風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整機(jī)故障診斷

楊志軍

（山西江河生物質(zhì)能發(fā)電有限公司，山西運(yùn)城043610）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整機(jī)故障診斷

楊志軍

（山西江河生物質(zhì)能發(fā)電有限公司，山西運(yùn)城043610）

通過對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)及其故障的診斷技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢等方向的分析，同時結(jié)合中國風(fēng)力發(fā)電機(jī)在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中的運(yùn)行狀況，探討風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障診斷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，促進(jìn)診斷技術(shù)、檢修技術(shù)的提高。

綠色環(huán)保；節(jié)能減耗；風(fēng)力發(fā)電機(jī)；故障診斷；風(fēng)電機(jī)組

1 前言

風(fēng)力發(fā)電是一種清潔的可再生能源技術(shù)，也是世界上公認(rèn)的環(huán)保、清潔、節(jié)能技術(shù)之一?，F(xiàn)今，隨著綠色環(huán)保、可持續(xù)循環(huán)發(fā)展的理念在中國經(jīng)濟(jì)、社會、科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域內(nèi)的不斷擴(kuò)散，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)越來越受到生產(chǎn)企業(yè)的青睞。風(fēng)力發(fā)電不僅能夠節(jié)省花式燃料，還能夠減少環(huán)境的污染，同時還能促進(jìn)環(huán)境友好型社會的發(fā)展。但是，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)在中國的各個領(lǐng)域中的使用率提高，再加上發(fā)電機(jī)的大部分機(jī)組都安裝在了較為偏遠(yuǎn)的地區(qū)，不易對其檢修和及時維護(hù)，容易造成負(fù)荷不穩(wěn)定、故障頻繁發(fā)生等現(xiàn)象，進(jìn)而降低了電力的利用效率、安全性能和經(jīng)濟(jì)性能等優(yōu)勢。因此，探究風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整機(jī)故障診斷技術(shù)、方式等內(nèi)容是勢在必行的，這樣就能從源頭上遏制甚至減少整機(jī)故障的發(fā)生率，從而減少發(fā)電機(jī)發(fā)電過程中的安全事故，同時還能高質(zhì)量地供電。

2 風(fēng)能及風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀

目前，全球的風(fēng)能資源總量約有2.7×109MW，其中能夠被利用的風(fēng)能大約有2×109MW,而中國的風(fēng)能資源占據(jù)了全球第三的位置。一般情況下，風(fēng)能資源的利用方式大多為風(fēng)力發(fā)電，其在世界經(jīng)濟(jì)進(jìn)步、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的時代背景下已經(jīng)躍然成為了增速最快的發(fā)電技術(shù)了，相應(yīng)的風(fēng)電整機(jī)容量也在不斷得擴(kuò)大。據(jù)近幾年的相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年時，世界的風(fēng)力發(fā)電量占全球的電力消費(fèi)的2.5%左右，2012年時，全球的新增裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到了44 711MW，總裝機(jī)容量如預(yù)期般地超過了2.83×109MW，據(jù)專家預(yù)測，到了2020年時，風(fēng)力發(fā)電大約能夠提供增速為7.7%～8.3%的風(fēng)力[1]。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)

3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的構(gòu)造及工作原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的最基本可利用工具，主要由限速安全機(jī)構(gòu)、葉輪、尾翼的調(diào)向器、儲能裝置、包括裝置在內(nèi)的發(fā)電機(jī)、塔架、傳動裝置（如齒輪箱、制動器、低速或高速軸等）、剎車系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部件構(gòu)成；其工作的原理為葉輪在風(fēng)力作用下，把風(fēng)的動能轉(zhuǎn)化為葉輪軸的機(jī)械能，再由葉輪軸帶動發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。這整個過程都較為簡單，主要運(yùn)用到了空氣動力學(xué)的原理，即風(fēng)在吹過葉輪時在葉片的正反兩面形成了壓力差而產(chǎn)生升力，從而讓葉輪不停旋轉(zhuǎn)的同時還能連續(xù)性地橫切風(fēng)流，從而得到了轉(zhuǎn)化后的機(jī)械能。

