白志豪

浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障分析與應(yīng)用研究

白志豪

浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司

當(dāng)前，風(fēng)力發(fā)電已成為世界新能源發(fā)電中發(fā)展最迅速的行業(yè)，我國(guó)風(fēng)電總裝機(jī)容量已躍居世界第一。但是，風(fēng)電場(chǎng)所處的環(huán)境和氣候條件惡劣，使發(fā)生故障的潛在可能性和方式也相應(yīng)增加，一旦這些設(shè)備發(fā)生故障而失效，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障是影響其安全運(yùn)行的重要因素?；诖?，文章就風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障分析與應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析，希望可以提供一個(gè)有效的借鑒。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;振動(dòng)故障;應(yīng)用

1.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行安全分析

風(fēng)機(jī)借助主動(dòng)對(duì)風(fēng)方式，保證葉輪長(zhǎng)期處于迎風(fēng)狀態(tài)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，由驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化機(jī)械能為電能，最終實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電能輸送，這是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作的主要原理。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要在野外長(zhǎng)期運(yùn)行，工作條件極其惡劣，人為無(wú)法控制自然界風(fēng)能，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組承受不同類型復(fù)雜載荷，一旦外界條件發(fā)生變化，給風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全造成嚴(yán)重威脅。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為一個(gè)全天性自動(dòng)運(yùn)行設(shè)備，在運(yùn)行期間能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制，且與狀態(tài)檢測(cè)、自動(dòng)運(yùn)行及無(wú)人值守需求相符。從現(xiàn)階段風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)來(lái)看，其核心是可編程控制器，控制器、傳感器、PLC 及其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)共同構(gòu)成了控制系統(tǒng)。傳感信號(hào)充分反映風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，一旦某項(xiàng)指標(biāo)出現(xiàn)變化，在PLC的處理下，控制器將發(fā)出指令以對(duì)各項(xiàng)進(jìn)行控制。由此可見，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)與運(yùn)行安全有著密切聯(lián)系。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，振動(dòng)故障是影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行的重要因素，因此需要加以研究和探討。

2.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)分析

根據(jù)對(duì)某風(fēng)機(jī)的研究，其在試運(yùn)行的過(guò)程中，因振動(dòng)問題而出現(xiàn)報(bào)警和停機(jī)的機(jī)組達(dá)到總數(shù)量的 2/3 以上。我們觀察到，當(dāng)風(fēng)速范圍控制在 10 ～14 米/秒，機(jī)組發(fā)生停機(jī)的概率能達(dá)到 84. 6%，而在此以外的其它風(fēng)度范圍，都極少的出現(xiàn)報(bào)警或停機(jī)的情況，無(wú)論風(fēng)速是高還是低都極少。

我們通常以“黃金區(qū)域”來(lái)稱呼 10 ～14米/秒時(shí)段的風(fēng)機(jī)發(fā)電的風(fēng)速范圍，眾所周知，發(fā)電效益會(huì)因?yàn)槭艿斤L(fēng)機(jī)振動(dòng)停機(jī)的影響而被降低，因此，風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)商為了避免風(fēng)機(jī)因?yàn)檎駝?dòng)故障的原因而遭受損壞，就對(duì)控制風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，以便限制風(fēng)機(jī)發(fā)電的功率，而這樣的保護(hù)措施是降低發(fā)電效益的最主要原因，使得投資方經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重。

3.振動(dòng)故障控制措施

首先，要做好設(shè)備定期檢修工作，并加大巡查力度。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行期間，控制系統(tǒng)硬件與軟件能否保持良好狀態(tài)，直接影響著控制系統(tǒng)每項(xiàng)控制功能能否順利實(shí)現(xiàn)。所以，需要定期對(duì)硬件與軟件進(jìn)行維護(hù)，保證每項(xiàng)技術(shù)參數(shù)設(shè)置合理，將設(shè)備存在的安全隱患消除。此外，還要做好檢修工作，例如定期緊固連接件、定期潤(rùn)滑。并在檢修與巡查過(guò)程中，嚴(yán)格遵循安全操作規(guī)范、規(guī)程，確保風(fēng)機(jī)、人員運(yùn)行安全。

