鉴衡认证杨洪源:解读风电可靠性标准 IEC61400-1:2019
作者:能见APP 2019/09/19 浏览:7774 企业

9月19日,由中国可再生能源学会风能专业委员会主办,中车株洲电力机车研究所有限公司承办,金风科技、远景能源、明阳智慧能源、海装风电、施耐德电气协办的“2019第三届中国风电设备质量与可靠性论坛”在株洲召开。

 

 

北京鉴衡认证中心风能事业部副总经理杨洪源出席大会并发表了题为《风电设备可靠性解读,IEC61400-1,2019标准的解读》的主旨演讲。以下为发言全文:

 

杨洪源:大家好,很高兴今天能够来参加这个可靠性的论坛,很高兴看到还是有很多人在关注风电可靠性的话题。我准备的PPT大概是4个部分,一个是简单说一下背景,我们现在风电机组发展的趋势,第二个是我们在风电可靠性做了哪些工作,一些进展情况。第三个是因为IEC61400-1,2019第四版是2019年2月份发布的,这里面的话有很多的修改内容,我们今天是可靠性的话题,所以它里面关于可靠性相关的,从控制到载荷到结构计算,都有一些修改。总的来说,都侧重于在结构设计这条线上,所以说我把结构设计和结构可靠性的一些背景情况也给大家做一个汇报。最后是把具体有哪些变化给大家做一个介绍。

 

第一部分是趋势,简单地说就是和今天的议题相关的话,有三个变化。一个是机组现在是大型化,从2018到2019年,现在从5兆瓦到现在的8兆瓦,甚至10兆瓦都在研发过程当中,国外有12兆瓦的机组。不是一个简单的放大,涉及到的一些相关问题就会更多,所以说对于这个的话,怎么样去把设计做得更细致,怎么样能够满足同样的可靠性水平下,完成我们的设计。第二个就是说机组的大型化,包括甚至在海上风电对于可靠性要求更高。第三个成本控制要求也是更高。在这样一些背景下可靠性的话题就更值得重视。

 

第二个是可靠性的研究进展,首先是刚才赵老师也提到了,可靠性和产品其他的一些性能的关系,其实我在这里想说的一个就是说,我们其实常说的风电的可靠性,其实是一个很宽的范围,包括我们说把可用率的指标作为可靠性的指标,实际上可用率和可靠性,维修性,保障性,测试性甚至管理方面的能力都是相关的。我们这儿说的话,通常来说可靠性是一个更广义的概念。但是我们在后面关于新标准的一个介绍的时候指的是在设计可靠性层面一个狭义的可靠性。

 

其实国外对于风电的可靠性也做了比较多的一些工作,我觉得主要是有几个特点,一个是比较早地开展了这样系统性的研究,就是在零几年的时间,甚至2000年左右对于安装机组比较全面地做可靠性数据的一些分析工作。第二个是他们会联合一块来做这个工作,因为其实可靠性一些数据收集需要大量的一些样本,所以说数据越多,发现的问题就会越多,就包括德国、丹麦、荷兰、美国、欧洲做的联合研究,通过这样一些研究也会发现一些很有意义的结论,比如说他们会去研究到底可靠性的差异是什么?研究风电设备和其他行业设备,它的可靠性水平怎么样?会得出一个结论,风电其实它的可靠性水平跟别的行业的可靠性水平其实是相当的。当然这些研究成果也是在国际能源所,有一个是针对风电可靠性和运行维护分析的,把这个结果也加里面,包括鉴衡也是有参加。国内也不是没有做这样的工作,2011年开始就做了一个全国风电的调研,鉴衡也是作为一个支持单位做了一些工作。

 

当时的产出包括发布每年的一个质量调研的报告,包括对于一些恶性事故,严重事故有共性的这样的一些问题,我们会发布一些事故犯错,很遗憾的是这个工作做得不是很好,现在数据做得越来越少,现在很难像以前一样发布一些行业数据。其实这个工作是很有意义的,比如说我们从之前做的结果来看,我们会去统计,就是各个零部件,它发生故障的比例,我们会发现叶片超过53%的故障原因都是由于生产故障产生的,这是一个关注的重点,也是一个改进的方向。

 

这一部分工作也不是说完全停止,其实这个工作一直在做,包括我们是基于这样一些调研结果我们也是在思考怎么样做一个系统评价,当时从四个维度提出来指标,包括发电性能,可利用率,可靠性,运维经济性,现在也是在编制相应的国家标准,前段时间刚开了一个启动会。

 

