海上風(fēng)電機(jī)組主要機(jī)械故障機(jī)理研究

宋守勇 張寧 和法利

摘 要：現(xiàn)階段風(fēng)能持續(xù)發(fā)展，大規(guī)模的風(fēng)電機(jī)組得到了廣泛的使用，因?yàn)榇蠖鄶?shù)的機(jī)組都是設(shè)置在偏遠(yuǎn)的地區(qū)，所以存在較多的不確定因素，我們國(guó)家大多數(shù)的風(fēng)電機(jī)組都產(chǎn)生了一定的問(wèn)題，這樣也就影響到了風(fēng)力發(fā)電的安全性以及經(jīng)濟(jì)性。要想使得風(fēng)電保持一個(gè)良好的運(yùn)行狀態(tài)，使其競(jìng)爭(zhēng)力有所上升，就需要持續(xù)降低風(fēng)力發(fā)電成本。在這種情況下，本文詳細(xì)地分析了海上風(fēng)電機(jī)組所存在的機(jī)械故障機(jī)理。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電場(chǎng)；風(fēng)電機(jī)組；機(jī)械故障；風(fēng)力發(fā)電

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）17-0146-02

1 風(fēng)電機(jī)組維修方案

風(fēng)電場(chǎng)包括定位維護(hù)方案、停機(jī)維護(hù)方案以及狀態(tài)檢測(cè)方案，在進(jìn)行定期維護(hù)的時(shí)候，需要對(duì)于系統(tǒng)開(kāi)展周期性的檢查以及維護(hù)，而且周期的長(zhǎng)度需要按照設(shè)備的時(shí)間進(jìn)行聯(lián)系，并且需要正確解除風(fēng)電機(jī)組。主要的優(yōu)勢(shì)就是停機(jī)幾率比較低，而且需要確保計(jì)劃能夠順利開(kāi)展，在補(bǔ)給配件的時(shí)候比較方便。要是設(shè)備出現(xiàn)了磨損以及疲勞的情況，需要等到維修周期才可以進(jìn)行替換。要是使用時(shí)間還沒(méi)有使用完，在經(jīng)過(guò)維修之后能夠繼續(xù)使用，但是因?yàn)檫M(jìn)行了替換，所以出現(xiàn)了資源浪費(fèi)的情況。不僅日粗，載重機(jī)以及維修人員所需要消耗的資金是比較多的，要是路程比較遠(yuǎn)，也會(huì)消耗較多的運(yùn)輸費(fèi)用，而且持續(xù)往返也會(huì)消耗一定的資金。由于天氣因素影響比較大，所以定期維護(hù)很難在海上風(fēng)電發(fā)揮實(shí)際的效果。

風(fēng)機(jī)電阻停機(jī)檢修的概率比較小，要想進(jìn)行停機(jī)維修，就需要在設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重事故才可以開(kāi)展。在進(jìn)行停機(jī)維修的時(shí)候，比較容易出現(xiàn)較大的風(fēng)險(xiǎn)，而且需要消耗較多的停機(jī)檢修時(shí)間，最主要的就是會(huì)消耗較多的供應(yīng)時(shí)間。不僅如此，因?yàn)榇嬖谝欢ǖ奶鞖庥绊懸蛩兀詴?huì)造成更大的損失，在這種情況下，使用停機(jī)維修方案很難充分發(fā)揮實(shí)際的效果。

2 所存在的故障和機(jī)理

風(fēng)電機(jī)組經(jīng)常設(shè)置在比較偏遠(yuǎn)的風(fēng)口處，而且因?yàn)榇嬖谝欢ǖ淖兿蜇?fù)荷風(fēng)力作用，而且因?yàn)榇嬖趶?qiáng)風(fēng)的以你關(guān)系以及溫差的影響，所以比較容易出現(xiàn)故障。

