基于FMEA法的风力发电机组故障模式分析

基于FMEA法的风力发电机组故障模式分析风力发电机是一种利用风能将其转换成电能的装置。由于其具有环保、可再生、节能等显著优点，近年来受到越来越广泛的关注，并已经在很多国家得到大规模应用。然而，风力发电机组在使用过程中也存在一些故障问题，这些故障会对其运行效率和安全性产生不良影响。因此，本文将采用FMEA法（失效模式与影响分析法）对风力发电机组的故障模式进行分析，旨在提高其可靠性、稳定性和安全性。

1.FMEA法概述

FMEA法是一种以预先评估失效途径、确定失效影响和采取预防措施为目标的系统分析方法，广泛用于故障防范、质量管理和安全工程等领域，是对产品和服务的可靠性、稳定性和安全性进行评估和改进的重要工具。FMEA法主要包括以下步骤：

（1）确定分析对象

（2）建立失效模式清单

（3）评估失效后果

（4）确定失效原因

（5）采用改进措施

本文采用的是基于FMEA法的风力发电机组故障模式分析。分析的对象是风力发电系统，通过列出系统内部各个元素的失效模式以及分析这些失效模式的影响和原因，最终提出相应的预防措施。

2.风力发电机组故障模式分析

2.1建立失效模式清单

失效模式清单是FMEA法中的第二步，是针对系统的各个元素进行的，主要是对系统中可能发生的失效模式进行清单，以便后续的故障模式分析和识别。风力发电系统的失效模式清单如下：

番号|二级失败模式|三级原因|四级效果

--|--|--|--

01|电缆老化|电缆过渡段过度磨损，细节处磨损光绪|电缆短路、火花

02|风轮叶片脱离|叶片材料变质、脆化；螺栓松动侵蚀，点蚀|机组飞车；降低输出功率

03|风轮叶片破裂|紫外线照射；叶片过热；龟裂等；叶片失重|机组飞车；降低输出功率

04|扭曲变形|可靠性差的结构和材料；因振动引起震动|机组飞车；降低输出功率；减少寿命；减少可靠性

05|近地层风速低|自然条件变化；地形影响等|减少停机时间；减少损失

06|机内元件接触不良|长时间运行后机内元件常常老化，接触不良|机组失效|

2.2评估失效后果

评估失效后果是FMEA法中的第三步，是对失效模式的影响进行评估，评估结果可以为后续的改进措施提供参考。针对风力发电系统的失效模式，评估结果如下：

番号|二级失败模式|三级原因|四级效果|风险指标RPN

--|--|--|--|--

01|电缆老化|电缆过渡段过度磨损，细节处磨损光绪|电缆短路、火花|210

02|风轮叶片脱离|叶片材料变质、脆化；螺栓松动侵蚀，点蚀|机组飞车；降低输出功率|240

03|风轮叶片破裂|紫外线照射；叶片过热；龟裂等；叶片失重|机组飞车；降低输出功率|270

04|扭曲变形|可靠性差的结构和材料；因振动引起震动|机组飞车；降低输出功率；减少寿命；减少可靠性|375

05|近地层风速低|自然条件变化；地形影响等|减少停机时间；减少损失|96

06|机内元件接触不良|长时间运行后机内元件常常老化，接触不良|机组失效|135

其中，风险指数RPN=失效模式清单中各项的“发生概率P”ד影响程度S”ד难度D”。

2.3确定失效原因

确定失效原因是FMEA法中的第四步，主要是为了找出失效模式的根本原因。在碰到高RPN值时需要考虑问题的重要性，而失效的根本原因则必须通盘考虑，以取得根本性的解决。针对风力发电系统的失效模式，确定失效原因如下：

番号|二级失败模式|三级原因|四级效果|风险指标RPN|原因

--|--|--|--|--|--

01|电缆老化|电缆过渡段过度磨损，细节处磨损光绪|电缆短路、火花|210|硬化而失去弹性；长时间的工作环境太热、太潮湿、温差过大以及负载过重的影响等

02|风轮叶片脱离|叶片材料变质、脆化；螺栓松动侵蚀，点蚀|机组飞车；降低输出功率|240|外部环境的风、雨、雪等天气状况、失衡的风轮、故障的电池及控制箱以及机组的金属疲劳、振动和磨损等等

