风力发电设备分析研究开发专业技术序.docx
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风力发电设备分析研究开发专业技术序
风机在线监测系统
研发工程计划书
1.序
2.风力发电的现状
3.风力发电的问题
4.开发工程
5.研发现状
6.研发内容
7.成果
8.研发体系
9.研发工程
10.研发预算
11.未来构想
12.事业规划
1.序
全球的环境问题日益严重,为此新能源的利用日渐增长。
其中,风电是利用风力能源转化为电能的一种发电方式,目前为止主要在欧洲得到了一定的应用。
随着全球能源结构的不断向新能源领域倾斜,风力发电的规模在全球范围内得到了迅速的发展。
据最新的调查结果1全世界风里发电市场到2018年将会达到14兆日元、到2020年将会达到24兆日元。
风机的装机容量虽然还以欧洲为主,但是亚太地区也会有飞速的增长。
特别是像一些风力资源丰富,国土面积比较大的国家,还有很大的开发余地。
虽然在CO2排放和环境污染方面风力发电有着巨大的优势,但是由于风力状况,落雷,暴风雨等自然条件的影响,风力发电一般都设置与较为偏僻和第西鞥较为复杂的地区。
由于日常的检修维护十分复杂,故障频发,造成了运营率不高的现状。
在风机设备中大量的使用了轴承和齿轮等零部件设备,如果能及时监测类似旋转设备的异常状况,并能及时加以修理,将会大大降低故障率并能降低检修成本。
另外,通过监视风机设置场所的风力状况,可以根据风向及时调整风车的方向和叶片的角度,提高运行效率。
本计划书就是基于以上的观点,从设备利用率的提升和检修维护成本的降低出发,做了一份翔实的‘风力发电设备优化系统企划书’。
2.风力发电的现状
<1)设备容量与运行率
风力发电被认为是对环境不会造成污染,并且取之不尽的新能源发电之一,在近年的普及率得到很大的提高。
按照国家设备装机容量来看,欧美占据了大量的份额,但是近几年新兴国家取得了很大的增长。
尤其是中国已经超过日本,风机装机容量成为世界第8位,装机容量达到1,219MW。
根据预测,到2020年将会达到100,000MW,在世界中的份额也会超过15%。
<図-1、2)。
但是风力发电设备装机容量的提升,并没有带动运营率的提升。
像図―3中表示,发电设备的盈盈率作为维持在20%左右。
主要原因是风力变化和风机设备故障引起所致。
に
図-3 风力发电设备的设备利用率3)
<2)故障及事故事例
关于风机故障及事故的报告比较少,德国的新能源产业技术综合开发机构 根据相关报告,主要的故障内容作了以下介绍。 4 1)故障及事故发生数量 根据报告提供的数据,以下是做的基本的信息图表。 虽然故障在逐步减少,但是故障的发生率还是维持在10~15%的较高区间内。 表-1 调查的风机数量和故障次数 工程 2006年 2007年 2008年 2009年 风机数量 769 898 926 1025 故障次数 164 112 97 125 故障频率(%> 21.3 12.5 10.5 13.9 运行中的风机总数 924 1050 1050 1268 2)故障原因 故障的主要原因如表-2所示。 原因中的比例中自然现象和不明原因分别占据了1/3<34.5%、34.7%)。 自然现象虽然属于不可抗力,但不明原因的分析还是不够,今后的调查如果是通过状态监测进行分析的话,可以进一步解读故障原因和降低事故频率。 另外风车内故障占据1/4<26.5%),人为原因<主要是检修维护不到位)占据了3.4%。 由此可以断言通过进行运行状态的在线监测,可以降低故障的发生概率。 故障原因的统计结果如表-3所示。 自然现象虽然是不可抗拒的原因,但是由于长期遭受暴风,对流,和冰冻的侵袭,造成设备老化,并由此产生故障的可能性也是很大的。 为此,通过对运行中机器设备的监测,对机器设备的老化进程进行准确的把握,并及时对相关零部件进行维修和改进,可以延长设备寿命,降低故障发生的概率。 表-2故障原因<2006~2009) 故障原因 发生次数 所占比例<%) 自然现象 172 34.5 风车内故障 132 26.5 人为原因 17 3.4 系统故障 4 0.8 不明原因 173 34.7 总计 498 100.0 表-3 故障原因的具体分析<2006~2009) 故障原因 原因细节 发生次数 所占比例<%) 自然现象 暴风 26 5.2 落雷 123 24.7 乱流 10 2.0 冰冻 4 0.8 其他 9 1.8 风车故障 设计不良 65 13.1 制造不良 54 10.8 施工不良 13 2.6 人为原因 检修不到位 17 3.4 系统故障 系统故障 4 0.8 不明原因 不明原因<含调查中原因) 173 34.7 合计 498 100.0 3)故障发生部位 故障部位的统计结果如表-4所示。 