9月19日，由中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會主辦，中車株洲電力機車研究所有限公司承辦，金風(fēng)科技、遠(yuǎn)景能源、明陽智慧能源、海裝風(fēng)電、施耐德電氣協(xié)辦的“2019第三屆中國風(fēng)電設(shè)備質(zhì)量與可靠性論壇”在株洲召開。
北京鑒衡認(rèn)證中心風(fēng)能事業(yè)部副總經(jīng)理楊洪源出席大會并發(fā)表了題為《風(fēng)電設(shè)備可靠性解讀，IEC61400-1,2019標(biāo)準(zhǔn)的解讀》的主旨演講。以下為發(fā)言全文：
楊洪源：大家好，很高興今天能夠來參加這個可靠性的論壇，很高興看到還是有很多人在關(guān)注風(fēng)電可靠性的話題。我準(zhǔn)備的PPT大概是4個部分，一個是簡單說一下背景，我們現(xiàn)在風(fēng)電機組發(fā)展的趨勢，第二個是我們在風(fēng)電可靠性做了哪些工作，一些進(jìn)展情況。第三個是因為IEC61400-1,2019第四版是2019年2月份發(fā)布的，這里面的話有很多的修改內(nèi)容，我們今天是可靠性的話題，所以它里面關(guān)于可靠性相關(guān)的，從控制到載荷到結(jié)構(gòu)計算，都有一些修改?？偟膩碚f，都側(cè)重于在結(jié)構(gòu)設(shè)計這條線上，所以說我把結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)可靠性的一些背景情況也給大家做一個匯報。最后是把具體有哪些變化給大家做一個介紹。
第一部分是趨勢，簡單地說就是和今天的議題相關(guān)的話，有三個變化。一個是機組現(xiàn)在是大型化，從2018到2019年，現(xiàn)在從5兆瓦到現(xiàn)在的8兆瓦，甚至10兆瓦都在研發(fā)過程當(dāng)中，國外有12兆瓦的機組。不是一個簡單的放大，涉及到的一些相關(guān)問題就會更多，所以說對于這個的話，怎么樣去把設(shè)計做得更細(xì)致，怎么樣能夠滿足同樣的可靠性水平下，完成我們的設(shè)計。第二個就是說機組的大型化，包括甚至在海上風(fēng)電對于可靠性要求更高。第三個成本控制要求也是更高。在這樣一些背景下可靠性的話題就更值得重視。
第二個是可靠性的研究進(jìn)展，首先是剛才趙老師也提到了，可靠性和產(chǎn)品其他的一些性能的關(guān)系，其實我在這里想說的一個就是說，我們其實常說的風(fēng)電的可靠性，其實是一個很寬的范圍，包括我們說把可用率的指標(biāo)作為可靠性的指標(biāo)，實際上可用率和可靠性，維修性，保障性，測試性甚至管理方面的能力都是相關(guān)的。我們這兒說的話，通常來說可靠性是一個更廣義的概念。但是我們在后面關(guān)于新標(biāo)準(zhǔn)的一個介紹的時候指的是在設(shè)計可靠性層面一個狹義的可靠性。
其實國外對于風(fēng)電的可靠性也做了比較多的一些工作，我覺得主要是有幾個特點，一個是比較早地開展了這樣系統(tǒng)性的研究，就是在零幾年的時間，甚至2000年左右對于安裝機組比較全面地做可靠性數(shù)據(jù)的一些分析工作。第二個是他們會聯(lián)合一塊來做這個工作，因為其實可靠性一些數(shù)據(jù)收集需要大量的一些樣本，所以說數(shù)據(jù)越多，發(fā)現(xiàn)的問題就會越多，就包括德國、丹麥、荷蘭、美國、歐洲做的聯(lián)合研究，通過這樣一些研究也會發(fā)現(xiàn)一些很有意義的結(jié)論，比如說他們會去研究到底可靠性的差異是什么？研究風(fēng)電設(shè)備和其他行業(yè)設(shè)備，它的可靠性水平怎么樣？會得出一個結(jié)論，風(fēng)電其實它的可靠性水平跟別的行業(yè)的可靠性水平其實是相當(dāng)?shù)?。?dāng)然這些研究成果也是在國際能源所，有一個是針對風(fēng)電可靠性和運行維護(hù)分析的，把這個結(jié)果也加里面，包括鑒衡也是有參加。國內(nèi)也不是沒有做這樣的工作，2011年開始就做了一個全國風(fēng)電的調(diào)研，鑒衡也是作為一個支持單位做了一些工作。