3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)整機(jī)故障的原因

隨著風(fēng)電發(fā)展給制造行業(yè)所帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)越來越大，風(fēng)機(jī)的裝機(jī)容量也在不斷地?cái)U(kuò)大，但是這就給風(fēng)力發(fā)電機(jī)帶來了隱患，造成其故障的發(fā)生率越來越高。不僅如此，影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的因素還包括了其機(jī)組安裝的地點(diǎn)偏遠(yuǎn)不易檢修維護(hù)、風(fēng)機(jī)在惡劣的環(huán)境中作業(yè)等，其中據(jù)風(fēng)機(jī)的故障發(fā)生相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在海上運(yùn)行的風(fēng)機(jī)機(jī)組出現(xiàn)故障后，維修的費(fèi)用將極有可能占到風(fēng)機(jī)總收入的20%～25%左右，例如，生產(chǎn)中價值5 000美元的軸承在檢修維護(hù)中需要支付的更換費(fèi)用可以達(dá)到250 000美元，由簡單故障的維修變成了一項(xiàng)浩大的工程。

4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)整機(jī)故障的診斷技術(shù)

4.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的整機(jī)故障診斷技術(shù)的意義

整機(jī)的故障診斷技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的運(yùn)用具有積極的意義，不僅能夠?qū)︼L(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行、作業(yè)狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測、準(zhǔn)確記憶相關(guān)數(shù)據(jù)，還能減少發(fā)電機(jī)的運(yùn)行維護(hù)成本，提高發(fā)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)效能、運(yùn)行效率、可靠性和安全效能[2]。例如，據(jù)已經(jīng)采用了整機(jī)故障診斷系統(tǒng)的國家（如德國、芬蘭、日本等）公布的數(shù)據(jù)來看，在采用了整機(jī)的故障診斷技術(shù)后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)因故障而停機(jī)的時間減少了75%左右，這就減少了每年對發(fā)電機(jī)進(jìn)行維修、檢護(hù)的費(fèi)用，其比例高達(dá)25%～50%。因此，在風(fēng)力發(fā)電技術(shù)越來越純熟的背景下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用整機(jī)的故障診斷技術(shù)是勢在必行的，但是就目前的診斷技術(shù)研究和發(fā)展現(xiàn)狀來看，還處在初級階段，技術(shù)還不成熟，且不能按照工業(yè)自動化的要求進(jìn)行自動診斷，這就造成了診斷技術(shù)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)相矛盾的局面，不利于整個發(fā)電行業(yè)的技術(shù)向綠色環(huán)保的方向發(fā)展。

4.2 整機(jī)故障診斷技術(shù)的分類

目前，從國內(nèi)外診斷技術(shù)的研究狀況和實(shí)際運(yùn)行操作的作業(yè)狀況來看，整機(jī)的故障診斷可以分為智能故障診斷、數(shù)學(xué)診斷和傳統(tǒng)故障診斷三大類。其中，數(shù)學(xué)診斷的方式主要表現(xiàn)為基于距離判據(jù)方法、故障樹分析、小波分析、模式識別和模糊診斷等；傳統(tǒng)的診斷方法是在監(jiān)測到的信號的基礎(chǔ)上進(jìn)行邏輯性的數(shù)據(jù)分析的方式，主要為噪聲檢測技術(shù)、油液分析技術(shù)、振動檢測技術(shù)和紅外線測溫技術(shù)等；而智能故障診斷技術(shù)主要是在人工智能理論的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種診斷技術(shù)，包括了模糊邏輯（如圖一）、支持向量機(jī)、專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等手段，比較適合復(fù)雜而非線性的系統(tǒng)。

圖1 模糊邏輯診斷結(jié)構(gòu)

4.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障診斷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

現(xiàn)今，整機(jī)故障診斷技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的運(yùn)用范圍越來越廣，但是其所采用的診斷技術(shù)大多是獨(dú)立地依據(jù)信號監(jiān)測到的數(shù)據(jù)、模糊的邏輯等診斷方式，采用的是建立SDG模型及風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組之間的自相關(guān)、互相關(guān)等形式來分析，而沒有將各個零散的方式、模型統(tǒng)一設(shè)計(jì)進(jìn)一個完整的系統(tǒng)中[3]，這樣就可以將風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀況、故障情況、SDG模型驗(yàn)證等內(nèi)容通過診斷系統(tǒng)來設(shè)計(jì)為流程化、自動化的一條龍服務(wù)，從而提高故障診斷、維護(hù)的效率。