刚才是从宏观层面,可靠性的数据分析和整理方面来说,还有更多可靠性方面的工作在做,很多厂家也有专门的人做这方面工作,大概可以从几个方面。第一个是可靠性数据的收集和分析,这是一个基础,没有数据后面很多工作很难开展,现在的话虽然全国这样层面的一个数据比较困难,各个厂家都在收集这样的数据。第二个从这些数据,从一些私下案例来研究,研究一些经历,反过来指导可靠性设计,现在也是有很多在做这个工作。第三个保障可靠性的工艺和制造,现在这方面的投入也很大。第四个就是质量管理和检验,如何做验证,这个也是做了很多的工作。最后还有一个就是包括包装和运输,怎么来来保持产品的可靠性,产品中也出现很多的问题,由于运输不当引起的。最后一个怎么样通过正确使用维护修理来维持产品可靠性,这个现在做的工作更多了,后市场包括智能运维都是大家很关注的一些话题,也投入了很多的精力在做研究。

 

第三部分介绍一下结构设计和结构可靠性,新版的标准它的变化是比较大的。我们知道工程结构的设计它经历了几个阶段,一个是经验定值设计法,第二个是半经验概率定值设计法,还有第三个是概率定值法,目前都进入到概率定值法。风电不是独立于其他行业,很多设计理念也是从概率定值过来的,我们看到的是最终结果,背后有这样的一些考虑。然后结构设计的主要内容其实是有三部分,首先要知道载荷是什么样,理想程度什么样,怎么样来估计载荷的不确定性。第二个是我结构抗力,承载能力怎么样?也是具有一定的立场性,如何来估计?第三个就是设计方法,不管是云计算还是实验,都是出现偏差,如何来看设计方法的偏差,以及不同设计理念对于可靠性的一个影响。

 

我们主要关注是两个部分,一个是静强度,一个是疲劳强度。我们通过把载荷放大,把强度降低,这样方便大家做设计,包括行业数据做支撑很多时候很好用,当然了,如果说我的材料变了,结构形式变了,制造方法也变了,再用之前的方法可能不再适应。我们要按照概率统计的理论来做一个结构可靠性设计,现在关于静强这一块大概也整理了一下,关于风电和其他产品的一个静强度设计的安全系数的选举,对于一般的机械产品安全系数取得比较高,对于成本的压力,对于设计的精细程度没有那么高要求,但是对于飞机,或者载人空间站,它的材料控制,质量控制,设计方法更加精细,所以安全系数更低。我觉得风电是基于这两点之间,现在第四版是分解了,其实是介于这几个知道。第二个是疲劳的一个设计。疲劳设计也是经过了几个阶段,这里有必要介绍一下不同的设计理念,这样能够有利于后面对于安全的选取。比如像飞机结构通过试验做出来的寿命,除以4得出设计寿命,这样是足够饱受的,但是实际中能不能保障安全,我们在结构加工制造过程当中或多或少都有缺陷,我们在安全设计的时候假想是一个跟理想的产品,但是一旦有缺陷的设计,疲劳设计是不行的。我允许你失效,允许你开裂,但是你开裂以后还是要安全的,这种损伤在很小的范围。失效安全也是一个短暂的过渡阶段,里面主要的问题还是对于初始阶段没有进行充分考虑,允许你失效,失效以后有别的结构来承担。既然采取了失效安全对于检修的要求没有那么高,甚至很多不用检了,实际使用当中有很多问题,很多预想不到的缺陷出现了,第二个就是预想不到的,比如说我想到以为另外一个结构能够承担,但是它实际把另外一个也影响了,这样也没有一个很好的定期检查,就会导致结构最后很严重的一个失效,所以现在到了一个损伤容限的设计阶段。首先要强调它的一个初始缺陷,会定一个初始缺陷,通过一个寿命来估计检查周期,通常我们从裂纹发现到最后断裂,中间要经历两次检查,第一次检查漏检了,第二次可以检查出来,这样来保证机组一个设计的安全。当然延伸来说的话,我即便采用最先进的设计理念,是不是保证产品安全?其实也不是,这样的案例也有,包括有一些严重的制造缺陷,然后没有被发现,但是我们按照损伤逻辑的话,这样我可能很多都不检,最后导致早期失效。

 

我们这里说的结构可靠性的一个要求,就是我们怎么样来保证通过静强度,疲劳强度来看设计的话题。一个结构可靠性随着时间会衰减,但是我们其实要保证的是寿命最终截止的时候还具有一个可靠性水平。比如说风机是20年或者25年,他达到这个时间以后可靠性水平还是这么高,有时候会遇到这种问题。风机用了15年或者18年之后是不是允许出一些问题,或者允许它有失效,设计角度来说是不允许,设计20年,那么20年终止以后还有一个可靠性水平。第二个可靠性主要是包含静强度和疲劳两个方面。

 

