風力發(fā)電機組振動故障分析與應用研究

白志豪

浙江運達風電股份有限公司

風力發(fā)電機組振動故障分析與應用研究

白志豪

浙江運達風電股份有限公司

當前，風力發(fā)電已成為世界新能源發(fā)電中發(fā)展最迅速的行業(yè)，我國風電總裝機容量已躍居世界第一。但是，風電場所處的環(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增加，一旦這些設備發(fā)生故障而失效，將造成巨大的經(jīng)濟損失。風力發(fā)電機組振動故障是影響其安全運行的重要因素?；诖?，文章就風力發(fā)電機組振動故障分析與應用進行簡要的分析，希望可以提供一個有效的借鑒。

風力發(fā)電機組;振動故障;應用

1.風力發(fā)電機組的運行安全分析

風機借助主動對風方式，保證葉輪長期處于迎風狀態(tài)，將風能轉化成機械能，由驅動發(fā)電機轉化機械能為電能，最終實現(xiàn)電網(wǎng)電能輸送，這是風力發(fā)電機組工作的主要原理。風力發(fā)電機組需要在野外長期運行，工作條件極其惡劣，人為無法控制自然界風能，導致風力發(fā)電機組承受不同類型復雜載荷，一旦外界條件發(fā)生變化，給風力發(fā)電機組運行安全造成嚴重威脅。

風力發(fā)電機組作為一個全天性自動運行設備，在運行期間能夠實現(xiàn)自我控制，且與狀態(tài)檢測、自動運行及無人值守需求相符。從現(xiàn)階段風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)來看，其核心是可編程控制器，控制器、傳感器、PLC 及其他執(zhí)行機構共同構成了控制系統(tǒng)。傳感信號充分反映風力發(fā)電機組運行狀態(tài)，一旦某項指標出現(xiàn)變化，在PLC的處理下，控制器將發(fā)出指令以對各項進行控制。由此可見，風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)與運行安全有著密切聯(lián)系。在風力發(fā)電機組中，振動故障是影響風力發(fā)電機組安全運行的重要因素，因此需要加以研究和探討。

2.風力發(fā)電機組振動分析

根據(jù)對某風機的研究，其在試運行的過程中，因振動問題而出現(xiàn)報警和停機的機組達到總數(shù)量的 2/3 以上。我們觀察到，當風速范圍控制在 10 ～14 米/秒，機組發(fā)生停機的概率能達到 84. 6%，而在此以外的其它風度范圍，都極少的出現(xiàn)報警或停機的情況，無論風速是高還是低都極少。

我們通常以“黃金區(qū)域”來稱呼 10 ～14米/秒時段的風機發(fā)電的風速范圍，眾所周知，發(fā)電效益會因為受到風機振動停機的影響而被降低，因此，風機的生產(chǎn)商為了避免風機因為振動故障的原因而遭受損壞，就對控制風機系統(tǒng)的參數(shù)進行了調整，以便限制風機發(fā)電的功率，而這樣的保護措施是降低發(fā)電效益的最主要原因，使得投資方經(jīng)濟損失嚴重。

3.振動故障控制措施

首先，要做好設備定期檢修工作，并加大巡查力度。風電機組運行期間，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)每項控制功能能否順利實現(xiàn)。所以，需要定期對硬件與軟件進行維護，保證每項技術參數(shù)設置合理，將設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、定期潤滑。并在檢修與巡查過程中，嚴格遵循安全操作規(guī)范、規(guī)程，確保風機、人員運行安全。

其次，控制風機安裝質量。建設風電廠過程中，要控制緊固件力矩值，尤其是構成風機每個不見電氣線纜接頭及連接緊固性，該項檢查，直接影響到因線路虛接造成火災事故及倒塌事故的發(fā)生。

然后，加大對風機運行數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析。數(shù)據(jù)監(jiān)測主要包含電網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)測、功率監(jiān)測、轉速監(jiān)測和溫度監(jiān)測等。通過分析控制柜溫度、三相電壓、功率、頻率、機艙溫度、發(fā)電機繞組溫度等相關信息，能夠對風力發(fā)電機組運行情況進行監(jiān)測、判斷，此外，發(fā)現(xiàn)機組的報警信息與運行參數(shù)信息能夠直接向主控制器傳遞，進而實現(xiàn)遠程操控。

4.風電機組在線振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控( SCADA) 系統(tǒng)是應用于風電機組的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，主要功能為定期采集并記錄風電機組各部件或子系統(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)所獲取的設備狀態(tài)信息，對信息進行一定的分析，可以更好地反映設備的運行狀況。

4.1 系統(tǒng)構成

振動監(jiān)測系統(tǒng)主要是在風力發(fā)電機組預先選定的位置安裝振動傳感器和轉速傳感器，傳感器將其采集的信號通過帶編織屏蔽電纜接入到1 臺智能采集單元，將處理完的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡發(fā)送到事先裝有分析軟件的服務器中，客戶可通過多種方式登錄服務器察看運行數(shù)據(jù)，以便進行深入分析。

4.2 測點布置

對于風力發(fā)電機組的振動監(jiān)測，主要集中在傳動鏈上，而針對傳動鏈，監(jiān)測又主要集中在主軸、齒輪箱和發(fā)電機上。針對風力發(fā)電機組的特定應用，在主軸承、一級行星輪大齒圈處轉速較低，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

主要是通過測取齒輪箱、發(fā)電機的整體總振值，根據(jù) ISO10816標準評估總體設備狀況。主要技術方法有：(1)采用頻譜分析技術，對齒輪箱、發(fā)電機的平衡、對中、連接、齒輪嚙合等狀態(tài)進行評估。常規(guī)的頻譜分析技術，皆采用“窄帶報警”，在特定頻段范圍內進行幅值報警，借助人工進行分析。(2)采用時域分析技術，可以得到振動加速度、速度、位移、Crest 峰值因子、峭度、歪度，以及4 個等級的摩擦因子，連同預設的征兆匹配指標，按照ISO10816 標準，綜合在一張圖表上，把復雜的人工分析變成簡單的專家診斷結果。(3)變速變載的智能評判由于風力發(fā)電設備工作在多種工況下，不能采取統(tǒng)一的評判標準，智能評估可采取變速變載分析技術，根據(jù)風速、轉速、功率等參數(shù)進行相關性評估，智能調整評估標準，并做出歸一化的評估值，從而得到可靠的分析結論。

結束語

在電力行業(yè)，風力發(fā)電作為一種清潔能源發(fā)電方式，風能資源的豐富性和發(fā)電技術的成熟度都使其具備了大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展的條件。風電機組結構的復雜性，運行工況的多變性以及不同部件之間的耦合性，都使得風電機組故障頻繁發(fā)生，甚至出現(xiàn)連鎖現(xiàn)象。因此，要注重對故障的監(jiān)測，文章就振動故障監(jiān)測進行分析，以期可以起到一個借鑒作用。

[1]關寧. 風力發(fā)電機組齒輪箱振動故障分析方法研究[D].華北電力大學，2015.

[2]武麗君，高偉，張海平，劉衍選，蔡曉峰. 大型風力發(fā)電機組振動狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)設計及應用[J]. 中國高新技術企業(yè)，2015，36：6-8.