例如，整個診斷系統(tǒng)中，首先要對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出風(fēng)力相關(guān)性進(jìn)行分析，依據(jù)監(jiān)測所得的數(shù)據(jù)來判斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)的自相關(guān)性和互相關(guān)性是否與一般的規(guī)律相同，并把發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、油箱溫度等內(nèi)容的實(shí)測值與額定值進(jìn)行對比，從而發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)是否有故障隱患；其次是運(yùn)用模糊邏輯診斷的方法診斷出發(fā)電機(jī)整機(jī)的故障類型、誘發(fā)因素等問題，并及時采用措施進(jìn)行維修檢護(hù)；最后通過建立SDG模型來驗(yàn)證風(fēng)機(jī)檢修后的運(yùn)行狀態(tài)，并把檢修后的運(yùn)行數(shù)據(jù)和檢修前的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析維護(hù)措施的有效性，以便于能夠從實(shí)踐中得出經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)而促進(jìn)整個整機(jī)診斷系統(tǒng)的完善。

4.4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)具體故障的解決方式

在發(fā)電機(jī)作業(yè)的過程中，由于風(fēng)力的不穩(wěn)定性、軸承潤滑不良、異物侵入、油溫過高造成粘度降低而影響齒面的潤滑、齒面承受的接觸剪應(yīng)力過大、變槳驅(qū)動耦合不良、塔架振動等因素引起的主軸、齒輪箱齒輪疲勞損傷、齒輪箱齒面膠、偏航系統(tǒng)的電機(jī)振幅過大、變槳系統(tǒng)軸承磨損、塔架疲勞破壞等現(xiàn)象。在這些現(xiàn)象出現(xiàn)或即將出現(xiàn)的時候，整機(jī)的診斷系統(tǒng)將會依據(jù)數(shù)據(jù)的輸入而發(fā)出警報，然后通過計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，智能化地進(jìn)行潤滑系統(tǒng)、密封裝置、油位傳感器、潤滑油散熱裝置、螺栓連接等零部件的調(diào)整，若智能不能解決問題還在報警，就需要人工地檢查、改善齒輪的設(shè)計(jì)、潤滑條件，做好塔架之間的隔板減震等等維護(hù)工作[4]。

5 結(jié)語

在國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)步和風(fēng)電機(jī)組容量不斷增加的背景下，現(xiàn)有的風(fēng)力發(fā)電診斷技術(shù)已經(jīng)不能與其相適應(yīng)了，這就要求了要對風(fēng)力發(fā)電的整機(jī)進(jìn)行流程化的故障診斷，而本文所提到的整機(jī)故障診斷系統(tǒng)就包含了以往傳統(tǒng)的診斷技術(shù)、智能診斷和數(shù)字診斷方式，并且通過PLC系統(tǒng)進(jìn)行軟件編程，以最大限度地實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的人工智能診斷、調(diào)整、維護(hù)工作，同時以人工調(diào)節(jié)檢修為輔助，建立了一體化的整機(jī)診斷系統(tǒng)，能夠提高維修的效率，同時增加發(fā)電機(jī)的使用壽命，從而提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、安全性。

[1]關(guān)立山.世界風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀及展望[J].全球科技經(jīng)濟(jì)展望，2004 (6):24.

[2]洪良友.風(fēng)力機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2008(3):40-43.

[3]周明.風(fēng)速相關(guān)性對最優(yōu)潮流的影響[J].電力系統(tǒng)自動化，2013 (6):57.

[4]李占芳.齒輪箱故障診斷中振動信號處理方法綜述[J].煤礦機(jī)械報，2005(8):136.

（編輯：劉楠）

W ind Turbine Engine Fault Diagnosis

Yang Zhijun
(Shanxi Jianghe Biomass Energy Generation Com pany,Yuncheng Shanxi043610)

Through the machine structure of wind turbine and its fault diagnosis technique for the analysis of the status quo and development trend of direction,at the same time,combined with China'swind turbines in the actual operation condition in the process of industrial production,which discuss the optimization design ofwind turbine fault diagnosis system,promote the improvementof diagnosis and maintenance technology.

green and environmental protection;energy saving and consumption reduction;wind generation;fault diagnosis;wind turbine generator

TM 315

A

2095-0748(2016)16-0038-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.16.16

2016-07-10

楊志軍（1972—），男，山西絳縣人，?？?，工程師，從事電氣工程技術(shù)工作，現(xiàn)任山西江河生物質(zhì)能發(fā)電有限公司副總經(jīng)理。