基于SCADA數(shù)據(jù)的齒輪箱軸承溫度高故障診斷

文 | 秦杰

受平價(jià)上網(wǎng)政策的影響，剛剛過去的一年，風(fēng)電行業(yè)出現(xiàn)一輪“搶裝潮”。2021 年，我國新核準(zhǔn)的陸上風(fēng)電項(xiàng)目將實(shí)現(xiàn)全面平價(jià)，不再獲得補(bǔ)貼。同時(shí)，“搶裝潮”過后，風(fēng)電項(xiàng)目也將由增量時(shí)代進(jìn)入存量時(shí)代，如何通過精準(zhǔn)的智慧運(yùn)維模式，對風(fēng)電機(jī)組重要部件進(jìn)行更智能、更細(xì)分的狀態(tài)監(jiān)測，已經(jīng)成為新增及存量風(fēng)電項(xiàng)目運(yùn)維管理的迫切需求，從提升機(jī)組運(yùn)維效率、保障機(jī)組高可用率、降低后續(xù)運(yùn)維成本幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)“降本增效”，勢必將成為行業(yè)最重要的訴求之一。

為了減少風(fēng)電場運(yùn)營維護(hù)成本，保證風(fēng)電機(jī)組持續(xù)可靠運(yùn)行，許多運(yùn)行監(jiān)測裝置和狀態(tài)識(shí)別與預(yù)警方法相繼推出。但相比于此，直接通過風(fēng)電場配置的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA，Supervisory Control and Data Acquisition）實(shí)時(shí)記錄的數(shù)據(jù)對風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，既不需要增加合適的安裝空間，也不會(huì)帶來額外的成本。

本文針對某風(fēng)電場機(jī)組頻繁報(bào)出的齒輪箱后端軸承溫度高故障，從風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特性出發(fā)，基于SCADA 運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，構(gòu)建輸入/輸出變量歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)折線圖，通過選取故障變量并分析其運(yùn)行曲線的變化規(guī)律尋找造成部件整體異常的原因，實(shí)現(xiàn)故障的輔助判斷與初步定位。

表1 齒輪箱的基本組成及主要參數(shù)

表2 齒輪箱各個(gè)結(jié)構(gòu)部件的故障模式和故障原因

風(fēng)電機(jī)組齒輪箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

在水平軸雙饋式風(fēng)電機(jī)組中，齒輪箱是傳動(dòng)鏈非常關(guān)鍵的一個(gè)零部件，作用不可替代，并且一旦發(fā)生內(nèi)部齒輪損壞等大型故障，就需要拆卸整個(gè)風(fēng)輪，對傳動(dòng)鏈進(jìn)行整體更換，因此，齒輪箱故障是造成機(jī)組停機(jī)時(shí)間較長的因素之一。

傳動(dòng)鏈中齒輪箱的功能是把葉輪的扭矩傳遞到發(fā)電機(jī)，把風(fēng)能通過轉(zhuǎn)子葉片從機(jī)組主軸傳遞到齒輪箱，最后通過柔性聯(lián)軸器傳遞到發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。同時(shí)，齒輪箱還起到將轉(zhuǎn)子的速度提高到發(fā)電機(jī)的同步速度，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)快速旋轉(zhuǎn)發(fā)電的作用。其主要結(jié)構(gòu)形式如表1 所示。

齒輪箱的結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)較復(fù)雜，其中，某一結(jié)構(gòu)的失效就可能引發(fā)齒輪箱整體故障，進(jìn)而造成嚴(yán)重的后果。由于其構(gòu)件的結(jié)構(gòu)、工作形式不同，發(fā)生故障（如表2）的概率也不盡相同。

齒輪箱結(jié)構(gòu)中齒輪及軸承故障所占的比例最高，其能否正常有效地運(yùn)行不僅會(huì)直接影響到整個(gè)齒輪箱的運(yùn)行狀態(tài)，也會(huì)影響整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行與維護(hù)。齒輪箱故障按照發(fā)生原因可分為兩類：一類是制造誤差和裝配不規(guī)范等造成的故障；另一類是齒輪箱在長期經(jīng)受交變載荷運(yùn)行過程中逐漸產(chǎn)生的不同形式故障，比如：斷齒、點(diǎn)蝕、膠合、疲勞裂紋等。

在風(fēng)電機(jī)組增速齒輪箱并網(wǎng)運(yùn)行初期發(fā)生的故障中，以高速軸軸承溫度高的問題較為典型。作為高速級(jí)的第三級(jí)平行軸輸出部分，由于轉(zhuǎn)速較高，相對轉(zhuǎn)矩較大，在長時(shí)間持續(xù)工作中容易出現(xiàn)軸承溫度超過限值報(bào)警或故障引發(fā)機(jī)組停機(jī)問題。