風(fēng)電機(jī)存在的故障是比較多的，由于風(fēng)電場(chǎng)存在一定的差異，而且各種情況都存在一定的不同之處，所以機(jī)組的故障類型也會(huì)有所不同。在這個(gè)圖中，主要就是2000-2004年之前瑞典風(fēng)電場(chǎng)故障數(shù)據(jù)，這樣能夠看出，在機(jī)組中電氣系統(tǒng)是最容易發(fā)生故障事故的部件，接著就是傳感器以及葉片變槳設(shè)施。之所以出現(xiàn)停機(jī)情況，就是因?yàn)辇X輪箱出現(xiàn)了問(wèn)題，接著就是控制系統(tǒng)故障以及電氣故障。通過(guò)統(tǒng)計(jì)能夠看出，我們國(guó)家的風(fēng)場(chǎng)齒輪箱損壞率是比較高的，這些故障包括：如圖1所示。

2.1 齒輪箱故障

齒輪箱對(duì)于升速型風(fēng)電機(jī)來(lái)說(shuō)是比較重要的，這個(gè)設(shè)備使得風(fēng)輪受到了風(fēng)力作用產(chǎn)生動(dòng)力，這些動(dòng)力會(huì)傳給發(fā)電機(jī)，而且會(huì)出現(xiàn)一定的轉(zhuǎn)速。通過(guò)對(duì)于風(fēng)輪以及發(fā)電機(jī)特點(diǎn)的分析能夠看出，齒輪箱在使用的時(shí)候會(huì)受到靜態(tài)負(fù)荷以及動(dòng)態(tài)負(fù)荷，這樣就會(huì)出現(xiàn)一定的故障問(wèn)題。因?yàn)橹圃彀惭b、操作維護(hù)以及其他各個(gè)方面存在一定的差異，所以故障的發(fā)生時(shí)間以及發(fā)生程度也會(huì)有所不同。齒輪在使用的過(guò)程中，因?yàn)辇X輪制造出現(xiàn)問(wèn)題或者是操作維護(hù)出現(xiàn)差錯(cuò)，就會(huì)出現(xiàn)失效的情況，主要的失效形式包括：

（1）齒輪出現(xiàn)失效的情況：齒面出現(xiàn)磨損以及擦傷的情況，而且還包括斷齒等情況；（2）軸和軸系：軸失衡，還包括彎曲以及不對(duì)稱的情況；（3）滾動(dòng)軸承：內(nèi)環(huán)，外環(huán)以及滾動(dòng)體出現(xiàn)點(diǎn)蝕情況，保持架出現(xiàn)損壞的問(wèn)題；（4）滾動(dòng)軸承：內(nèi)環(huán)，外環(huán)和滾動(dòng)體的點(diǎn)蝕和疲勞剝落，保持架損壞等。

2.2 電氣系統(tǒng)故障

風(fēng)電機(jī)組的電氣系統(tǒng)主要就是把電氣設(shè)備和電網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)系，往電網(wǎng)中輸送電能，并且控制電能參數(shù)?，F(xiàn)階段設(shè)計(jì)工作主要就是借助電氣設(shè)備來(lái)控制功率以及頻率，這樣可以產(chǎn)生軟并網(wǎng)。在大功率并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)里面，雙饋型電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速恒頻發(fā)電系統(tǒng)有著較高的性價(jià)比，現(xiàn)階段得到了較多的使用。電氣系統(tǒng)的投資占據(jù)的風(fēng)電機(jī)組總投資的比例是比較小的，但是故障率卻比較高。電氣系統(tǒng)中存在著較多的部件，而且故障的種類也比較多。

2.3 發(fā)電機(jī)故障

發(fā)電機(jī)能夠把旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，現(xiàn)階段使用最多的就是雙饋式異步發(fā)電機(jī)。通過(guò)分析能夠看出，風(fēng)機(jī)里面中的軸承、定子以及轉(zhuǎn)子比較容易出現(xiàn)故障問(wèn)題。定子以及轉(zhuǎn)子故障問(wèn)題含有：匝間繞組出現(xiàn)開(kāi)路的情況，存在繞組短路情況，定子繞組連接出現(xiàn)問(wèn)題。至于異步電機(jī)產(chǎn)生了故障問(wèn)題包括：電氣不夠?qū)ΨQ，電機(jī)損耗情況加劇，效率較低，繞組較熱。不僅如此，因?yàn)橛蜏乇容^高，振動(dòng)比較大，而且存在雜聲的情況以及絕緣損壞的情況，所以發(fā)電機(jī)也會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