时间关系,就简单地过一下。现在第四版里面有一个主要变化,明确了风机可靠性水平,按照统计的话,一般来说可能年失效概率是10的负3次方,如果到了10的负5次方大家可能不再担心,危险性是很小的了。我们是把它放到了红圈的位置,我们认为是中等的,如果要继续提高可靠性,投入是要增加的,主要考虑的话是一个风机,在设计的时候不太考虑延寿的情况,所以说我们现在,比如说很多延寿不是说设计的时候把预料留出来了,这样是不经济的。第二个认为风机上面不住人,一般失效主要是经济的影响。第三个我们认为发电成本很重要,我们还是要关注减重。从这个表里面我们可以看到年失效概率其实还是比较高的。

 

我们把不同产品,不同行业安全度的取值放在这里做一个比较,下面的这个就是说年失效概率比较低的,可以看到风机的年失效率是5×10的负4次方。最后是关于具体的一些可靠性的变化,首先是控制系统,第四版明确提出来要采用FMEA的方式来确定故障分析,并且对于风机的影响,这样一些典型的故障。包括要做独立失效,和共因失效的分析,包括故障排除,如果不考虑对于结构件有什么要求,比如说把构件等级提高。第三个对于故障模式重复周期,与载荷局部安全系数取值相关,最后要避免一个系统故障。

 

载荷计算的变化,一个就是引入失效和故障原因及失效回归周期进行分析,我通过2.2和2.4,我结合历史经验数据来定重现轴够是什么样,第二种是我可能没有那么多数据,设计上更精细,逻辑上的语言把故障发生可能性降低到很小,安全系数也会降低。这个是标准给出来的,如果说小于10年可能取1.35,如果大于50年,那么可以取1.1。我怎么来计算这个数据的问题,方法有相应的标准做参考,数据的收集需要大家提前做工作。

 

再一个载荷的变化,它提到了风轮方位角和偏航误差,这样也可以避免小概率事件。然求就是载荷局部安全系数,这个没有变化,第四版引入一个抗力局部安全系数,有一个名称上的改变,后续会说为什么要这么改。最后一个是失效后果局部安全系数第三版是极限和疲劳,对于风机结构破坏以后结果都是一样的,都是倒塔,第四版把这个进行了统一。

 

第三版和第四版的改变,第三版是Ym,第四版是YM,这两个方面不光是材料考虑,更多是结构抗力,它和几何参数,模型有关系,之前叫材料局部安全系数不准确,第四版改为抗力局部安全系数。再一个就是它有一个一定的可操作空间,我要按照附录K进行一个调整,这样保证一个可靠性水平和安全等级。比如说它对于一个挠度分析中抗力通常1.1,但是如果我有实验来保证弹性性能得到控制,那么可以得到更低,没有给出一个限值,我们算的可以到1.05。

 

这个是从极限和疲劳的变化,对于塔架屈曲变化不是很大,对于疲劳有一个变化,第四版是整个11.25,第三版是1.265。另外对于损伤容限设计,安全系数可以取为1.1,它比我们现在的方法要复杂得多,风电现在还没有用损伤容限设计,如果后续要关注的话可能要关注这样一些设计方法。

 

在附录K当中给出了一个自定义的设计方法,给出了相应计算的公式和要求,会考虑我抗力模型,比如我用仿真和实际结构有差异。模型的不确定性,怎么来考虑,需要大量仿真和测试,仿真和测试的结果做统计分析,看看到底偏差了多少?另外一个影响的就是材料不确定的一个局部安全系数,这个标准里面是给出了相应的参考值。这个表可以看到模型不确定的局部安全系数,对于模型的变形系数,如果代表性更好,集成度更高,那么这个值可以取得小一点。

 

最后简单总结一下,可能是三个方面,一个是可靠性话题的话需要长期积累和大家共同参与,特别是要做好基础工作,包括数据收集,故障的定义,通过大量的数据才可以得出有用的结论,支撑可靠性后续的工作。第二个从第四版变化可以看出来,对于设计人员提出更高要求,经验和历史数据变得很重要,通过逻辑上设计方式,能够使它有冗余,或者知道它是一个什么样的东西,可以把安全系数取更低一些,现在不同厂家做的不一样,后续很容易过度到可靠性的设计阶段,可以自己去控制,去改变这样的参数,很多厂家现在还没有做这样的工作,后续的话,这个差距就会逐渐地体现出来。

 

最后一个就是即便有好的设计,产品要保持高度可靠性的话还需要有好的制造和运维,目前统计发现来看,大部分跟这个相关,今天虽然讲了很多关于可靠性设计方面的问题,但是对于可靠性设计也是非常重要的。谢谢大家。

 

(标题为编者所加,文字未经发言嘉宾本人审阅。)

                   
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