李讓

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平和科技水平的快速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)工作越來(lái)越重要。風(fēng)力發(fā)電機(jī)能否正常投入使用，影響著風(fēng)力發(fā)電的整體質(zhì)量，而風(fēng)機(jī)故障會(huì)導(dǎo)致機(jī)組本身受到損壞嚴(yán)重的情況下，可能會(huì)造成更加不可預(yù)料的后果，而從風(fēng)力發(fā)電機(jī)所使用的環(huán)境以及自身結(jié)構(gòu)等角度出發(fā)，其設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中容易受到外界環(huán)境的影響，造成風(fēng)力發(fā)電，整體質(zhì)量偏低。為保證風(fēng)力發(fā)電能夠正常地運(yùn)行，需要進(jìn)行振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷工作。而從現(xiàn)階段風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，而這種維修周期較長(zhǎng)，設(shè)備受損情況較為嚴(yán)重，部分問(wèn)題難以在檢修工作中得到解決。在這種情況下，需要重視在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中處于一種可控狀態(tài)，輔助相關(guān)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中存在的不足，提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用質(zhì)量與效率。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;發(fā)電機(jī)組;振動(dòng)監(jiān)測(cè);故障排除

引言

振動(dòng)分析法是對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與故障診斷的一個(gè)切實(shí)有力的技術(shù)，為保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)提供了堅(jiān)實(shí)的保障。本文介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生故障的原因，通過(guò)對(duì)多篇文獻(xiàn)進(jìn)行梳理總結(jié)后，總結(jié)了目前存在的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組監(jiān)測(cè)與故障診斷的方法，并展開(kāi)分析各個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用狀況，最后對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的難點(diǎn)也提出了相關(guān)建議。

1風(fēng)力發(fā)電機(jī)組概述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是由風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、液壓系統(tǒng)、傳動(dòng)及制動(dòng)系統(tǒng)、偏航的檢測(cè)系統(tǒng)、控制及安全系統(tǒng)、機(jī)艙和塔架等組成。下面介紹幾個(gè)主要部件的功能：（1）葉輪主要接收風(fēng)能，吸收了空氣中的動(dòng)能，使之轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而讓葉輪開(kāi)始旋轉(zhuǎn);（2）齒輪箱改變傳動(dòng)方向和扭矩等，讓風(fēng)力產(chǎn)生的動(dòng)能傳遞給發(fā)電機(jī)，使之以一定轉(zhuǎn)速工作旋轉(zhuǎn);（3）發(fā)電機(jī)將葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般會(huì)建立在偏僻的地區(qū)，容易處在風(fēng)口，接受面積廣，但也有會(huì)受到一些不可控的因素，比如天氣影響，使得風(fēng)力發(fā)電機(jī)組易受到損壞。所以說(shuō)，我們需要了解其常見(jiàn)的故障類型。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)生特殊風(fēng)況的原因較多，有氣候原因，也有地形因素，上述因素在風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行中都需要重點(diǎn)關(guān)注。主要有以下幾點(diǎn)。①該區(qū)域內(nèi)的突發(fā)極端氣候、最大風(fēng)速和極大風(fēng)速等都超過(guò)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn);②尾流疊加因素，大型風(fēng)電場(chǎng)某機(jī)位受上風(fēng)向風(fēng)機(jī)尾流影響較大，機(jī)位的瞬時(shí)風(fēng)速降低和突變，湍流強(qiáng)度值則顯著升高，造成機(jī)組振動(dòng)加劇;③復(fù)雜山地因素，山地的復(fù)雜地形易使穩(wěn)定氣流發(fā)生擠壓、變向、加速、紊亂等狀況，使得風(fēng)電機(jī)組的極大風(fēng)速、湍流強(qiáng)度、入流角等發(fā)生突變。

2風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷方法

從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷實(shí)際情況來(lái)看，在時(shí)代不斷發(fā)展的同時(shí)，其診斷方法也在不斷地進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性也呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)?，F(xiàn)階段，在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷的過(guò)程中，較常見(jiàn)的方法有時(shí)域分析法、頻譜分析法等。時(shí)域分析法在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中是一種應(yīng)用較為廣泛，且較為簡(jiǎn)單的一種診斷方式，其在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中難以對(duì)故障的準(zhǔn)確位置進(jìn)行判斷。而其方法的使用需要相關(guān)人員準(zhǔn)確地進(jìn)行有量綱特征參數(shù)、無(wú)量綱動(dòng)態(tài)指標(biāo)的確定，以保證所研究數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。頻譜分析法，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中是應(yīng)用較為廣泛，且能夠獲取大部分故障特征的一種故障診斷方法，其在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，通過(guò)檢測(cè)設(shè)備對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)各個(gè)部分的振動(dòng)頻譜進(jìn)行調(diào)查，并按照其頻譜圖中所反映的情況，分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在的主要問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，要注意自功率譜分析以及共振調(diào)節(jié)工作。

3風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1振動(dòng)分析法在齒輪箱中的應(yīng)用