其中控制装置15.7%)、风向及风速测定仪器<11.3%)、叶片<10.6%)、电气设备<10.0%)、叶片螺距控制系统<9.8%)的发生概率比较高。 其产生的原因主要是由于自然原因所致。 另外旋转机械<轴承,齿轮)中经常用到的主軸轴承,变速箱,以及发电机的故障发生率也达到了9.9%。 为此,通过对运行中机器设备的监测可以明确故障产生的原因,降低故障产生的概率。 4)设置地点<地形) 由于风机所在的地形的不同,造成的的故障概率由表-5所表示。 设置地形中丘陵・山峰约占1/2<44.9%)、发生的次数也占到1/2<40.0%)。 沿海及岛屿占到了约沿1/2<45.2%),其中岛屿中也包含了离岛部分。 丘陵・山峰与岛屿中设置的风机占据了绝对多数,不能很好的进行检修维护是存在的一个重要的问题。 这些都可能直接造成故障的产生。 运行状态的集中管理,尤其是通过在控制室的远程监测,可以降低故障发生的概率。 表-4故障发生部位<2006~2009) 故障部位 发生次数 所占比例<%) 全部 5 0.8 叶片 63 10.6 叶片轮壳 4 0.7 空气制动 2 0.3 机械制动 8 1.4 叶片螺距控制 58 9.8 主轴轴承 9 1.5 变速箱 12 2.0 发电机 38 6.4 偏航控制装置 28 4.7 风向及风速计 67 11.3 控制装置 93 15.7 电气装置 59 10.0 油压装置 27 4.6 感知装置 22 3.7 基础系统 2 0.3 系统关联装置 12 2.0 其他 84 14.2 合计 593 100.0 表-5设置地形与故障产生的关联表<2009) 地形 设置数量 调查数量 故障次数 <台) 比例<%) <台) 比例<%) <台) 比例<%) 丘陵・山岳 569 44.9 508 49.6 50 40.0 内陆平地 126 9.9 73 7.1 16 12.8 沿岸・岛屿 573 45.2 444 43.3 59 47.2 合计 1268 100.0 1025 100.0 125 100.0 5)故障周期 根据表6的相关数据,在事故发生的时间在运转时间2~5年和5~10年的占据了大部分,一般在运转初期和末期容易产生事故発生(故障率曲线>。 如果将设计寿命设置为20年的话,一般在运装周期的末期容易产故障。 从设备的经济型考虑,也应该做大限度降低运行中的故障率。 为此可以灵活运用在线监测等有效的手段。 表-6运行期间故障概率<2009年) 运行时间 设置台数 调查台数 故障次数 <台) 比例<%) <台) 比例<%) <台) 比例<%) 1年未到 104 8.2 61 6.0 1 0.8 1~2年 159 12.5 144 14.0 9 7.2 2~5年 558 44.0 460 44.9 54 43.2 5~10年 408 32.2 330 32.2 59 47.2 10年以上 39 3.1 30 2.9 2 1.6 合计 1268 100.0 1025 100.0 125 100.0 6)故障停止时间 因故障造成的停止运转的时间如表-7所示。 其中1/4<26.7%)的风机在1周以内完成修理,继续运转。 但是1/3(32.1%>的风机停止了一个月以上。 造成长期停运的主要原因是自然现象,但是原因不明也占据了很大比例,同托对这些不明原因的解读,可以缩短运行停止时间。 表-7因故障停止运行时间<2006~2009) 停止时间 发生次数 比例<%) 3日~7日以内 133 26.7 7日~14日以内 94 18.9 14日~30日以内 111 22.3 30日~90日以内 92 18.4 90日以上 68 13.7 合计 498 100.0 另外根据在北海道设置的192台风机在2年间发生的240件的相关报告,其中偶发原因<落雷意外: 116件48.3%)和设备老化磨损<54件<23%))占据了大部分。 为此,通过状态监测也可以最大限度降低事故发生的概率。 在具体的故障维修中,轴承8件,齿轮3件,耦合5件。 从中可以看出状态监测也可以降低故障发生的概率。 表-8故障原因 发生原因 件数 比率<%) 偶发原因<包含落雷) 159 66 落雷 <43) <18) 老化磨损 54 23 初期故障 21 9 其他 6 2 合计 240 100 <3)状态监测的效果 通过以上分析,一下总结了风机故障与状态监测的关系。 可以通过状态监测,来降低故障发生的概率。 