當(dāng)時的產(chǎn)出包括發(fā)布每年的一個質(zhì)量調(diào)研的報告，包括對于一些惡性事故，嚴(yán)重事故有共性的這樣的一些問題，我們會發(fā)布一些事故犯錯，很遺憾的是這個工作做得不是很好，現(xiàn)在數(shù)據(jù)做得越來越少，現(xiàn)在很難像以前一樣發(fā)布一些行業(yè)數(shù)據(jù)。其實這個工作是很有意義的，比如說我們從之前做的結(jié)果來看，我們會去統(tǒng)計，就是各個零部件，它發(fā)生故障的比例，我們會發(fā)現(xiàn)葉片超過53%的故障原因都是由于生產(chǎn)故障產(chǎn)生的，這是一個關(guān)注的重點，也是一個改進(jìn)的方向。
這一部分工作也不是說完全停止，其實這個工作一直在做，包括我們是基于這樣一些調(diào)研結(jié)果我們也是在思考怎么樣做一個系統(tǒng)評價，當(dāng)時從四個維度提出來指標(biāo)，包括發(fā)電性能，可利用率，可靠性，運維經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)在也是在編制相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，前段時間剛開了一個啟動會。
剛才是從宏觀層面，可靠性的數(shù)據(jù)分析和整理方面來說，還有更多可靠性方面的工作在做，很多廠家也有專門的人做這方面工作，大概可以從幾個方面。第一個是可靠性數(shù)據(jù)的收集和分析，這是一個基礎(chǔ)，沒有數(shù)據(jù)后面很多工作很難開展，現(xiàn)在的話雖然全國這樣層面的一個數(shù)據(jù)比較困難，各個廠家都在收集這樣的數(shù)據(jù)。第二個從這些數(shù)據(jù)，從一些私下案例來研究，研究一些經(jīng)歷，反過來指導(dǎo)可靠性設(shè)計，現(xiàn)在也是有很多在做這個工作。第三個保障可靠性的工藝和制造，現(xiàn)在這方面的投入也很大。第四個就是質(zhì)量管理和檢驗，如何做驗證，這個也是做了很多的工作。最后還有一個就是包括包裝和運輸，怎么來來保持產(chǎn)品的可靠性，產(chǎn)品中也出現(xiàn)很多的問題，由于運輸不當(dāng)引起的。最后一個怎么樣通過正確使用維護(hù)修理來維持產(chǎn)品可靠性，這個現(xiàn)在做的工作更多了，后市場包括智能運維都是大家很關(guān)注的一些話題，也投入了很多的精力在做研究。
第三部分介紹一下結(jié)構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)可靠性，新版的標(biāo)準(zhǔn)它的變化是比較大的。我們知道工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計它經(jīng)歷了幾個階段，一個是經(jīng)驗定值設(shè)計法，第二個是半經(jīng)驗概率定值設(shè)計法，還有第三個是概率定值法，目前都進(jìn)入到概率定值法。風(fēng)電不是獨立于其他行業(yè)，很多設(shè)計理念也是從概率定值過來的，我們看到的是最終結(jié)果，背后有這樣的一些考慮。然后結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要內(nèi)容其實是有三部分，首先要知道載荷是什么樣，理想程度什么樣，怎么樣來估計載荷的不確定性。第二個是我結(jié)構(gòu)抗力，承載能力怎么樣？也是具有一定的立場性，如何來估計？第三個就是設(shè)計方法，不管是云計算還是實驗，都是出現(xiàn)偏差，如何來看設(shè)計方法的偏差，以及不同設(shè)計理念對于可靠性的一個影響。
我們主要關(guān)注是兩個部分，一個是靜強度，一個是疲勞強度。我們通過把載荷放大，把強度降低，這樣方便大家做設(shè)計，包括行業(yè)數(shù)據(jù)做支撐很多時候很好用，當(dāng)然了，如果說我的材料變了，結(jié)構(gòu)形式變了，制造方法也變了，再用之前的方法可能不再適應(yīng)。我們要按照概率統(tǒng)計的理論來做一個結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計，現(xiàn)在關(guān)于靜強這一塊大概也整理了一下，關(guān)于風(fēng)電和其他產(chǎn)品的一個靜強度設(shè)計的安全系數(shù)的選舉，對于一般的機械產(chǎn)品安全系數(shù)取得比較高，對于成本的壓力，對于設(shè)計的精細(xì)程度沒有那么高要求，但是對于飛機，或者載人空間站，它的材料控制，質(zhì)量控制，設(shè)計方法更加精細(xì)，所以安全系數(shù)更低。