3 風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及對(duì)于故障的診斷

3.1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)

在之前風(fēng)電場(chǎng)主要是選擇事后維修的形式，等到部件出現(xiàn)失效的問(wèn)題才選擇維修。由于裝機(jī)容量的持續(xù)增加，風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)始選擇預(yù)防性維修方法，大多數(shù)的經(jīng)營(yíng)人員會(huì)選擇定期檢查測(cè)量，并且聯(lián)系所存在的各種經(jīng)驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)機(jī)組的狀態(tài)。不過(guò)還是存在一定的問(wèn)題：第一點(diǎn)就是檢查成本比較高，要選擇停機(jī)，而且需要到機(jī)組里面；第二點(diǎn)就是僅僅可以選擇定期評(píng)估，這樣不能充分掌握設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)?，F(xiàn)階段因?yàn)闋顟B(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)以及故障診斷技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，開(kāi)始出現(xiàn)了一些新型的維修技術(shù)。

3.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)包括：振動(dòng)分析技術(shù)、油液監(jiān)測(cè)技術(shù)、熱成像技術(shù)、過(guò)程參數(shù)監(jiān)視技術(shù)以及性能參數(shù)檢查技術(shù)。當(dāng)然也涉及到了：物理狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)、應(yīng)變測(cè)量技術(shù)，聲學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)以及自我診斷技術(shù)等。通過(guò)分析能夠看出，要是葉片出現(xiàn)了故障的情況，能夠選擇應(yīng)變測(cè)量以及振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)；在檢測(cè)變槳系統(tǒng)的時(shí)候，可以選擇參數(shù)估計(jì)的措施；對(duì)于齒輪箱的監(jiān)測(cè)可以選擇傳感器振動(dòng)分析的措施，比較常見(jiàn)的傳感器就是加速度傳感器以及位移傳感器，位移傳感器就是明確低速運(yùn)行的狀態(tài)。通過(guò)對(duì)于聲發(fā)射技術(shù)的使用可以及時(shí)地解決所存在的突變問(wèn)題，尤其是可以解決所存在的潛在故障。

3.3 故障診斷技術(shù)

現(xiàn)將誒的故障診斷技術(shù)的種類是比較多的，其中包括普通的診斷方法、數(shù)學(xué)診斷方法以及智能故障診斷措施；一般情況下，普通的診斷方法能夠研究所存在的各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而且通過(guò)和其他形式的聯(lián)系，能夠及時(shí)地診斷所存在的故障。數(shù)學(xué)診斷措施能夠明確所選擇的模式，而且會(huì)借助概率設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行模型診斷工作，而且也涉及到了對(duì)于各種故障的診斷。有關(guān)的智能診斷方法涉及到了模糊邏輯方法、專家系統(tǒng)診斷、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷以及遺傳算法診斷。