03|风轮叶片破裂|紫外线照射；叶片过热；龟裂等；叶片失重|机组飞车；降低输出功率|270|外部环境的风、雨、雪等天气状况、失衡的风轮、故障的电池及控制箱以及机组的金属疲劳、振动和磨损等等

04|扭曲变形|可靠性差的结构和材料；因振动引起震动|机组飞车；降低输出功率；减少寿命；减少可靠性|375|设备本身的设计、制造和安装等的基础；能源、电网等的质量、变化以及其它技术要求等的要求

05|近地层风速低|自然条件变化；地形影响等|减少停机时间；减少损失|96|地形的转换、高低变化、地形曲线等等；自然影响、气象影响、环境影响等等

06|机内元件接触不良|长时间运行后机内元件常常老化，接触不良|机组失效|135|操作不当、环境影响、误操作、缺少预防等等

2.4采用改进措施

采用改进措施是FMEA法中的第五步，通过评价先前实行的措施能否解决故障，并根据评价结果提出新的解决措施。针对风力发电系统的失效模式，采用改进措施如下：

番号|二级失败模式|三级原因|四级效果|风险指标RPN|原因|改进措施

--|--|--|--|--|--|--

01|电缆老化|电缆过渡段过度磨损，细节处磨损光绪|电缆短路、火花|210|硬化而失去弹性；长时间的工作环境太热、太潮湿、温差过大以及负载过重的影响等|根据厂家提供的运维手册执行定期检查、维护和更换电缆

02|风轮叶片脱离|叶片材料变质、脆化；螺栓松动侵蚀，点蚀|机组飞车；降低输出功率|240|外部环境的风、雨、雪等天气状况、失衡的风轮、故障的电池及控制箱以及机组的金属疲劳、振动和磨损等等|加强对风轮的定期检查和预防性维护，使用更好的金属疲劳材料

03|风轮叶片破裂|紫外线照射；叶片过热；龟裂等；叶片失重|机组飞车；降低输出功率|270|外部环境的风、雨、雪等天气状况、失衡的风轮、故障的电池及控制箱以及机组的金属疲劳、振动和磨损等等|加强对风轮的定期检查和预防性维护，使用更好的金属疲劳材料

04|扭曲变形|可靠性差的结构和材料；因振动引起震动|机组飞车；降低输出功率；减少寿命；减少可靠性|375|设备本身的设计、制造和安装等的基础；能源、电网等的质量、变化以及其它技术要求等的要求|加强对机内元件的维护，提高材料质量和设计水平

05|近地层风速低|自然条件变化；地形影响等|减少停机时间；减少损失|96|地形的转换、高低变化、地形曲线等等；自然影响、气象影响、环境影响等等|加强对风电场的选址分析，选择具有较好近地层风速的地区建设风电场

06|机内元件接触不良|长时间运行后机内元件常常老化，接触不良|机组失效|135|操作不当、环境影响、误操作、缺少预防等等|加强对机内元件的维护，定期更换老化的元件

3.结论

通过以上基于FMEA法的风力发电机组故障模式分析，我们可以得到以下结论：

（1）针对风力发电机组出现的电缆老化、风轮叶片脱离、风轮叶片破裂、扭曲变形、近地层风速低、机内元件接触不良等多种故障模式，可以采用不同的预防性维护措施，以降低其对系统运行效率和安全性的不良影响。

（2）在采用改进措施时应结合实际情况，适当提高材料质量和设计水平，加强对机内元件的维护以及选择具有较好近地层风速的地区建设风电场等，以便达到提高设备可靠性、稳定性和安全性的目的。

（3）FMEA法可以帮助我们发现风力发电机组故障模式的类型、根本原因以及对系统的影响，从而针对可能出现的问题提出预防性措施，以保证系统的稳定运行。本文将以“全球二氧化碳排放量”为数据对象，通过数据分析的方式揭示全球环境问题的现状，并探讨相应的解决方案。该数据来源于国际能源机构(IEA)的《2017全球能源与排放数据总结》报告，覆盖时间从1990年到2016年。