表3 風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)指標(biāo)

圖1 故障診斷流程

某機(jī)組齒輪箱軸承溫度高故障原因分析及改進(jìn)方案

河南某風(fēng)電場所用的機(jī)組為水平軸三葉片雙饋異步發(fā)電機(jī)組，單機(jī)功率2MW，詳細(xì)指標(biāo)見表3。進(jìn)入11 月，該風(fēng)電場機(jī)組開始頻繁出現(xiàn)齒輪箱后端軸承溫度高（Gearbox HS Bearing Back Too Hot）故障。

本文針對這一問題，在齒輪運(yùn)行機(jī)理和分析理論的基礎(chǔ)上，對其相關(guān)SCADA 歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究，實(shí)現(xiàn)對齒輪箱故障的預(yù)警以及診斷。故障診斷流程如圖1 所示。

一、故障初步診斷及硬件排查

通過查詢相關(guān)資料以及對該風(fēng)電場其余風(fēng)電機(jī)組的共性進(jìn)行分析可知，主要應(yīng)從以下兩個(gè)方面考慮造成齒輪箱軸承溫度高報(bào)警的物理原因：

（1）齒輪箱正常運(yùn)行產(chǎn)生過多熱量，主要包括齒輪箱傳動(dòng)部件卡滑、內(nèi)部機(jī)械部件磨損和機(jī)組長時(shí)間滿發(fā)導(dǎo)致的齒輪箱油溫過高。

（2）齒輪箱某些部件出現(xiàn)故障或設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的軸承過溫，具體表現(xiàn)為：油冷卻系統(tǒng)故障，包括：冷卻風(fēng)扇故障及風(fēng)扇電機(jī)、溫控閥失效、油冷散熱片堵塞、浮塵覆著、安全閥失效等；油循環(huán)不暢，包括：潤滑油有雜質(zhì)或質(zhì)量差、過濾系統(tǒng)濾芯堵塞、油泵電機(jī)故障、油位過高或者油位過低；溫度傳感器數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實(shí)際溫度不符，包括：溫度傳感器本身存在故障、溫度傳感器安裝不規(guī)范、測溫回路有問題；整機(jī)參數(shù)設(shè)置不合理，包括：風(fēng)電機(jī)組齒輪箱油溫報(bào)警設(shè)置不合理、風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。

因機(jī)組并網(wǎng)時(shí)間短，整體不滿半年，因此，排除齒輪箱長期經(jīng)受交變載荷運(yùn)行過程中逐漸產(chǎn)生的不同形式故障，考慮過溫是由齒輪箱某些部件出現(xiàn)故障或設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致。通常來說，面對過溫這類故障，首先考慮的是油冷卻與循環(huán)系統(tǒng)的問題，但在對冷卻風(fēng)扇、雙速油泵電機(jī)，以及溫控閥芯、溫度傳感器等可能引起軸承溫度高的硬件故障排查中，均未發(fā)現(xiàn)異常。

二、基于SCADA數(shù)據(jù)的故障診斷

（一）變量選取

風(fēng)電機(jī)組的SCADA 數(shù)據(jù)即為風(fēng)電機(jī)組各個(gè)傳感器監(jiān)測點(diǎn)記錄的監(jiān)測數(shù)據(jù)，其中蘊(yùn)含著機(jī)組性能的大量信息，具有非常大的研究價(jià)值。本文選取該風(fēng)電機(jī)組故障發(fā)生前后6 小時(shí)的實(shí)際SCADA 運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用SPSS 數(shù)據(jù)分析軟件制作相關(guān)變量時(shí)間序列趨勢圖。在以時(shí)間間隔為1min 的SCADA 記錄的數(shù)據(jù)中，經(jīng)過篩選，得到表4 中的8 個(gè)變量。

（二）變量分析

1.齒輪箱油溫、風(fēng)速與功率關(guān)系分析

風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速與功率運(yùn)行關(guān)系反映的是風(fēng)電機(jī)組整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，是風(fēng)電機(jī)組 SCADA 數(shù)據(jù)最基本的一組參數(shù)，也是基于SCADA 數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組故障診斷和異常分析的主要研究對象。

圖2 為風(fēng)電機(jī)組風(fēng)速與輸出功率運(yùn)行狀態(tài)曲線和同時(shí)間段齒輪箱油溫、入口油溫運(yùn)行狀態(tài)曲線。從圖2（a）可見，風(fēng)速在17：00－18：00 時(shí)間段出現(xiàn)指數(shù)型增長，機(jī)組呈現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常狀態(tài)，觸發(fā)預(yù)警。從圖2（b）可見，齒輪箱油溫、入口油溫在前期運(yùn)行正常，但是在17：00－18：00 時(shí)間段出現(xiàn)明顯降低現(xiàn)象，下行幅度較大，運(yùn)行曲線出現(xiàn)異常，溫度最低至25℃。

