基于人工智能的偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)

黃久平

（國電和風(fēng)風(fēng)電開發(fā)有限公司，吉林 長春 130000）

0 引言

作為水平軸風(fēng)電機(jī)組中的重要組成部分之一，偏航系統(tǒng)承擔(dān)著幫助風(fēng)電機(jī)組捕獲風(fēng)能的職責(zé)。在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的過程中，偏航系統(tǒng)的功能具體表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面，一是跟蹤風(fēng)向變化情況，當(dāng)風(fēng)向發(fā)生變化時(shí)偏航系統(tǒng)將與風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)形成聯(lián)動(dòng)關(guān)系，以便于風(fēng)電機(jī)組能夠及時(shí)根據(jù)風(fēng)向的變化調(diào)整對(duì)風(fēng)口，提高風(fēng)向系統(tǒng)整體風(fēng)能的捕獲效率；二是阻止電纜斷裂，風(fēng)向系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中會(huì)因?yàn)殡娎|出現(xiàn)單向纏繞的現(xiàn)象，從而引發(fā)電纜斷裂問題。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組的機(jī)艙發(fā)生電纜纏繞問題時(shí)，偏航系統(tǒng)將會(huì)觸發(fā)自動(dòng)解纜功能，從而維護(hù)風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。因此，通過開展偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)研究能夠維護(hù)偏航系統(tǒng)的穩(wěn)定，從而為風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供保障。

1 基于人工智能的偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)研究的必要性分析

偏航系統(tǒng)是連接機(jī)艙與塔筒的核心環(huán)節(jié)，而且，偏航系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)能利用率的必備組件之一。偏航系統(tǒng)一旦產(chǎn)生故障，輕則損失發(fā)電量，影響機(jī)組的正常運(yùn)行，重則需動(dòng)用大型吊裝設(shè)備進(jìn)行檢修、更換。聯(lián)合動(dòng)力1.5MW機(jī)組常見故障為偏航噪音大、偏航振動(dòng)、齒輪箱打齒、偏航制動(dòng)盤磨損、摩擦片異常磨損等故障[1]。主機(jī)廠原設(shè)計(jì)中針對(duì)偏航系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)測幾乎沒有，目前完全依靠人工進(jìn)行巡檢。由于偏航系統(tǒng)的安裝結(jié)構(gòu)的特性，通過靜態(tài)肉眼檢查很多問題無法發(fā)現(xiàn)。因此有必要針對(duì)偏航系統(tǒng)主要設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的故障預(yù)警。

2 風(fēng)電機(jī)組中偏航系統(tǒng)常見的故障問題

2.1 摩擦片異常磨損

由于機(jī)組多年運(yùn)行偏航系統(tǒng)部件老化、振動(dòng)導(dǎo)致各部件故障，其中包括液壓系統(tǒng)故障、制動(dòng)器故障、盤體塊狀剝落等原因，造成摩擦片異常磨損。當(dāng)發(fā)生異常磨損時(shí)，摩擦片壽命會(huì)嚴(yán)重縮短，因?yàn)闆]有限位報(bào)警，未及時(shí)發(fā)現(xiàn)就會(huì)造成制動(dòng)器壓板、液壓缸在壓力作用下直接磨盤體。輕則盤體出現(xiàn)不同程度的劃痕，嚴(yán)重可導(dǎo)致偏航盤變形[2]。若沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，有可能造成偏航負(fù)荷過載伴嚴(yán)重振動(dòng)導(dǎo)致偏航電機(jī)、齒輪箱損壞。

2.2 偏航齒輪箱故障

由于齒輪箱下沉、大小齒潤滑不良、大小齒嚙合間隙不良會(huì)導(dǎo)致小齒輪與大齒產(chǎn)生噪音和振動(dòng)，嚴(yán)重會(huì)發(fā)生齒輪嚙合卡死現(xiàn)象。以上故障的初期都會(huì)產(chǎn)生異音，若早發(fā)現(xiàn)早治理，短時(shí)停機(jī)就可輕松治理。但發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，造成嚴(yán)重后果，維修難度極大[3]。

