贵,每天动辄数十万元,导致风电场维修费用居高不下。
目前,风电场实际采用较多的是定期维修与事后维修两种方式。定期维修是以时间为标准的定期维修,常见的维修周期有半年、一年、三年或五年。这种维修方式不考虑设备现实状态,可能造成在设备尚未到达故障或缺陷阈值时,就停机进行检修或者更换部件,造成浪费。事后维修一般是在设备发生故障后进行维修,一般用在预防性维修效果不好,故障带来的损失不大的场合。然而风电机组故障停机会带来的较大的维修支出和较大的发电损失,应尽量避免。
近年来,风电场机会维修研究不断深入。机会维修是指***中某个或某些部件出现故障或者需要进行定期维修时,其他部件的可靠性如果低于事先给定的控制限,那么这些部件将一起进行维修或者更换。
而现有风电场机会维修策略中,一般将机组部件可靠性作为选取参与维修对象的主要依据。当前,机组部件可靠性度量方面,一般通过多种假设,将机组部件可靠性简化为时间的函数,而不考虑风电机组有功功率、风电场风况等因素的作用。而事实上,国内外研究表明,对风电机组机械部件而言,其性能退化和故障,主要由机组的疲劳损伤引起,对确定的机组,一般而言,机组出力越大,其疲劳损伤越大,风电场紊流越大,其疲劳损伤也越大。另外一方面,风电机组能对某些故障容错运行,即使部件可靠性降低到一定程度,其维修紧迫性也并不突出。因此,需要一种更好的风电场维修部件选取方法。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供一种能综合风电机组有功功率、风电场风况等因素,度量机组各机械部件的可靠性,进而根据各部件发生可容忍故障、不可容忍故障的概率,综合表达维修紧迫性,据此,结合维修容量,选取参与维修的机械部件的方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤:
1)、根据风电场各风电机组额定功率、历史有功功率、历史风速信息,各机组机械部件使用寿命、历史维修数据,计算各台机组各个机械部件的可靠性系数
其中,Bj,k(t)是机组j的机械部件k在t时刻的平均损伤当量,是机组j在τ时刻的有功功率,是机组j的额定功率,是机组j的机械部件k的使用寿命标称值,tj,k是机组j的机械部件k的更换时间,是机组j在τ时刻的有效紊流强度,Ddis是紊流损伤当量系数,是机组j的机械部件k更换后第m次维修产生的损伤补偿,具体取值由每次维修操作的重要性决定,按经验取值,Iref是机组轮毂高度处风速为15m/s时的紊流强度基准值,vj(t)是风电机组j风速传感器t时刻测量到的风速,Sj是风电机组j的叶轮扫风面积,是t时刻机组j的上风向机组中,离机组j最近的机组f的推力系数;
2)、根据机组各机械部件使用寿命内发生可容忍故障、不可容忍故障的概率,结合各部件可靠性系数,确定各台机组各个部件维修的紧迫性;
①按下式估算各台机组各个部件t时刻发生可容忍故障、不可容忍故障的概率:
其中,Lj,k(t)表示t时刻机组j部件k发生不可容忍故障概率,Mj,k(t)表示t时刻机组j部件k发生可容忍故障概率,αk是部件k在整个寿命周期内发生不可容忍故障的概率,βk是部件k在整个寿命周期内发生可容忍故障的概率;
②按下式计算t时刻第j台机组部件k的维修紧迫性Yj,k(t):
Yj,k(t)=ηLj,k(t)+(1-η)Mj,k(t),(0≤η≤1)
其中,η表示不可容忍故障的优先权重,η取值在[0,1]之间,用1-η表示可容忍故障的优先权重,其默认值取0.7;
3)、本次维修容量减去既定维修量,形成本次维修容量裕量,根据该裕量,按维修紧迫性从大到小顺序确定维修对象;
①按下式计算本次维修容量裕量Rm:
Rm=RC-Rf
其中,RC是本次维修容量,Rf是本次既定维修量,是指风电场机会维修策略下,必须处理的已发故障或必须进行的定期维修引起的维修量;
②令t为当前时刻,将Yj,k(t)值从大到小排列,选出Yj,k(t)超过阈值的机械部件;
③如果步骤②选出的部件维修量之和小于本次维修容量裕量Rm,则步骤②选出的部件均参与本次维修;如果步骤②选出的部件维修量之和大于本次维修容量裕量Rm,则按Yj,k(t)从大到小顺序选定部件参与本次维修,直到用尽本次维修容量裕量。
本发明的有益效果是:本发明在风电场某个或某些部件出现故障或者进行定期维修时,捎带进行其他部件的维修。捎带维修的机械部件,优先将维修紧迫性高的多个部件的维修活动一起进行,分摊***拆装、调试等高额固定维修费用,并降低风电场维修次数,从总体上降低风电场维修成本。
附图说明
图1表示本发明的流程图。
具体实施方式