齒輪箱結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，里面有著不同型號(hào)的軸承，齒輪的對(duì)數(shù)很多，嚙合的種類不一，其振動(dòng)的圖譜也十分復(fù)雜。通過(guò)查文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于齒輪箱行星級(jí)端的故障采用了振動(dòng)分析，先將傳感器按照要求布置測(cè)點(diǎn)，后把傳感器安裝在齒輪箱行星級(jí)，采用振動(dòng)信號(hào)，測(cè)量其水平和垂直方向的振動(dòng)情況，通過(guò)觀察時(shí)域波形圖和頻譜圖，觀察頻率的變化情況和頻帶，進(jìn)而分析出可能存在的故障。比如觀察高速軸水平加速度的時(shí)域波形圖，如果頻譜中存在很高的峰值，并且超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)，還有多倍諧譜，就可得出發(fā)電機(jī)和齒輪箱偏差嚴(yán)重，不對(duì)中，若頻譜中還有驅(qū)動(dòng)端的軸承內(nèi)圈的缺陷頻率的話，還可說(shuō)明軸承也遭到損壞。由此可見(jiàn)，振動(dòng)分析法在齒輪箱的故障診斷與監(jiān)測(cè)中起到了關(guān)鍵的作用。

3.2振動(dòng)頻域分析

無(wú)論是揮舞方向還是擺振方向，頻率0.71Hz都比較突出，此頻率比擺振方向1階固有頻率仿真值大4.7%，同時(shí)此頻率與葉片轉(zhuǎn)頻的4倍頻0.711Hz非常接近。從以上分析可以看出，風(fēng)電機(jī)組滿發(fā)時(shí)葉片兩個(gè)方向振動(dòng)的2階固有頻率都比較突出，另外葉片轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)頻的倍頻也在振動(dòng)信號(hào)中比較常見(jiàn)。風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)頻對(duì)于葉片振動(dòng)的影響較大，為了解低轉(zhuǎn)速時(shí)風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)頻對(duì)于葉片振動(dòng)的影響。葉片振動(dòng)的主要頻率值與滿發(fā)時(shí)有所不同，擺振方向主要頻率值是1.927Hz，接近擺振方向的2階固有頻率。揮舞方向的主頻值分別為0.375Hz和0.5Hz，分別是葉片轉(zhuǎn)頻的3倍頻和4倍頻。通過(guò)風(fēng)電機(jī)組葉片振動(dòng)的頻譜分析可以看出風(fēng)電機(jī)組在滿發(fā)時(shí)或者低轉(zhuǎn)速時(shí)，葉片擺振方向振動(dòng)主要集中在葉片2階振動(dòng)頻率處，而揮舞方向的振動(dòng)頻率都表現(xiàn)為較明顯的轉(zhuǎn)頻倍頻。另外風(fēng)電機(jī)組滿發(fā)時(shí)葉片兩個(gè)方向受0.71Hz的主頻值影響都較大，此頻率接近風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)頻的4倍頻。

3.3機(jī)艙加速度傳感器和葉片加速度傳感器

機(jī)艙垂直傳動(dòng)鏈方向振動(dòng)加速度時(shí)域波形與葉片根部3點(diǎn)鐘振動(dòng)加速度時(shí)域波形對(duì)比分析，從時(shí)域波形圖中可以看出，葉片根部振動(dòng)加速度時(shí)域波形中高頻分量比機(jī)艙垂直傳動(dòng)鏈方向振動(dòng)加速度波形中高頻分量要豐富。為了更加清楚的分析波形中的頻率成分，對(duì)時(shí)域波形進(jìn)行FFT變換，兩者波形幾乎一致，葉片在2.1Hz左右的頻帶比機(jī)艙振動(dòng)寬一些。但是，從整體上看，機(jī)艙與葉片振動(dòng)反映的信息是一致的，主要能量均集中于A點(diǎn)和B點(diǎn)，其中A點(diǎn)區(qū)域0.4Hz左右，B點(diǎn)區(qū)域2.1Hz左右，機(jī)艙垂直傳動(dòng)鏈方向的振動(dòng)檢測(cè)信息完全能夠代替在葉片根部3點(diǎn)鐘處振動(dòng)加速度傳感器的檢測(cè)信息，但是由于振動(dòng)的傳遞性交強(qiáng)，二者均不能對(duì)振動(dòng)的來(lái)源進(jìn)行定位。

結(jié)語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)成本較高，重視風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)與故障診斷工作，能夠較及時(shí)地進(jìn)行設(shè)備的管理與維修工作，降低發(fā)電機(jī)損壞程度，進(jìn)而降低更換成本，提升發(fā)電機(jī)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益。（1）由于振動(dòng)傳感器一般為慣性傳感器，在旋轉(zhuǎn)的大型機(jī)構(gòu)上測(cè)量時(shí)會(huì)引入較為強(qiáng)烈的轉(zhuǎn)頻干擾，本文所研究的葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的振動(dòng)信號(hào)中就出現(xiàn)了大量的轉(zhuǎn)頻干擾信息，為了有效分析信號(hào)需要進(jìn)行高通濾波，濾波截止頻率需要高于葉片轉(zhuǎn)頻。（2）通過(guò)統(tǒng)計(jì)所有振動(dòng)數(shù)據(jù)30s平均值，可以看出3支葉片兩個(gè)方向的振動(dòng)趨勢(shì)完全一致，但是擺振方向的振動(dòng)強(qiáng)度都高于揮舞方向的振動(dòng)強(qiáng)度，大概比揮舞方向高30%，可能是葉片旋轉(zhuǎn)過(guò)程中重力作用方向在葉片旋轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)時(shí)忽然改變導(dǎo)致葉片產(chǎn)生較大強(qiáng)度的振蕩，也可能是由其他空氣動(dòng)力學(xué)因素造成的。

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