2.3 制動(dòng)力矩不足

正常情況下，完成偏航后制動(dòng)器加壓至160bar保壓穩(wěn)定機(jī)頭方向。機(jī)組在風(fēng)載作用下整機(jī)會(huì)不規(guī)律晃動(dòng)，當(dāng)制動(dòng)力矩不足時(shí)會(huì)發(fā)生制動(dòng)器抱不住的現(xiàn)象，表現(xiàn)的特征是隨晃動(dòng)發(fā)出噪音及振動(dòng)。此類情況若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并治理，將嚴(yán)重危害機(jī)組安全。制動(dòng)力矩不足的原因包括：液壓系統(tǒng)故障；制動(dòng)器故障；偏航盤經(jīng)多年運(yùn)行過于光滑導(dǎo)致制動(dòng)器與盤之間摩擦系數(shù)過低，達(dá)不到預(yù)期制動(dòng)力；個(gè)別制動(dòng)器摩擦片耗盡未及時(shí)更換，導(dǎo)致制動(dòng)力矩不足。

2.4 偏航制動(dòng)盤磨損

盤體的磨損主要來自制動(dòng)器，因偏航過程中主液壓站用10%的剎車載荷（25bar-15bar的冗余壓力）給系統(tǒng)提供一定的阻尼，使得偏航過程中始終有阻尼存在，保證機(jī)艙平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。如果個(gè)別摩擦片耗盡，摩擦力矩不均勻，偏航運(yùn)動(dòng)摩擦過程中制動(dòng)盤上的多個(gè)受力點(diǎn)受力情況不一致，會(huì)造成偏航制動(dòng)盤磨損，嚴(yán)重可致盤體變形。

2.5 偏航齒圈軸承損壞

易發(fā)生斷齒，內(nèi)外圈之間的滾道脫落、剝離，產(chǎn)生的原因有潤滑不良、受沖擊載荷，熱處理工藝不達(dá)標(biāo)。潤滑不良和沖擊載荷在早期都會(huì)出現(xiàn)輕微的異音，難于發(fā)現(xiàn)。后期噪音變大代表著已發(fā)生不可逆的磨損，難以治理。

綜上可見，偏航系統(tǒng)為多機(jī)械設(shè)備，相互配合的同時(shí)又相互影響，僅一個(gè)小小的摩擦片可導(dǎo)致一系列設(shè)備故障。故障發(fā)生的初期治理難度小費(fèi)用低，但磨損量小、異音輕微，巡檢人員難以發(fā)現(xiàn)，故障后期，人員巡檢易于發(fā)現(xiàn)，但此時(shí)由于部件損壞嚴(yán)重維修費(fèi)用高昂，停機(jī)損失發(fā)電量大，影響機(jī)組安全運(yùn)行。

3 基于人工智能的偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 基于人工智能的偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)以聲音采集模塊、激光測量識(shí)別模塊為核心，通過開發(fā)可發(fā)出特殊音頻的摩擦片的形式實(shí)現(xiàn)偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)化預(yù)警[4]。以聲、光為識(shí)別核心的偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)具有以下五個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)，一是系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)，該系統(tǒng)以聲、光為識(shí)別核心，能夠滿足不同類型的風(fēng)向機(jī)組機(jī)型的需要，降低了置換系統(tǒng)的成本。二是滿足非接觸式采集數(shù)據(jù)的需求，以聲、光為識(shí)別核心的偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中不需要額外在監(jiān)測部件上安裝傳感器，也不需要連接任何線纜，避免出現(xiàn)電纜單向纏繞的現(xiàn)象，保障風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；三是聲音采集模塊、激光測量識(shí)別模塊體積較小，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中所耗費(fèi)的能耗較低，且不需要頻繁地維護(hù)；四是特殊音頻式預(yù)警，偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)能夠發(fā)出特殊音頻，數(shù)據(jù)系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)捕捉該音頻信息；五可擴(kuò)展性強(qiáng)，以聲、光為識(shí)別核心的偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)具有極高的應(yīng)用擴(kuò)展性，除了應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組中，未來還可滿足輪轂、傳動(dòng)鏈等監(jiān)測領(lǐng)域的需求[5]。