如图1所示,机组机械部件的维修紧迫性与机械部件当前的可靠性系数有关,机械部件当前的可靠性系数又由各机组额定功率、各机组历史有功功率数据、各机组历史风速数据、各机组机械部件使用寿命和各机组历史维修数据决定,这些值又与疲劳损伤有关。
疲劳损伤是机组机械部件损伤的主要原因。根据疲劳的线性累积理论,疲劳损伤可以按其来源进行线性累加。风电机组机械部件疲劳损伤的来源可以分成两个部分,第一部分,源于机组发电相关的空气动力、重力、摩擦、动平衡等引起的应力应变等,称为工作损伤,机组输出的有功功率越大,工作损伤越大;第二部分,源于机组紊流有关的空气动力和空气弹性力导致引起的应力应变,称为紊流损伤,紊流强度越大,紊流损伤越大。另外,维修操作可以补偿机组的疲劳损伤。按照疲劳线性累积理论,计算总疲劳损伤时,忽略各种疲劳源之间的耦合作用。由此,可用式(1)估算风电机组机械部件的平均损伤当量:
其中,Bj,k(t)是机组j的机械部件k在t时刻的平均损伤当量;是机组j在τ时刻的有功功率;是机组j的额定功率;是机组j的机械部件k的使用寿命标称值;tj,k是机组j的机械部件k的更换时间;是机组j在τ时刻的有效紊流强度;Ddis是紊流损伤当量系数;是机组j的机械部件k更换后第m次维修产生的损伤补偿,具体取值由每次维修操作的重要性决定,按经验取值。
式(1)右边第一部分分母是在额定功率作用下,部件标称使用寿命内形成的工作损伤当量,也就是部件最大工作疲劳损伤当量;分子表示在机组实际功率情况下,从部件更换开始到指定时间t,形成的工作损伤当量,也就是部件实际工作损伤当量。式(1)右边第一部分描述的是工作损伤对可靠性的影响。
式(1)右边第二部分分母表示,紊流强度为1的情况下,在部件标称使用寿命内形成的疲劳损伤当量;分子表示在机组紊流强度作用下,从部件更换开始到指定时间t,形成的紊流损伤当量。而Ddis表示紊流损伤折合成工作损伤的系数。式(1)右边第二部分描述紊流损伤对可靠性的影响。
式(1)右边第三部分描述机械部件更换以来,历次维修对损伤的补偿,表达非更换性维修对部件可靠性的补偿。
机组j的有效紊流强度由机组j处的环境紊流和尾流紊流共同决定,可按式(2)-(4)计算:
其中,Iref是机组轮毂高度处风速为15m/s时的紊流强度基准值;vj(t)是风电机组j风速传感器t时刻测量到的风速;Sj是风电机组j的叶轮扫风面积;是t时刻机组j的上风向机组中,离机组j最近的机组f的推力系数。
一般而言,式(1)右边第二部分的值不超过第一部分的值。而式(1)右边第一部分的最大值为1,因此,式(1)右边最大值为2。机组j部件k在t时刻不可靠的平均概率为可按式(5)计算机组j部件k在t时刻的可靠性系数
根据式(1)和式(5),可知,机组j部件k在t时刻的可靠性系数为:
参考图1,本发明基于机会维修策略的风电场维修部件选取方法,选取步骤如下:
1.计算风电场各机组各机械部件的可靠性系数。
根据式(1)-(6)计算各机组各机械部件的归一化可靠性系数。各参数可按如下方式取得:
风电场普遍具有监控***(SCADA***),可从中取得式(1)-(5)计算所需要的历史有功功率(对应),机组额定功率(对应),风电机组风速(对应vj(t))。另外,机组的推力系数(对应)可根据监控***中,风电场的布局和机组运行状态确定,即机组j的上风向机组中,离机组j最近的机组f的推力系数,机组f并网发电时可取值0.8,如果机组j处于风电场边沿,无上风向机组或者机组f停机,则令取值0。
机组叶轮扫风面积(对应Sj)可由机组叶轮半径计算得到,如果叶轮半径是r,则叶轮扫风面积为πr2,机组叶轮半径在出厂时确定。
由风电场地理位置可确定式(1)-(6)计算所需要的Ddis,Iref;Ddis一般可取值0.7;Iref取值与风电场地形地貌有关,山地风电场一般取0.16,平坦地形风电场和海上风电场一般取0.12,地形起伏不大的风电场,一般取值0.14。
部件更换时间(对应tj,k)、更换的部件的使用寿命(对应)、非更换性维修操作时间和次数可由风电场运行维修管理记录获取。非更换性维修操作产生的损伤补偿值(对应)可按经验取得。
2.根据机组各机械部件使用寿命内发生可容忍故障、不可容忍故障的概率,结合各部件可靠性系数,确定各台机组各个部件维修的紧迫性。
可容忍故障是指,发生该类故障后,机组可以带故障运行,继续发电;不可容忍故障是指,发生该类故障后,机组不能继续运行,需要停机待修。按以下步骤计算各个部件维修的紧迫性:
1)按式(7)估算各台机组各个部件t时刻发生可容忍故障、不可容忍故障的概率:
其中,Lj,k(t)表示t时刻机组j部件k发生不可容忍故障概率;Mj,k(t)表示t时刻机组j部件k发生可容忍故障概率;αk是部件k在整个寿命周期内发生不可容忍故障的概率;βk是部件k在整个寿命周期内发生可容忍故障的概率;
2)按式(8)计算t时刻第j台机组部件k的维修紧迫性Yj,k(t):
Yj,k(t)=ηLj,k(t)+(1-η)Mj,k(t),(0≤η≤1) (8)
其中,η表示不可容忍故障的优先权重,η取值在[0,1]之间,用1-η表示可容忍故障的优先权重;η可根据用户需要设定,η越大,则越优先不可容忍故障部件的维修,用户未特别设定时,其默认值取0.7。
3.根据本次维修容量,按维修紧迫性从大到小顺序确定维修对象。具体操作步骤如下:
1)按式(9)计算本次维修容量裕量Rm:
Rm=RC-Rf (9)
其中,RC是本次维修容量;Rf是本次既定维修量,是指风电场机会维修策略下,必须处理的已发故障或必须进行的定期维修引起的维修量。
2)令t为当前时刻,将Yj,k(t)值从大到小排列,选出Yj,k(t)超过阈值(典型值0.7)的机械部件;
3)如果步骤2)选出的部件维修量之和小于本次维修容量裕量Rm,则步骤2)选出的部件均参与本次维修;如果步骤2)选出的部件维修量之和大于本次维修容量裕量Rm,则按Yj,k(t)从大到小顺序选定部件参与本次维修,直到用尽本次维修容量裕量。
本发明所述方法,在风电场某个或某些部件出现故障或者进行定期维修时,捎带进行其他部件的维修。捎带维修的机械部件,优先将维修紧迫性高的多个部件的维修活动一起进行,分摊***拆装、调试等高额固定维修费用,并降低风电场维修次数,从总体上降低风电场维修成本。
Claims (1)
1.基于机会维修策略的风电场维修部件选取方法,其特征在于,选取步骤如下:
1)、根据风电场各风电机组额定功率、历史有功功率、历史风速信息,各机组机械部件使用寿命、历史维修数据,计算各台机组各个机械部件的可靠性系数
其中,Bj,k(t)是机组j的机械部件k在t时刻的平均损伤当量,是机组j在τ时刻的有功功率,是机组j的额定功率,是机组j的机械部件k的使用寿命标称值,tj,k是机组j的机械部件k的更换时间,是机组j在τ时刻的有效紊流强度,Ddis是紊流损伤当量系数,是机组j的机械部件k更换后第m次维修产生的损伤补偿,具体取值由每次维修操作的重要性决定,按经验取值,Iref是机组轮毂高度处风速为15m/s时的紊流强度基准值,vj(t)是风电机组j风速传感器t时刻测量到的风速,Sj是风电机组j的叶轮扫风面积,是t时刻机组j的上风向机组中,离机组j最近的机组f的推力系数;表示环境紊流;表示尾流紊流;
2)、根据机组各机械部件使用寿命内发生可容忍故障、不可容忍故障的概率,结合各部件可靠性系数,确定各台机组各个部件维修的紧迫性;
①按下式估算各台机组各个部件t时刻发生可容忍故障、不可容忍故障的概率:
其中,Lj,k(t)表示t时刻机组j部件k发生不可容忍故障概率,Mj,k(t)表示t时刻机组j部件k发生可容忍故障概率,αk是部件k在整个寿命周期内发生不可容忍故障的概率,βk是部件k在整个寿命周期内发生可容忍故障的概率;
②按下式计算t时刻第j台机组部件k的维修紧迫性Yj,k(t):
Yj,k(t)=ηLj,k(t)+(1-η)Mj,k(t),(0≤η≤1)
其中,η表示不可容忍故障的优先权重,η取值在[0,1]之间,用1-η表示可容忍故障的优先权重,η默认值取0.7;
3)、本次维修容量减去既定维修量,形成本次维修容量裕量,根据该裕量,按维修紧迫性从大到小顺序确定维修对象;
①按下式计算本次维修容量裕量Rm:
Rm=RC-Rf
其中,RC是本次维修容量,Rf是本次既定维修量,是指风电场机会维修策略下,必须处理的已发故障或必须进行的定期维修引起的维修量;
②令t为当前时刻,将Yj,k(t)值从大到小排列,选出Yj,k(t)超过阈值的机械部件;
③如果步骤②选出的部件维修量之和小于本次维修容量裕量Rm,则步骤②选出的部件均参与本次维修;如果步骤②选出的部件维修量之和大于本次维修容量裕量Rm,则按Yj,k(t)从大到小顺序选定部件参与本次维修,直到用尽本次维修容量裕量。
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Legal Events
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---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
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