風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障預(yù)警策略探討

張文博

摘要：風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用是實(shí)現(xiàn)碳峰值和碳中和的重要手段。目前，風(fēng)力機(jī)的安裝規(guī)模日益擴(kuò)大，風(fēng)力機(jī)的故障集中在轉(zhuǎn)子、主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變頻器和液壓制動(dòng)系統(tǒng)。有些傳動(dòng)鏈故障停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，備件采購(gòu)周期長(zhǎng)，需要使用起重機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)，這不僅增加了風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)成本，也影響了風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電，從而降低了風(fēng)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。為了降低運(yùn)行維護(hù)成本，提高運(yùn)行維護(hù)效率，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行維護(hù)人員開(kāi)始采用預(yù)防性維護(hù)策略。通過(guò)故障報(bào)警，在風(fēng)機(jī)設(shè)備尚未發(fā)生故障或損壞的前提下進(jìn)行維護(hù)和檢查。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;故障報(bào)警;策略分析研究

1風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行故障的主要形式

1.1葉片部件有故障

當(dāng)葉片長(zhǎng)期暴露在空氣中時(shí)，葉片表面經(jīng)常出現(xiàn)腐蝕、磨損等問(wèn)題，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)工作效率顯著降低，并發(fā)生一系列故障。同時(shí)，在長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)行環(huán)境下，葉片的性能和質(zhì)量會(huì)不同程度地降低，整體結(jié)構(gòu)容易松動(dòng)，導(dǎo)致葉片在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中受力不均，風(fēng)機(jī)設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。對(duì)于葉片故障，技術(shù)人員應(yīng)及時(shí)關(guān)注，并及時(shí)修復(fù)損壞的葉片和結(jié)構(gòu)，避免后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生更嚴(yán)重的事故。

1.2齒輪箱有故障

通常采用齒輪箱控制主軸左轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能向電能的轉(zhuǎn)換，從而有效提高電能質(zhì)量。齒輪箱故障將直接影響設(shè)備的運(yùn)行。一般來(lái)說(shuō)，齒輪箱長(zhǎng)期運(yùn)行后，由于摩擦?xí)r間長(zhǎng)，內(nèi)部溫度會(huì)急劇升高。在這個(gè)過(guò)程中，如果不及時(shí)進(jìn)行散熱工作，潤(rùn)滑油的作用會(huì)嚴(yán)重降低，導(dǎo)致機(jī)組的負(fù)荷變化和工作轉(zhuǎn)速變化。同時(shí)，部分設(shè)備內(nèi)部齒輪箱設(shè)計(jì)不合理，齒輪承載能力估算不足，導(dǎo)致設(shè)備啟動(dòng)后出現(xiàn)故障。此外，在發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期惡劣的環(huán)境條件下，變速箱內(nèi)部不可避免地會(huì)出現(xiàn)銹蝕、磨損等一系列問(wèn)題，這將對(duì)風(fēng)力發(fā)電的利用產(chǎn)生負(fù)面影響。

1.3電機(jī)系統(tǒng)有故障

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)故障主要受系統(tǒng)環(huán)境條件的影響。由于作用機(jī)理的特殊性，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組經(jīng)常暴露在室外，在運(yùn)行過(guò)程中不可避免地會(huì)遇到灰塵、雨、雪、風(fēng)等惡劣天氣條件，在長(zhǎng)期潮濕的環(huán)境中，電機(jī)系統(tǒng)容易發(fā)生機(jī)械短路、軸承磨損和過(guò)熱故障。同時(shí)，系統(tǒng)軸承磨損嚴(yán)重，內(nèi)部溫度過(guò)高，也會(huì)在一定程度上導(dǎo)致設(shè)備故障停機(jī)。電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性將對(duì)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率和電能質(zhì)量產(chǎn)生決定性影響。

2風(fēng)力機(jī)故障預(yù)測(cè)技術(shù)

2.1機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)技術(shù)

如果機(jī)組中的機(jī)械系統(tǒng)發(fā)生故障，會(huì)影響整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行，甚至造成停機(jī)，不僅影響發(fā)電效果，還會(huì)形成大量的維修費(fèi)用，嚴(yán)重影響工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。較為常見(jiàn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)有軸承結(jié)構(gòu)、齒輪箱和葉片等，由于日負(fù)壓大、工作環(huán)境差等原因，此類(lèi)裝置容易發(fā)生故障。因此，在故障預(yù)測(cè)中應(yīng)更多地關(guān)注此類(lèi)設(shè)備。在具體的預(yù)測(cè)中，可以從以下幾個(gè)方面入手：首先，利用隱馬爾可夫模型和半隱馬爾可夫模型對(duì)動(dòng)態(tài)部件的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，從而推斷軸承的退化狀態(tài)，判斷軸承的壽命。該方法在實(shí)際應(yīng)用中效果良好，預(yù)測(cè)效果最好。例如，一些學(xué)者利用離散觀測(cè)序列提取隱半MSRkov鏈，并在此基礎(chǔ)上利用轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)移矩陣預(yù)測(cè)故障。Dong使用HMM準(zhǔn)確預(yù)測(cè)泵的壽命。Bechhoefer使用改進(jìn)的HMM預(yù)測(cè)旋轉(zhuǎn)軸。曾慶虎借助離散HSMM建立了軸承退化模型，各種研究結(jié)果表明了該理論和模型預(yù)測(cè)的可行性。其次，通過(guò)伽馬過(guò)程分析設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以得到設(shè)備使用壽命的概率分布，并根據(jù)數(shù)據(jù)密度判斷具體的使用壽命。第三，可以通過(guò)相位的平均根值計(jì)算設(shè)備的性能和使用狀態(tài)。利用麥克風(fēng)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)的方法可以分析設(shè)備的噪聲狀態(tài)，利用小波分析方法提取設(shè)備故障數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷。因此，機(jī)械系統(tǒng)的故障預(yù)測(cè)需要依靠不同的計(jì)算模型對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)模型和數(shù)據(jù)分布找到性能退化或壽命的信息點(diǎn)，從而達(dá)到故障預(yù)測(cè)的目的。

