文／程人杰 王春光 楊洪源

風電機組在線振動監(jiān)測技術研究

文／程人杰 王春光 楊洪源

當前，面對風能行業(yè)機組運維成本過高的問題，風電場業(yè)主和整機廠商都在尋求技術解決方案。該問題的背后包含了機組部件的工作穩(wěn)定性差，故障頻發(fā)，需要經(jīng)常檢修甚至更換等因素，也包含了在一個風電場內(nèi)部，需要檢修的機組不能提前預知，經(jīng)常是機組故障停機之后再去進行故障排查的被動情況。

如果能利用在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)控機組的運行情況，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)較早評估機組的工作健康狀態(tài)，可以提前安排每臺機組的檢修時間，及時準備備件，合理協(xié)調(diào)運維計劃，從而減少停機時間，提高發(fā)電量，降低風電機組運維成本。

發(fā)電機振動和噪聲源分析

一、 發(fā)電機電磁激勵振動噪聲

電磁噪聲是風電機組的主要噪聲之一，在多極數(shù)的風電機組中，電磁噪聲顯得比較突出。一般情況下隨著發(fā)電機功率的增大而增加。電磁噪聲與發(fā)電機的電磁設計參數(shù)密切相關，如果設計不當，電磁噪聲將會十分顯著。因此，通過電磁參數(shù)的設計及工藝處理，研究降低電磁噪聲的措施是非常必要的。

二、 機械振動噪聲

機械振動噪聲主要包括軸承噪聲，轉(zhuǎn)子不平衡噪聲及碳刷與集電環(huán)摩擦所引起的噪聲。

（一）軸承通過振動噪聲

滾動軸承由軸承內(nèi)圈，滾珠，滾珠保持架和軸承外圈組成。軸承外圈不轉(zhuǎn)動，軸承內(nèi)圈和轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，而滾珠在軸承內(nèi)圈的滾道和軸承外圈的滾道及保持架中滾動旋轉(zhuǎn)，保持架又被滾動旋轉(zhuǎn)著的滾珠帶動旋轉(zhuǎn)。因此，軸承內(nèi)外圈滾道中的波紋、凹坑、粗糙度，潤滑脂質(zhì)量的優(yōu)劣和安裝誤差均是產(chǎn)生軸承噪聲的關鍵因素。

（二） 轉(zhuǎn)子不平衡引起的振動噪聲

高轉(zhuǎn)速電機的轉(zhuǎn)子必須嚴格地進行動平衡檢驗，以減少轉(zhuǎn)子殘余不平衡量，轉(zhuǎn)子不平衡噪聲的頻率等于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率。雖然頻率不高，一般在400Hz以下，但由于引起電機振動，從而使各部分的噪聲增大。當轉(zhuǎn)子的動平衡精度達到G2.5級時，轉(zhuǎn)子不平衡所引起的噪聲和振動都能顯著得到改善。

（三） 碳刷與集電環(huán)摩擦的振動噪聲

由于碳刷壓在旋轉(zhuǎn)的集電環(huán)上，如果碳刷的材質(zhì)和集電環(huán)的使用不能匹配，這時碳刷和集電環(huán)之間可能會產(chǎn)生氣墊，會產(chǎn)生鳴音。

（四） 通風振動噪聲

通風噪聲主要由于風扇轉(zhuǎn)動（包括發(fā)電機轉(zhuǎn)子風扇，冷卻器風扇，集電環(huán)冷卻器風扇），使空氣流動，撞擊，摩擦而產(chǎn)生。噪聲大小決定于風扇的大小，形狀。電機轉(zhuǎn)速高低和風阻風路等情況。

空氣噪聲的基本頻率fv∶ fv＝N * n/60(Hz)

其中，N－風扇葉片數(shù)；n－電機轉(zhuǎn)速（rpm)。

風扇直徑越大，噪聲越大，減小風扇直徑10%，可以減少噪聲2dB－3dB，但隨之冷量也會減少。當葉片邊緣與通風室的間隙過小，就會產(chǎn)生笛聲。如果葉片形狀與風刷的結(jié)構(gòu)不合理，造成渦流，同樣也會產(chǎn)生噪聲。由于風扇剛度不夠，受氣流撞擊時發(fā)生振動，也會增加噪聲。此外，轉(zhuǎn)子有凸出部分，也會引起噪聲。

聲發(fā)射與振動測試技術

一、 聲發(fā)射測試技術

材料中局部區(qū)域應力集中，快速釋放能量并產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射（Acoustic Emission，簡稱AE),有時也稱為應力波發(fā)射。材料在應力作用下的變形與裂紋擴展，是結(jié)構(gòu)失效的重要機制。這種直接與變形和斷裂機制有關的源，被稱為聲發(fā)射源。流體泄漏、摩擦、撞擊、燃燒等與變形和斷裂機制無直接關系的另一類彈性波源，被稱為其它或二次聲發(fā)射源。 利用這種“應力波發(fā)射”進行的無損檢測，具有其他無損檢測方法無法替代的效果。常見聲發(fā)射設備見圖1。

聲發(fā)射檢測過程可以歸納為：從聲發(fā)射源發(fā)出的信號經(jīng)介質(zhì)傳播后到達換能器，由換能器接收并輸出電信號，根據(jù)這些電信號處理分析對聲發(fā)射源做出正確的解釋。