4 風(fēng)電機(jī)組故障智能診斷

4.1 選擇診斷方法

現(xiàn)階段在診斷旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的時(shí)候，可以選擇專家系統(tǒng)以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行診斷。專家系統(tǒng)在檢查旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障問(wèn)題的時(shí)候，能夠取得一定的效果，不過(guò)還是會(huì)遇到一定的問(wèn)題，首先就是設(shè)置知識(shí)庫(kù)以及驗(yàn)證知識(shí)庫(kù)的時(shí)候不夠完善；而且容錯(cuò)能力較低，沒(méi)有一個(gè)合理的措施來(lái)檢查所存在的信息。一般大型專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)在進(jìn)行維護(hù)的時(shí)候是比較困難的，而且在進(jìn)行診斷的時(shí)候比較容易出現(xiàn)一定的問(wèn)題。通過(guò)比較能夠看出，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)明確多于專家系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)于風(fēng)力機(jī)故障診斷的分析能夠看出，風(fēng)力發(fā)電在我們國(guó)家的發(fā)展速度比較緩慢，而且最早使用的風(fēng)電機(jī)組還是比較容易故障問(wèn)題，有關(guān)的維修保護(hù)經(jīng)驗(yàn)還是不夠健全。所以在監(jiān)理大規(guī)模的專家?guī)斓臅r(shí)候，比較容易出現(xiàn)不完整的情況。有關(guān)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于條件的要求也比較高，而且故障監(jiān)測(cè)工作也比較簡(jiǎn)單。不僅如此，在監(jiān)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組的時(shí)候，需要確保有著一定的容錯(cuò)能力以及實(shí)時(shí)性，而且要是檢測(cè)到了故障，就需要及時(shí)地采取措施進(jìn)行應(yīng)對(duì)。

所以使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)開(kāi)展風(fēng)電故障診斷工作是一個(gè)正確的選擇，不過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的使用案例比較少，不過(guò)在機(jī)械故障診斷工作中得到了廣泛的使用，特別是在診斷齒輪箱以及發(fā)電機(jī)的時(shí)候，存在較多的參考經(jīng)驗(yàn)。在這種情況下，需要正確使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)設(shè)置風(fēng)電機(jī)組智能診斷系統(tǒng)。

4.2 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)

風(fēng)電機(jī)組預(yù)警診斷系統(tǒng)有著比較完整的軟件系統(tǒng)，而且含有訓(xùn)練功能以及診斷功能，并且也包括一定的輔助功能，其中包括實(shí)時(shí)診斷功能、實(shí)時(shí)監(jiān)控功能、數(shù)據(jù)查詢功能以及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等。在這個(gè)系統(tǒng)中需要按照風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組的運(yùn)行情況來(lái)開(kāi)展診斷工作，所以也會(huì)包括遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)以及本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)主要就是存儲(chǔ)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本，訓(xùn)練所得的網(wǎng)絡(luò)模型、用戶信息以及各種參數(shù)；在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)里面會(huì)存儲(chǔ)和診斷有聯(lián)系的風(fēng)電機(jī)組參數(shù)和診斷結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段風(fēng)能在世界中得到了廣泛的使用，不過(guò)風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行的時(shí)候還是會(huì)出現(xiàn)一定的故障，對(duì)于有關(guān)的企業(yè)來(lái)說(shuō)，需要降低發(fā)電成本，而且需要提升機(jī)組運(yùn)行的可靠性。風(fēng)電機(jī)組是比較復(fù)雜的機(jī)電綜合系統(tǒng)，現(xiàn)階段主要的故障形式包括齒輪箱故障、電氣系統(tǒng)故障以及發(fā)電機(jī)故障，而且各個(gè)故障之間會(huì)存在一定的聯(lián)系，在這種情況下就需要充分掌握風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，不過(guò)現(xiàn)階段的故障診斷還是存在較多的問(wèn)題。所以需要設(shè)置一個(gè)合理的風(fēng)電機(jī)組故障診斷系統(tǒng)，充分研究故障信息所存在的知識(shí)，這樣不僅能夠及時(shí)地診斷所存在的故障，而且可以獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]淺析國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電發(fā)展環(huán)境[J].稀土信息，2018，（03）：32-34.

[2]楊樹(shù)坤.海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的對(duì)策與建議[J/OL].中國(guó)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)：1-3[2018-05-25].

[3]吳俊輝，劉作輝，李力森，黃強(qiáng)，陳明亮，常璐.大型海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的載荷分析及載荷優(yōu)化控制方法[J].電器工業(yè)，2018，（03）：69-71.

[4]楊歌.2017風(fēng)電行業(yè)變革與轉(zhuǎn)型并舉[N].機(jī)電商報(bào)，2018-03-05（A07）.