1)由于风造成的故障主要是由于对流引起的轴承及齿轮受损。 这主要是由于对流天气造成主轴的推力负重及负重变化引起。 为此,在设计阶段就应该充分考虑到推力负重及负重变化情况,并通过对设备老化和磨损的评估,在配以在线监测等远程监测系统,可以将故障降低到最小程度。 2)发电机的故障为0.045件/<台・年),故障原因主要由于固定卷线绝缘层的损伤造成的接地及轴承损伤。 另外,对发电机进行冷却的风扇也是故障原因之一。 为此,随时监测旋转机器的轴承和风扇等主要设备的运行状况,及时排除故障,对提高运行效率有很大帮助。 3)加速机的故障率为0.022件/<台・年)。 小齿轮和轴承的事故较多。 为此,随时监测旋转机器的轴承和风扇等主要设备的运行状况,及时排除故障,对提高运行效率有很大帮助。 4)主轴轴承的故障较多,主要原因是转动面的磨损和脱落。 故障生成系统虽然还没有完全清晰。 为此通过对主轴轴承的运行监测,可以解读故障原因,防止事故的发生。 5)故障的存在是有持续性的,对新的故障进行数据收集和及时分析,以及及时排除,将会变得越来越重要。 在机器设备中对信息的收集和分析以及综合管理运用,可以降低故障发生的频率,提高运行的效率。 3 风力发电的课题 3.1 概述 风力发电中主要存在以下课题。 (1>发电成本过高 降低发电成本将是一个持久性的话题,通过降低设备故障发生的频率,可以提高设备的利用率。 另外通过最优化的检修,也可以提高设备运行效率。 为开发出高性能的风机,掌握风力状况和合理配置风机变得十分重要。 (2>风力发电功率稳定性差,在与电网连接时,会给电网系统在电压及周波等方面造成影响,影响配送电质量。 未解决这一难题,需要发电方和送电方共同努力。 (3>设置范围的扩大 为普及风力发电,应加大在海洋和山间的建设力度。 在山间由于地形复杂,需要建立起成熟的风力预测模式。 另外在海上建设风机,不仅要注意天气条件和海洋条件,还要将彼此的关联和对风力发电的影响作出准确的分析。 (4>强化与环境的协调 风车的造影,机鸟相撞的危害以及海洋生物的影响等,都是制约风力发电的负面因素。 要从技术上对次类与环境不适应的因素排除。 提高风力发电与环境的适应性。 本计划着力改善的工程 风力发电存在的主要课题及解决方法 主要课题 解决方法 (1>降低发电成本 降低设备费用 量产技术,规模化生产 降低建设成本 运送及安装技术的提高 风机部件的轻量化小型化 耐久性的提高 新材料的开发 降低运行及检修费用 提高监测系统 设计寿命预测及评估方法的精细化 增加发电量 提高设备运行率,防止故障产生 迅速检修提高运行效率 提高控制系系统技术 风力发电场的优化技术 低风速发电系统 高性能风机及部件的开发 (2>系统对策 電力の安定化 功率的稳定性问题 大规模集合式控制系统 高精度发电量预测技术 提高蓄电池性能 (3>扩大设置范围 山间地形 复杂地形风力预测系统 海洋 复合振动解读技术 气象・海洋预测仿真技术 海洋变电站 (4>环境协调性 控制风车噪音 低噪音风力发电系统 降低对生态环境的影响 鸟类及海洋生物监测系统 风力发电用的优化系统将会在第4部分《开发工程》和第6部分《开发内容》做一详细介绍。 通过对风机运行健全性,风力情况,和发电量的集中监测,灵活运用风机检修和发电管理的相关信息和技术,实现发电设备的最优化配置及管理。 风力发电中的重要课题有(1>发电成本的降低(2>系统一体化对策。 发电设备的最优化系统将为解决这些课题提出方案。 12.事业规划 本工程将以日本NEC株式会社和东京大学教授所在的公司为基础,在中国合作伙伴的协助下,逐步展开。 根据NEC的推算,本计划有很大的盈利空间。 1)中国现有35000台风机,本醒目提供的相关设备一台售价在570万日元左右,假设能在中国销售3500台的话,营业额将会达到200亿日元。 2)故障检测装置和功率优化装置的使用,将会提高5%的运行效率。 可以帮助电力公司每年提高138亿日元的收入。 200亿日元的投资在一年半就可以收回投资。 3)现在是以3500台作为基数进行的计算,如果数量提升的话,还可以提高营业额。 希望在3年内实现产品销售,技术主要依托于NEC技术和东大教授组所指导的IIU公司技术。 4)为此,希望融资规模3年间共计10亿日元。 利润回报将会与投资方协商。 暂定考虑在15亿到20亿之间。 利润回报时间在产品销售后5年到10年以内。 具体可以协商。 5)为实现上述目标,将会在中国成立合资公司。 以此为契机,可以将销售范围扩到到欧美和其他国家。
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