2.2機(jī)組電子系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)技術(shù)

近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電越來(lái)越受到人們的重視，其故障診斷和預(yù)測(cè)也越來(lái)越深入。電子系統(tǒng)故障在檢修、預(yù)測(cè)中是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，雖然不能形成大面積停機(jī)，而且維護(hù)成本較低，但故障次數(shù)越多會(huì)增加維護(hù)難度，且系統(tǒng)故障時(shí)間短，如果仍有可能造成故障系統(tǒng)癱瘓，增加故障檢測(cè)的難度。在實(shí)際的預(yù)測(cè)工作中，可以進(jìn)行以下幾個(gè)方面的工作：第一，系統(tǒng)植入。在系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行之初，應(yīng)該對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并將其植入自主維護(hù)系統(tǒng)中，使其能夠獨(dú)立地檢測(cè)、檢查、隔離和修復(fù)故障，減少預(yù)測(cè)負(fù)擔(dān)。二是保護(hù)職能的確立。與植入類(lèi)似，系統(tǒng)建設(shè)中應(yīng)增加保護(hù)功能模塊。當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時(shí)，可以啟用保護(hù)模式，相關(guān)技術(shù)人員也可以啟用此功能。第三，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。為了對(duì)電子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，可以適當(dāng)增加報(bào)警功能，當(dāng)遇到重大故障時(shí)，可以向相關(guān)技術(shù)人員發(fā)出警告，并通過(guò)數(shù)據(jù)顯示問(wèn)題的位置，及時(shí)解決問(wèn)題。第四，建立壓力或疲勞模型。利用該模型對(duì)故障狀態(tài)和程度進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

3風(fēng)電機(jī)組故障排除措施

風(fēng)機(jī)故障的解決措施一般是基于產(chǎn)生機(jī)理和原因，建議在風(fēng)機(jī)日常維護(hù)中加強(qiáng)對(duì)發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸和齒輪箱的檢查。通過(guò)“聽(tīng)、摸、看”，針具可以檢測(cè)發(fā)電機(jī)和齒輪箱是否卡住，是否有噪音，操作是否順暢。還可以通過(guò)振動(dòng)監(jiān)測(cè)收集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析;用溫度計(jì)測(cè)量溫度，也可以用手觸摸軸承外殼溫度，檢查其是否在可控范圍技術(shù)規(guī)范的數(shù)值要求內(nèi);檢查潤(rùn)滑油油位的高度、顏色和粘度，檢查加油記錄時(shí)間、油品、加油量以及各設(shè)備軸承油的類(lèi)型和規(guī)格是否正確。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，首先根據(jù)故障信息和監(jiān)控系統(tǒng)的操作說(shuō)明定位故障點(diǎn)，停機(jī)進(jìn)行維修。為了快速重啟風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，建議在故障點(diǎn)更換設(shè)備。每個(gè)風(fēng)場(chǎng)應(yīng)儲(chǔ)存多個(gè)易損件和易耗件備份。對(duì)于無(wú)法更換的大型設(shè)備，應(yīng)迅速組織人力物力，及時(shí)制定應(yīng)急維修保養(yǎng)計(jì)劃。故障排除后，將故障點(diǎn)、故障排除方法、原因整理成文件，供類(lèi)似故障發(fā)生時(shí)參考。

4結(jié)論

風(fēng)電機(jī)組故障診斷技術(shù)可以有效縮短故障診斷時(shí)間，提高故障診斷的準(zhǔn)確性。風(fēng)電機(jī)組故障診斷措施的有效實(shí)施，不僅可以為風(fēng)電系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)提供更完善的質(zhì)量，也可以為風(fēng)能開(kāi)發(fā)布局、區(qū)域機(jī)組選型提供指導(dǎo)，為高效的能源轉(zhuǎn)換、后期維護(hù)提供指導(dǎo)，提供設(shè)備技術(shù)更新，為產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)提供建設(shè)性建議。

參考文獻(xiàn)

[1]毛小麗.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障特征分析與診斷方法研究[D].華北電力大學(xué)，2017.