我覺得風(fēng)電是基于這兩點之間，現(xiàn)在第四版是分解了，其實是介于這幾個知道。第二個是疲勞的一個設(shè)計。疲勞設(shè)計也是經(jīng)過了幾個階段，這里有必要介紹一下不同的設(shè)計理念，這樣能夠有利于后面對于安全的選取。比如像飛機結(jié)構(gòu)通過試驗做出來的壽命，除以4得出設(shè)計壽命，這樣是足夠飽受的，但是實際中能不能保障安全，我們在結(jié)構(gòu)加工制造過程當(dāng)中或多或少都有缺陷，我們在安全設(shè)計的時候假想是一個跟理想的產(chǎn)品，但是一旦有缺陷的設(shè)計，疲勞設(shè)計是不行的。我允許你失效，允許你開裂，但是你開裂以后還是要安全的，這種損傷在很小的范圍。失效安全也是一個短暫的過渡階段，里面主要的問題還是對于初始階段沒有進(jìn)行充分考慮，允許你失效，失效以后有別的結(jié)構(gòu)來承擔(dān)。既然采取了失效安全對于檢修的要求沒有那么高，甚至很多不用檢了，實際使用當(dāng)中有很多問題，很多預(yù)想不到的缺陷出現(xiàn)了，第二個就是預(yù)想不到的，比如說我想到以為另外一個結(jié)構(gòu)能夠承擔(dān)，但是它實際把另外一個也影響了，這樣也沒有一個很好的定期檢查，就會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)最后很嚴(yán)重的一個失效，所以現(xiàn)在到了一個損傷容限的設(shè)計階段。首先要強調(diào)它的一個初始缺陷，會定一個初始缺陷，通過一個壽命來估計檢查周期，通常我們從裂紋發(fā)現(xiàn)到最后斷裂，中間要經(jīng)歷兩次檢查，第一次檢查漏檢了，第二次可以檢查出來，這樣來保證機組一個設(shè)計的安全。當(dāng)然延伸來說的話，我即便采用最先進(jìn)的設(shè)計理念，是不是保證產(chǎn)品安全？其實也不是，這樣的案例也有，包括有一些嚴(yán)重的制造缺陷，然后沒有被發(fā)現(xiàn)，但是我們按照損傷邏輯的話，這樣我可能很多都不檢，最后導(dǎo)致早期失效。
我們這里說的結(jié)構(gòu)可靠性的一個要求，就是我們怎么樣來保證通過靜強度，疲勞強度來看設(shè)計的話題。一個結(jié)構(gòu)可靠性隨著時間會衰減，但是我們其實要保證的是壽命最終截止的時候還具有一個可靠性水平。比如說風(fēng)機是20年或者25年，他達(dá)到這個時間以后可靠性水平還是這么高，有時候會遇到這種問題。風(fēng)機用了15年或者18年之后是不是允許出一些問題，或者允許它有失效，設(shè)計角度來說是不允許，設(shè)計20年，那么20年終止以后還有一個可靠性水平。第二個可靠性主要是包含靜強度和疲勞兩個方面。
時間關(guān)系，就簡單地過一下?，F(xiàn)在第四版里面有一個主要變化，明確了風(fēng)機可靠性水平，按照統(tǒng)計的話，一般來說可能年失效概率是10的負(fù)3次方，如果到了10的負(fù)5次方大家可能不再擔(dān)心，危險性是很小的了。我們是把它放到了紅圈的位置，我們認(rèn)為是中等的，如果要繼續(xù)提高可靠性，投入是要增加的，主要考慮的話是一個風(fēng)機，在設(shè)計的時候不太考慮延壽的情況，所以說我們現(xiàn)在，比如說很多延壽不是說設(shè)計的時候把預(yù)料留出來了，這樣是不經(jīng)濟(jì)的。第二個認(rèn)為風(fēng)機上面不住人，一般失效主要是經(jīng)濟(jì)的影響。第三個我們認(rèn)為發(fā)電成本很重要，我們還是要關(guān)注減重。從這個表里面我們可以看到年失效概率其實還是比較高的。
我們把不同產(chǎn)品，不同行業(yè)安全度的取值放在這里做一個比較，下面的這個就是說年失效概率比較低的，可以看到風(fēng)機的年失效率是5×10的負(fù)4次方。最后是關(guān)于具體的一些可靠性的變化，首先是控制系統(tǒng)，第四版明確提出來要采用FMEA的方式來確定故障分析，并且對于風(fēng)機的影響，這樣一些典型的故障。包括要做獨立失效，和共因失效的分析，包括故障排除，如果不考慮對于結(jié)構(gòu)件有什么要求，比如說把構(gòu)件等級提高。第三個對于故障模式重復(fù)周期，與載荷局部安全系數(shù)取值相關(guān)，最后要避免一個系統(tǒng)故障。