圖2 風(fēng)速與功率、油溫變化曲線

表4 進(jìn)行SCADA數(shù)據(jù)分析所取變量

由上述分析可知，機(jī)組在功率增加時(shí)，油溫出現(xiàn)明顯降低。通過查閱相關(guān)參數(shù)得知，齒輪箱冷卻風(fēng)扇啟動(dòng)邏輯為油溫大于60℃或者軸溫大于70℃，顯然油溫沒有達(dá)到觸發(fā)閾值。此外，分析該風(fēng)電場同型號(hào)故障機(jī)組的SCADA 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，二者有著基本相同的運(yùn)行規(guī)律。

2. 齒輪箱過濾器進(jìn)出口壓力與軸承溫度關(guān)系分析

圖3 為風(fēng)電機(jī)組齒輪箱過濾器進(jìn)出口壓力與齒輪箱前后端軸承溫度關(guān)系曲線圖。從圖3（a）來看，齒輪箱過濾器進(jìn)出口壓力在17：00－18：00 時(shí)間段出現(xiàn)明顯升高。從圖3（b）來看，在17：00－18：00 時(shí)間段齒輪箱后端軸承溫度超出閾值，出現(xiàn)異常狀態(tài)，觸發(fā)預(yù)警；而前端軸承溫度狀態(tài)指標(biāo)雖有波動(dòng)，但未超出閾值。

三、診斷結(jié)果

進(jìn)入11 月以后，該風(fēng)電場的氣溫急轉(zhuǎn)直下，日間平均氣溫為5℃左右，比10 月的平均氣溫下降約10℃。隨著外部環(huán)境溫度持續(xù)降低，齒輪箱冷卻系統(tǒng)中的散熱器散熱效果加強(qiáng)。在風(fēng)速突然增大的情況下，機(jī)組功率增加，后端軸承溫度上升很快，導(dǎo)致與后端軸承溫度關(guān)聯(lián)的冷卻風(fēng)扇開啟，經(jīng)過冷卻后的齒輪油溫度迅速降低，最低至25℃。由于齒輪箱潤滑油的粘度會(huì)伴隨著溫度的降低而增大，進(jìn)而導(dǎo)致齒輪箱濾油器油壓增大，部分機(jī)組甚至超過10bar。當(dāng)壓力超過溢流壓力時(shí)，部分潤滑油就會(huì)通過溢流閥返回到齒輪箱，達(dá)不到油循環(huán)的目的。隨著濾油器出口潤滑油流量的減少，分配到各個(gè)齒輪和軸承潤滑點(diǎn)的油量也隨之減少，導(dǎo)致齒輪箱潤滑系統(tǒng)的潤滑冷卻效果降低，從而引起齒輪油溫度看似很低，而后端軸承的溫度持續(xù)升高。當(dāng)后端軸承即高速端軸承溫度高于機(jī)組設(shè)定的閾值溫度時(shí)，引發(fā)風(fēng)電機(jī)組故障停機(jī)。

四、改進(jìn)方案

通過核算，對齒輪箱潤滑系統(tǒng)進(jìn)后端軸承油管進(jìn)行加粗改造。此舉可以減少潤滑油沿程壓力損失與溢流損失，增加進(jìn)入后端軸承的潤滑油流量，從而抑制后端軸承溫升過快，延遲冷卻風(fēng)扇啟動(dòng)時(shí)間，保證齒輪箱潤滑油溫度出現(xiàn)一個(gè)緩慢上升的過程，降低潤滑油的粘度，使分配到各個(gè)齒輪和軸承潤滑點(diǎn)的油量充足，將后端軸承溫度穩(wěn)定在合理的數(shù)值。

測試發(fā)現(xiàn)，機(jī)組后端軸溫能夠穩(wěn)定運(yùn)行在70℃左右，特別惡劣工況下，運(yùn)行在80℃左右，運(yùn)行正常。

圖3 齒輪箱過濾器進(jìn)出口壓力、軸承溫度曲線

結(jié)論

本文基于SCADA 數(shù)據(jù)對某風(fēng)電場2MW 風(fēng)電機(jī)組在低溫運(yùn)行中出現(xiàn)的齒輪箱軸承溫度高故障停機(jī)問題進(jìn)行研究，找到了影響停機(jī)的原因并提出改進(jìn)方案。研究結(jié)果表明，基于SCADA 參數(shù)關(guān)系模型的風(fēng)電機(jī)組故障診斷方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行異常狀態(tài)的識(shí)別和診斷，進(jìn)而做出正確的維護(hù)決策。