多部件系统维修决策优化方法及其在风力机系统中的应用

摘要

化石能源的大量生产与使用是造成全球气候变暖、生态环境恶化的重要根源，严重威胁人类社会的可持续发展。此外，随着工业化进程的推进，传统的化石能源已经无法满足日益增长的能源需求。近年来，能源短缺、环境污染已经成为全球各国共同关注的问题。风能具有蕴藏量丰富、可以再生、分布广泛、污染小等优点，近几十年来，风力发电成为发展最快的新能源形式，装机容量持续、快速增加。
　　风力机是风电系统的核心单元，它常年工作在野外，环境恶劣。随着运行时间的增加，国产风力机开始暴露出故障频发、效率降低等问题，严重影响风电系统的安全和风电场的经济效益。合理的维修决策和维护计划不仅有利于提高风力机的可用度、减少停机时间，也可以有效降低风电场的运行维护费用。本文以多部件系统维修理论为基础，研究多部件、多风力机组成的风力机系统维修优化问题，论文的主要工作如下:
　　(1)风力机多部件系统动态机会维修优化问题研究。针对此类系统存在的维护困难、停机损失大等特点，采用役龄回退因子描述部件不完全维修效果，考虑预防性维修、最小维修和停机损失等维修成本，根据部件维修活动之间的经济相关性，以节省的总机会维修成本最大为目标，构建有限时间内多部件系统机会维修决策模型，并利用滚动窗口(rolling horizon)完成维修活动的动态调度。以某风力机齿轮箱、转子、发电机和轴承等四个关键部件的维修决策为例，完成案例研究。研究表明:该模型能够实现风力机维修活动的动态优化，有效地降低维修成本。
　　(2)风力机多机多部件系统状态维修优化问题研究。在等周期检测条件下，采取最小维修、预防性维修、事后维修等维修方式，在分析风力机各部件的维修成本函数的基础上，以风力机长期运行平均维护费用率最低为目标，基于更新过程建立风力机多部件维修优化模型。以主轴、齿轮箱、发电机组成的多部件系统为例，研究风力机系统的最优检测周期，分析模型参数对维修策略的影响，研究表明考虑部件之间的经济相关性可以节约更多的维修费用。
　　(3)风力机时间延迟维修模型（Delay-time Maintenance Model，DTMM）研究。通过收集国内某风电场多年的运行维修数据，分析国产风力机的故障规律，重点研究齿轮箱运行过程中的故障率变化特性。基于时间延迟维修模型理论，以风力机故障和维修记录为基础，考虑不完全检测，建立了风力机多部件维修优化模型。以叶片和齿轮箱为例，完成案例研究。结果表明:该模型可以根据风电场运行数据进行维修决策，实现维护成本的优化。
　　本文以风力机多部件系统为对象，从风力机多部件系统动态机会维修、状态维修和时间延迟维修等多个角度探讨了风力机多部件系统的维修优化问题，丰富了风电场的维修策略，可以指导风电场的运行与维护工作、提高风电场的经济效益。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 风电产业的历史及其发展现状

1．1．1 世界能源发展现状

1．1．2 风电发展的历史与现状

1．2 风力机的结构组成及运行维护研究现状分析

1．2．1 风力机系统的结构组成

1．2．2 风力机的运行维护研究现状

1．3 风力机系统维修研究综述

1．3．1 产品故障规律与维修

1．3．2 风力机维修的研究现状

1．3．3 多部件系统维修决策的研究现状

1．4 风力机维修存在的问题分析

1．5 本文的研究内容

第二章 基于滚动窗口方法的风力机动态机会维修优化

2．1 引言

2．2 单部件系统不完全维修模型

2．2．1 维修方式分类

2．2．2 部件的故障率分布函数

2．2．3 单部件维修平均费用模型

2．3 多部件动态维修优化

2．3．1 动态机会维修策略

2．3．2 多部件系统机会维修决策过程

2．3．3 系统停机条件下维修计划的动态更新

2．4 案例分析

2．4．1 风力机的维修计划制定

2．4．2 风力机维修计划的动态更新

2．5 本章小结

第三章 考虑经济相关性的风力机多部件系统状态维修优化

3．1 引言

3．2 考虑最小维修的多部件系统状态退化过程及维修决策

3．2．1 模型假设

3．2．2 更新过程理论

3．2．3 单部件状态维修的成本函数

3．2．4 多部件系统维修决策

3．3 案例分析

3．4 本章小结

第四章 基于现场数据的风力机故障分析与维修决策

4．1 引言

4．2 风电场故障数据分析

4．2．1 华能启东风电场概况

4．2．2 风电机组故障统计与分析

4．2．3 齿轮箱故障率曲线

4．3 风力机时间延迟维修模型

4．3．1 基本时间延迟维修模型

4．3．2 改进的风力机时间延迟维修模型

4．3．3 风力机多部件时间延迟模型

4．4 案例分析

4．4．1 求解最优维修周期

4．4．2 参数灵敏度分析

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文