其次，控制風(fēng)機(jī)安裝質(zhì)量。建設(shè)風(fēng)電廠過(guò)程中，要控制緊固件力矩值，尤其是構(gòu)成風(fēng)機(jī)每個(gè)不見電氣線纜接頭及連接緊固性，該項(xiàng)檢查，直接影響到因線路虛接造成火災(zāi)事故及倒塌事故的發(fā)生。

然后，加大對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、分析。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)主要包含電網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、功率監(jiān)測(cè)、轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)等。通過(guò)分析控制柜溫度、三相電壓、功率、頻率、機(jī)艙溫度、發(fā)電機(jī)繞組溫度等相關(guān)信息，能夠?qū)︼L(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)、判斷，此外，發(fā)現(xiàn)機(jī)組的報(bào)警信息與運(yùn)行參數(shù)信息能夠直接向主控制器傳遞，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。

4.風(fēng)電機(jī)組在線振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控( SCADA) 系統(tǒng)是應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要功能為定期采集并記錄風(fēng)電機(jī)組各部件或子系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)。因此，如果能夠利用現(xiàn)有的 SCADA 系統(tǒng)所獲取的設(shè)備狀態(tài)信息，對(duì)信息進(jìn)行一定的分析，可以更好地反映設(shè)備的運(yùn)行狀況。

4.1 系統(tǒng)構(gòu)成

振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組預(yù)先選定的位置安裝振動(dòng)傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，傳感器將其采集的信號(hào)通過(guò)帶編織屏蔽電纜接入到1 臺(tái)智能采集單元，將處理完的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到事先裝有分析軟件的服務(wù)器中，客戶可通過(guò)多種方式登錄服務(wù)器察看運(yùn)行數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行深入分析。

4.2 測(cè)點(diǎn)布置

對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，主要集中在傳動(dòng)鏈上，而針對(duì)傳動(dòng)鏈，監(jiān)測(cè)又主要集中在主軸、齒輪箱和發(fā)電機(jī)上。針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特定應(yīng)用，在主軸承、一級(jí)行星輪大齒圈處轉(zhuǎn)速較低，需要選用低頻加速度傳感器，其他位置選用通用型加速度傳感器。

4.3 分析功能描述

主要是通過(guò)測(cè)取齒輪箱、發(fā)電機(jī)的整體總振值，根據(jù) ISO10816標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估總體設(shè)備狀況。主要技術(shù)方法有：(1)采用頻譜分析技術(shù)，對(duì)齒輪箱、發(fā)電機(jī)的平衡、對(duì)中、連接、齒輪嚙合等狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。常規(guī)的頻譜分析技術(shù)，皆采用“窄帶報(bào)警”，在特定頻段范圍內(nèi)進(jìn)行幅值報(bào)警，借助人工進(jìn)行分析。(2)采用時(shí)域分析技術(shù)，可以得到振動(dòng)加速度、速度、位移、Crest 峰值因子、峭度、歪度，以及4 個(gè)等級(jí)的摩擦因子，連同預(yù)設(shè)的征兆匹配指標(biāo)，按照ISO10816 標(biāo)準(zhǔn)，綜合在一張圖表上，把復(fù)雜的人工分析變成簡(jiǎn)單的專家診斷結(jié)果。(3)變速變載的智能評(píng)判由于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備工作在多種工況下，不能采取統(tǒng)一的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，智能評(píng)估可采取變速變載分析技術(shù)，根據(jù)風(fēng)速、轉(zhuǎn)速、功率等參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性評(píng)估，智能調(diào)整評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，并做出歸一化的評(píng)估值，從而得到可靠的分析結(jié)論。

結(jié)束語(yǔ)

在電力行業(yè)，風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔能源發(fā)電方式，風(fēng)能資源的豐富性和發(fā)電技術(shù)的成熟度都使其具備了大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展的條件。風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，運(yùn)行工況的多變性以及不同部件之間的耦合性，都使得風(fēng)電機(jī)組故障頻繁發(fā)生，甚至出現(xiàn)連鎖現(xiàn)象。因此，要注重對(duì)故障的監(jiān)測(cè)，文章就振動(dòng)故障監(jiān)測(cè)進(jìn)行分析，以期可以起到一個(gè)借鑒作用。

[1]關(guān)寧. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱振動(dòng)故障分析方法研究[D].華北電力大學(xué)，2015.

[2]武麗君，高偉，張海平，劉衍選，蔡曉峰. 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]. 中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2015，36：6-8.