當今絕大多數(shù)風電項目在開發(fā)之時，會以成本為焦點，但運行和維護（O&M）成本在很大程度上還是未知。而如今，已有數(shù)百種汽機型號正在運行之中，有時竟然并存于同一個現(xiàn)場，這導致運行維護復雜倍數(shù)級放大，所以，至關重要的在于掌握常見故障模式，并知道如何處理好這些故障。
在過去這幾年間，風力發(fā)電項目已經(jīng)成為北美大地上和公用事業(yè)公司基礎設施當中的亮眼景色。盡管風電項目會給電網(wǎng)帶來變化不定的發(fā)電負荷，風電已經(jīng)證明了自己將成為廉價能源供應的可靠貢獻者。
新發(fā)電行業(yè)的形成
第1座風電廠于20世紀80年代在加利福尼亞安裝，但直至1999年，風電行業(yè)才達到2000MW的門檻。大約就在那個時候，第一項州級可更新能源資產(chǎn)標準（RPS）得到通過，引發(fā)了爆發(fā)性的成長。聯(lián)邦生產(chǎn)稅收抵免（PTC）和州RPS的組合自1999年以來促進本行業(yè)成長了25倍。2012年間，美國風電行業(yè)裝機量已經(jīng)超過13000MW，2014～2015年內(nèi)也有類似裝機量正在建設，這些項目在設計上旨在利用2013年的PTC延期。
當然，目前尚不知道未來聯(lián)邦和州政府對于成長的鼓勵將發(fā)生什么改變，但是仍然有很多成長市場可從風電這種低成本能源獲益，特別是風電可以在分布式部署的基礎上，靠近那些位于西北部和墨西哥灣沿岸地區(qū)的大規(guī)模電力用戶。
美國國會在1992年選擇將生產(chǎn)稅收抵免方案作為鼓勵此項新技術發(fā)展的最佳方式，同時避免了給消費者造成成本上漲。自那之后，風電行業(yè)隨著生產(chǎn)稅收抵免（PTC）的期滿以及重新批準像過山車一般大起大落著，而這種情況一直都是投資新制造設施的負擔之一，因為這種繁榮與蕭條的循環(huán)變化對這些制造設施有毀滅性的作用。
所有以上介紹從維護規(guī)劃的角度來說似乎有點遙遠，但是理解那些針對風電項目做出的決策將有助于解釋，為什么O&M（圖1）是如此的至關重要，并且經(jīng)常是本行業(yè)當中資金不足的部門。為了構建一個能夠為投資者提供合理回報的風電項目，項目的財務模型必須經(jīng)過仔細的研究和構造，并且提供能滿足規(guī)格的成本最低的設備，這樣做表面看來正是正確的做法。
為了推高這些財務效率，汽機制造商開發(fā)了低成本、輕重量并且仍達到高功率輸出比的設備。制造商從設計一開始就盡最大努力達到功率與重量比的最佳組合點。這種做法對于絕大多數(shù)部件都是有效的，但是還有一些問題留給了維護團隊來解決。其他渦輪機部件也受到了影響，特別是用在絕大多數(shù)傳統(tǒng)設計方案當中的齒輪箱。
風力渦輪機與部件使用壽命
對于復雜的設備來說，“使用壽命預期”的真正含義是什么？絕大多數(shù)風電項目均以20年模型為基礎展開財務預測，而風力渦輪機基于標準IEC61640-1所定義的風載荷來達到或超出20年的預期。這并不意味著每一個部件都能在20年內(nèi)可靠工作而不需要再進行維護、修理或更換，而汽機30年的設計使用壽命意味著任何部件都不需要更換。通過采用正確的實施維護方法以及優(yōu)秀的運行團隊，就能夠在風力渦輪機使用壽命內(nèi)達到可靠和贏利的生產(chǎn)，并且使用壽命非常有可能遠超過20年。
為了達到20年的預期使用壽命，絕大多數(shù)努力都集中在主要部件上。主軸通常是體積非常大的鍛造件，在運行數(shù)年之后，主軸承效率會變得較為常見。齒輪箱是成本最高且容易出問題的部件，而且有些故障確實與設計和制造問題有關，并在所有風電設施當中都存在。
風力渦輪機原始設備制造商（OEM）在開發(fā)更新型、更大型設計方案方面正在大跨步地前進著。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，故障仍然過多，特別是涉及到維護方面，但是隨著故障模式得到更好的理解，將會有更可靠的設備制造出來。根據(jù)對傳統(tǒng)工業(yè)和公用事業(yè)公司應用的研究，超過100kW功率的電動機和發(fā)電機在經(jīng)驗上曾有運行25～38年的歷史，所以對于風力渦輪發(fā)電機來說，至少20年的使用壽命看起來是一個合理的目標。
風力發(fā)電機故障模式
理解了常見故障模式以及可以怎樣做以延長發(fā)電機使用壽命對于提供項目業(yè)主所需要的可靠性有著至關重要的意義。在風力渦輪機上采用的絕大多數(shù)發(fā)電機設計均在歐洲構思并經(jīng)常在歐洲制造，反映了其具有歷史的材質(zhì)和工藝。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了若干種常見故障模式，其中許多模式都可以追溯至可以識別的根本原因。但是，具體故障仍然較難識別，因為微小故障有可能導致與根本原因沒有直接關系的災難性電氣故障。