聲發(fā)射的產(chǎn)生由于材料中局部區(qū)域快速卸載使彈性能得到釋放的結(jié)果。如果固體中所有的點在同一時間收到同一機械力作用，那么這個物體在時間和空間上將同時發(fā)生運動變化，這個物體作為一個整體而運動，這個過程就不會產(chǎn)生波的過程，只有在局部作用時，物體各部分有速度變化，才出現(xiàn)波的過程。聲發(fā)射源快速卸載的時間決定聲發(fā)射信號的頻譜，卸載時間越短，能量釋放速度越快，聲發(fā)射信號的頻譜擴展的越高。能量釋放的速度取決于聲發(fā)射源的機制。理論計算表明，不同的材料和不同的聲源機構(gòu)，聲發(fā)射信號的頻率分量可以從次聲頻擴展到50MHz的超聲頻。

二、 聲發(fā)射測試設備

聲發(fā)射測試設備包括傳感器，數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)采集終端，數(shù)據(jù)處理軟件。由于聲發(fā)射信號需要對機械部件進行長期不間斷的測試，同時相較于振動信號，有采樣頻率高等優(yōu)勢，詳細特點對比見表1。本研究選用美國物理聲學公司研發(fā)的聲發(fā)射測試傳感器，該傳感器可以同時采集機械結(jié)構(gòu)表面的振動和聲發(fā)射信號，詳細性能見圖2。

圖1 聲發(fā)射測試系統(tǒng)

發(fā)電機在線監(jiān)測系統(tǒng)設計

目前常見的風電機組在線監(jiān)測主要實時監(jiān)測機組各個測點的振動信息，并對測試數(shù)據(jù)進行處理，依據(jù)設定的振動報警閥值來進行機組工作狀態(tài)分析。本研究力圖將機組聲發(fā)射/振動數(shù)據(jù)信息與外部工作條件信息（如風速，風向等SCADA監(jiān)測信息）相結(jié)合，共同作為振動故障判斷的依據(jù)。此方法的優(yōu)勢在于可以區(qū)別機組在不同工作狀態(tài)下的振動烈度，減少機組振動報警和故障誤判的機率。圖3為本監(jiān)測系統(tǒng)工作過程概覽。

表1 聲發(fā)射信號與振動信號特點對比

圖2 聲發(fā)射/振動一體傳感器

一、監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

對于單個風電機組的發(fā)電機，在線監(jiān)測系統(tǒng)設計包括：聲發(fā)射/振動一體傳感器，數(shù)據(jù)傳輸線，數(shù)據(jù)采集終端，數(shù)據(jù)處理軟件。主要采集傳動系統(tǒng)和發(fā)電機前后軸承處的聲發(fā)射/振動信號，發(fā)電機的接地電壓等信號。

對于某風電場，采用分層的管理架構(gòu)對每一臺機組進行實時的狀態(tài)監(jiān)控和故障診斷。具體風電場監(jiān)測體系見圖4。

二、監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

本監(jiān)測系統(tǒng)主要實時測試布置在風電機組發(fā)電機前后軸承座表面的聲發(fā)射和振動數(shù)據(jù)。對于聲發(fā)射數(shù)據(jù)，通過時域信號特征參數(shù)統(tǒng)計的分析方法記錄下每一時刻的測試結(jié)果，在一個較長的監(jiān)測周期內(nèi)進行趨勢分析，確定發(fā)電機前后軸承的健康狀況，提早發(fā)現(xiàn)發(fā)電機內(nèi)部損傷。對于振動數(shù)據(jù)，通過頻域信號處理分析確定振動幅值是否超過相關標準要求，并結(jié)合機組當前工作狀態(tài)，判斷下一步需要進行的動作,該系統(tǒng)工作原理圖解詳見圖5。

經(jīng)過對風電機組發(fā)電機狀態(tài)的長期監(jiān)測，最終形成一個完整機組部件故障數(shù)據(jù)庫，為進一步采用FEMA故障診斷方案確定發(fā)電機故障來源奠定基礎。

三、 監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理與分析

監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)管理部分與數(shù)據(jù)分析程序，其中數(shù)據(jù)管理涉及程序管理和權限管理功能，數(shù)據(jù)分析程序主要對測試數(shù)據(jù)進行時域特征參數(shù)統(tǒng)計和頻域分析處理，利用分析結(jié)果，與相關標準和機組當前工作信息一起，對機組發(fā)電機健康狀況進行識別。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)詳見圖6。

圖3 在線監(jiān)測系統(tǒng)功能概覽

圖4 某風電場監(jiān)測體系

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

圖6 監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理程序結(jié)構(gòu)

結(jié)語

對風電機組發(fā)電機進行實時在線監(jiān)測，及時掌握發(fā)電機的健康狀態(tài)，是進行有效運維的前提。本文利用聲發(fā)射信號和振動信號監(jiān)測相結(jié)合的方法，設計了風電機組發(fā)電機在線監(jiān)測系統(tǒng)技術方案，進一步將通過現(xiàn)場試驗來評估該系統(tǒng)的工作可靠性。

（作者單位：北京鑒衡認證中心有限公司）