載荷計算的變化，一個就是引入失效和故障原因及失效回歸周期進(jìn)行分析，我通過2.2和2.4，我結(jié)合歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù)來定重現(xiàn)軸夠是什么樣，第二種是我可能沒有那么多數(shù)據(jù)，設(shè)計上更精細(xì)，邏輯上的語言把故障發(fā)生可能性降低到很小，安全系數(shù)也會降低。這個是標(biāo)準(zhǔn)給出來的，如果說小于10年可能取1.35，如果大于50年，那么可以取1.1。我怎么來計算這個數(shù)據(jù)的問題，方法有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)做參考，數(shù)據(jù)的收集需要大家提前做工作。
再一個載荷的變化，它提到了風(fēng)輪方位角和偏航誤差，這樣也可以避免小概率事件。然求就是載荷局部安全系數(shù)，這個沒有變化，第四版引入一個抗力局部安全系數(shù)，有一個名稱上的改變，后續(xù)會說為什么要這么改。最后一個是失效后果局部安全系數(shù)第三版是極限和疲勞，對于風(fēng)機結(jié)構(gòu)破壞以后結(jié)果都是一樣的，都是倒塔，第四版把這個進(jìn)行了統(tǒng)一。
第三版和第四版的改變，第三版是Ym，第四版是YM，這兩個方面不光是材料考慮，更多是結(jié)構(gòu)抗力，它和幾何參數(shù)，模型有關(guān)系，之前叫材料局部安全系數(shù)不準(zhǔn)確，第四版改為抗力局部安全系數(shù)。再一個就是它有一個一定的可操作空間，我要按照附錄K進(jìn)行一個調(diào)整，這樣保證一個可靠性水平和安全等級。比如說它對于一個撓度分析中抗力通常1.1，但是如果我有實驗來保證彈性性能得到控制，那么可以得到更低，沒有給出一個限值，我們算的可以到1.05。
這個是從極限和疲勞的變化，對于塔架屈曲變化不是很大，對于疲勞有一個變化，第四版是整個11.25，第三版是1.265。另外對于損傷容限設(shè)計，安全系數(shù)可以取為1.1，它比我們現(xiàn)在的方法要復(fù)雜得多，風(fēng)電現(xiàn)在還沒有用損傷容限設(shè)計，如果后續(xù)要關(guān)注的話可能要關(guān)注這樣一些設(shè)計方法。
在附錄K當(dāng)中給出了一個自定義的設(shè)計方法，給出了相應(yīng)計算的公式和要求，會考慮我抗力模型，比如我用仿真和實際結(jié)構(gòu)有差異。模型的不確定性，怎么來考慮，需要大量仿真和測試，仿真和測試的結(jié)果做統(tǒng)計分析，看看到底偏差了多少？另外一個影響的就是材料不確定的一個局部安全系數(shù)，這個標(biāo)準(zhǔn)里面是給出了相應(yīng)的參考值。這個表可以看到模型不確定的局部安全系數(shù)，對于模型的變形系數(shù)，如果代表性更好，集成度更高，那么這個值可以取得小一點。
最后簡單總結(jié)一下，可能是三個方面，一個是可靠性話題的話需要長期積累和大家共同參與，特別是要做好基礎(chǔ)工作，包括數(shù)據(jù)收集，故障的定義，通過大量的數(shù)據(jù)才可以得出有用的結(jié)論，支撐可靠性后續(xù)的工作。第二個從第四版變化可以看出來，對于設(shè)計人員提出更高要求，經(jīng)驗和歷史數(shù)據(jù)變得很重要，通過邏輯上設(shè)計方式，能夠使它有冗余，或者知道它是一個什么樣的東西，可以把安全系數(shù)取更低一些，現(xiàn)在不同廠家做的不一樣，后續(xù)很容易過度到可靠性的設(shè)計階段，可以自己去控制，去改變這樣的參數(shù)，很多廠家現(xiàn)在還沒有做這樣的工作，后續(xù)的話，這個差距就會逐漸地體現(xiàn)出來。
最后一個就是即便有好的設(shè)計，產(chǎn)品要保持高度可靠性的話還需要有好的制造和運維，目前統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)來看，大部分跟這個相關(guān)，今天雖然講了很多關(guān)于可靠性設(shè)計方面的問題，但是對于可靠性設(shè)計也是非常重要的。謝謝大家。
（標(biāo)題為編者所加，文字未經(jīng)發(fā)言嘉賓本人審閱。）
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