繞線轉(zhuǎn)子絕緣損壞最常見的是支撐材料故障。另一種常見故障模式是電氣故障，電氣故障有可能與相同的機械性弱點及由其導致的振動和磨損有關。轉(zhuǎn)子引線用于輸送來自集電環(huán)的勵磁電流至繞組，并且轉(zhuǎn)子所發(fā)出的任何電力均以相同方式回輸。如果軸承故障或者發(fā)生振動，而且當任一端的電氣連接不良或支撐結構有問題時，當然引線會承受高熱。軸承故障是造成發(fā)電機停運時間的一項很大原因，并且大概也是最容易防范的故障。正確潤滑、對中、狀況監(jiān)測以及對感應軸電流的有效管理都是延長軸承使用壽命的關鍵。絕大多數(shù)發(fā)電機確實在軸承上安裝了溫度監(jiān)測裝置，但在有足夠熱量導致傳感器脫扣之前，有可能已經(jīng)造成大量損壞。
定子繞組絕緣故障也可以分成多個類別，可是絕大多數(shù)都可歸入正常工業(yè)故障模式當中，但磁鐵楔塊脫落是個例外。2008年內(nèi)以及自2008年起安裝的絕大多數(shù)更新型和更大型的渦輪機都采用了更大型、更堅固的發(fā)電機（2MW以上），并采用了多孔式云母絕緣定子線圈，以及設計良好的機械部件。
根據(jù)Shermco公司自2005年以來修理過的超2000臺發(fā)電機，由此編制了一些統(tǒng)計數(shù)據(jù)，嘗試著定量各種故障模式的發(fā)生頻率。此項統(tǒng)計不以任何方式指示整體故障率；反而，這是一種嘗試查明故障發(fā)生直接原因的動力。將這些故障類型與通用工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)相比表明，這些故障實際上非常相似，軸承故障也是最嚴重的問題（圖2）。
維護工作的作用
清潔度和潤滑這些關鍵要素是所有行業(yè)的標準規(guī)范，但是它們對偏遠地區(qū)應用特別關鍵，因為快速響應能力受限，并且災難性故障的代價非常高昂。
絕大多數(shù)渦輪機和發(fā)電機制造商都就維護間隔給出了建議，但是這些建議可能并不充分，而且取決于設計和地點。在初始安裝機艙后總是應當也對對中進行確認，即使對中工作已經(jīng)在工廠正確執(zhí)行過。
在風電項目的開始階段，運行維護預算經(jīng)常被低估，而且在保持成本最低方面存在著很大壓力，而且不會對長期可靠性做出仔細考慮。
目前，基于條件監(jiān)測的拓展使用以及基于計算機的維護管理系統(tǒng)正在變得更為流行，并正在以預防性和主動性維護計劃替換那些曾經(jīng)普遍采用的運行直至故障發(fā)生的戰(zhàn)略。容易出問題的渦輪機型號經(jīng)常通過與渦輪機OEM簽訂了長期維護合同來進行管理，將主要部件的風險轉(zhuǎn)移至最低成本的資源外包。
整體風電項目維護已經(jīng)應用過許多商業(yè)模型。正如許多公用事業(yè)公司裝置一樣，有些項目業(yè)主想要自己完成所有工作，而其他業(yè)主則想要將風險轉(zhuǎn)移給OEM或第三方運行管理集團。經(jīng)常出現(xiàn)的情形是，業(yè)主負責管理高壓系統(tǒng)和電網(wǎng)互聯(lián)，并控制大型部件的修理或更換。無論哪一方面負責，維護策略都應當是透明的，并且包括一個用于控制更換部件和再制造部件質(zhì)量的良好流程（圖3）。
做好妥善準備
在制訂風電項目維護計劃時需要解決的維護問題實際上與任何其他大型發(fā)電廠或工業(yè)設施相同。盡管有多種構建風險的方法，但會有總協(xié)議規(guī)定了你在什么樣的可靠性條件下允許在風力正常時追求項目的最大利潤率。
根據(jù)一項來自美國國家可更新能源實驗室的2013年調(diào)查，總平均年度風電項目運行維護成本為45美元/kW。以估計2%～3%的發(fā)電機故障率計，這代表著不足總成本的5%，比例雖小，卻仍很重要。但是，計劃外停機有可能以高得多的成本影響著生產(chǎn)。如果正如針對某些設計曾經(jīng)估算過的，在渦輪機20年的設計使用壽命期內(nèi)，需要對每一臺發(fā)電機進行一次更換的話，那么成本就會非常高。
作為項目發(fā)展流程的一部分，現(xiàn)實性地規(guī)劃維護策略就有可能從長期看避免許多煩惱。在合同階段與渦輪機制造商談妥運行和可靠性數(shù)據(jù)分享也是這個流程的一個關鍵步驟。
當然，理解設備預期性能很有好處，但是獲得曾進行修理的維護記錄以及質(zhì)保期內(nèi)根本原因故障的記錄，將對未來維護計劃帶來方便。在絕大多數(shù)風力渦輪機當中，發(fā)電機和相關電子設備由特殊OEM制造，而不由渦輪機制造商自行制造，所以不可避免地對各種問題存在著多份質(zhì)保證書和多種可選方案。也可以就超出質(zhì)保期后的方案達成協(xié)議，并對所考慮的每一種渦輪機設計方案編制成本。
了解清楚發(fā)電機型號及其相關維修歷史，了解哪些部件可能損壞以及為什么損壞，這就是渦輪機制訂維護計劃的關鍵。渦輪機的OEM和發(fā)電機制造商都能夠幫助實現(xiàn)這一目標，但是不要忘記維護好伙伴之間的關系。