1.数据概览

全球二氧化碳排放量(单位:百万吨)数据如下表所示：

年份|二氧化碳排放量

--|--

1990|21011.6

1991|21385

1992|22483.4

1993|22877.4

1994|23608.4

1995|23743.9

1996|24452

1997|24912.6

1998|25261

1999|25991.2

2000|26677.5

2001|27417.5

2002|28569.5

2003|29573.1

2004|30773.2

2005|31973

2006|32943.8

2007|34109.9

2008|34438.9

2009|33696.8

2010|35264.2

2011|35727.9

2012|35360.3

2013|35927

2014|36252.1

2015|36013.9

2016|36406.4

2.数据分析

2.1.总排放量变化趋势

从1990年到2016年，全球二氧化碳排放量总体呈增长趋势，从21011.6万吨增长到36406.4万吨，涨幅近73%。具体来看，1990年到2000年，全球二氧化碳排放量逐年增长，且增长速度逐渐加快。2000年以后，全球二氧化碳排放量增速有所放缓，但总体呈上升趋势。值得注意的是，2016年全球二氧化碳排放量创历史新高，达到了36406.4万吨。

2.2.本文将以“全球二氧化碳排放量”为数据对象，通过数据分析的方式揭示全球环境问题的现状，并探讨相应的解决方案。该数据来源于国际能源机构(IEA)的《2017全球能源与排放数据总结》报告，覆盖时间从1990年到2016年。

一、数据概览

全球二氧化碳排放量(单位:百万吨)数据如下表所示：

年份|二氧化碳排放量

--|--

1990|21011.6

1991|21385

1992|22483.4

1993|22877.4

1994|23608.4

1995|23743.9

1996|24452

1997|24912.6

1998|25261

1999|25991.2

2000|26677.5

2001|27417.5

2002|28569.5

2003|29573.1

2004|30773.2

2005|31973

2006|32943.8

2007|34109.9

2008|34438.9

2009|33696.8

2010|35264.2

2011|35727.9

2012|35360.3

2013|35927

2014|36252.1

2015|36013.9

2016|36406.4

二、数据分析

2.1.总排放量变化趋势

从1990年到2016年，全球二氧化碳排放量总体呈增长趋势，从21011.6万吨增长到36406.4万吨，涨幅近73%。具体来看，1990年到2000年，全球二氧化碳排放量逐年增长，且增长速度逐渐加快。2000年以后，全球二氧化碳排放量增速有所放缓，但总体呈上升趋势。值得注意的是，2016年全球二氧化碳排放量创历史新高，达到了36406.4万吨。

2.2.年度排放量变化趋势

从年度变化趋势来看，二氧化碳排放量呈“次月为高”的规律，即每年的第二季度排放量较高。这与很多国家的生产和用电高峰期重合，也与夏季气温升高，能源需求增加有关。此外，从2009年开始，全球二氧化碳排放量开始下降，但在2010年以后，排放量又重新走高。

三、数据解读

全球二氧化碳排放量的增长与人类活动密切相关，特别是工业化和交通运输等领域的发展。据统计，排放量增长最快的是发展中国家和新兴经济体，尤其是中国和印度。然而，工业化国家仍然是二氧化碳排放的主要来源。

为什么全球二氧化碳排放量增长如此迅速？主要原因包括以下几点：

(1)过度工业化和城市化：工业化和城市化令许多国家的经济快速发展。但这些产业增加了大量的二氧化碳排放，导致燃烧化石燃料、温室气体排放等环境问题日益严峻。

(2)城市化的增加：城市化增加导致了更多的汽车使用、更多能源消耗，进而增加了温室气体的排放。

(3)能源结构的不合理：全球能源结构是以煤、石油和天然气为主，而这些能源的燃烧会排放大量的二氧化碳。目前，改变能源结构的进程缓慢，因为转向可再生能源需要重大投资，并且现有的能源基础设施很难被替换。

四、解决方案

全球对环境污染的不断关注和呼吁使得各国政府开始采取措施来减少温室气体排放。为改善环境，国际社会也制定了很多环保协议，鼓励各国共同应对全球变暖等环境问题。以下是一些解决方案：

(1)转向可再生能源：全球需要加速向可再生能源转型，将太阳能、风能、水能等可再生能源作为一种能源多样化的解决方案，减少对煤炭、石油和天然气等化石燃料的依赖。

(2)消减排放量：各国政府应采取切实可行的政策措施来减少温室气体的排放，如限制新能源汽车和燃油汽车的上路，推广公共交通等。此外，大型工业企业也应该发挥作用，积极采取能源节约、污染治理等环保措施。

(3)提高全民环保意识：每个公民协同行动可以帮助改变气候变化。政府、学校和公司等各方应开展信息宣传活动，增强公众对环保的认识，提高环境