3.2 基于人工智能的偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用

風(fēng)電機(jī)組中偏航系統(tǒng)主要由兩個(gè)兩個(gè)模塊所組成，分別是機(jī)械以及電控，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了能夠保障偏航系統(tǒng)的運(yùn)行，風(fēng)速風(fēng)向儀實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)電系統(tǒng)所處區(qū)域的風(fēng)速以及風(fēng)向狀況，并利用后臺(tái)系統(tǒng)將處理后的信息反饋至偏航電機(jī)系統(tǒng)中，此時(shí)剎車松開，偏航電機(jī)正反轉(zhuǎn)，并將反饋信息輸送至制動(dòng)器，制動(dòng)器接收反饋信號(hào)后及時(shí)調(diào)整偏航角，從而達(dá)到預(yù)期效果，以保障風(fēng)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[6]。

圖1 偏航系統(tǒng)的機(jī)械組成圖

為了能夠滿足以聲音采集模塊、激光測量識(shí)別模塊為核心，具備可發(fā)出特殊音頻功能的摩擦片，在設(shè)計(jì)摩擦片時(shí)主要選擇6mm的標(biāo)準(zhǔn)摩擦材料，實(shí)現(xiàn)2mm噪音發(fā)生層的需要。如圖2所示，該摩擦片符合GB/T 11834-2011標(biāo)準(zhǔn)，適配聯(lián)合動(dòng)力1.5MW風(fēng)機(jī)偏航制動(dòng)器雙層材質(zhì)一體成型粉末冶金摩擦片，將該摩擦層最下面的2mm厚度添加特殊發(fā)音材質(zhì)，當(dāng)摩擦片整體消耗至還剩2mm時(shí)與盤體摩擦將發(fā)出特殊音頻，這種音頻被聲音采集模塊識(shí)別后將發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

圖2 具有特殊音頻的摩擦片的示例圖

基于人工智能的偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)通過監(jiān)測摩擦片所發(fā)出的特殊音頻進(jìn)行偏航系統(tǒng)故障預(yù)警，當(dāng)風(fēng)速風(fēng)向儀在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中出現(xiàn)異常偏航現(xiàn)象時(shí)，摩擦片將會(huì)因?yàn)槠较到y(tǒng)的變化與周圍的零部件共同偏位。偏航電機(jī)的正反轉(zhuǎn)機(jī)則根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向儀則會(huì)根據(jù)電控部分的信號(hào)指引與偏航盤的相對(duì)旋轉(zhuǎn)位移，達(dá)到指定位置。如果當(dāng)前偏航電機(jī)的正反轉(zhuǎn)機(jī)未達(dá)到預(yù)定位置時(shí)，此時(shí)摩擦片與盤體摩擦將發(fā)出特殊音頻，聲音采集模塊識(shí)別將會(huì)采集所發(fā)出的特殊音頻信息，經(jīng)過后臺(tái)數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將處理后的信息反饋至預(yù)警監(jiān)控后臺(tái)。此外，制動(dòng)器的工作也是由電控部分傳遞信號(hào)，通過液壓站提供壓力給制動(dòng)器油缸，推動(dòng)摩擦片，與摩擦盤相對(duì)位移產(chǎn)生摩擦力進(jìn)行工作，從而發(fā)出預(yù)警信息。

然而，偏航系統(tǒng)中的電機(jī)的初始參數(shù)以及液壓站的壓力值等相關(guān)參數(shù)主要是設(shè)計(jì)人員根據(jù)風(fēng)電系統(tǒng)所處的區(qū)域的風(fēng)向、風(fēng)速等相關(guān)數(shù)據(jù)信息激素按而得到的，使得偏航系統(tǒng)在后期無法通過改動(dòng)，或者是改型的方式實(shí)現(xiàn)偏航系統(tǒng)故障預(yù)警，只能對(duì)偏航系統(tǒng)維修以及維護(hù)的手段。而在基于人工智能的偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)中，摩擦片作為執(zhí)行元件，后期維護(hù)更換和進(jìn)行改進(jìn)的可能性更大，利用摩擦片所產(chǎn)生的特殊音頻能夠滿足偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)控和預(yù)警的需要，從而滿足偏航系統(tǒng)故障預(yù)警提前預(yù)判，以便于相關(guān)工作人員提前更換相應(yīng)的零部件，使得偏航系統(tǒng)能夠處于安全可靠的運(yùn)行狀態(tài)中。

4 結(jié)語

綜上所述，偏航系統(tǒng)常見的故障問題為摩擦片異常磨損、偏航齒輪箱故障以及制動(dòng)力矩不足等多種類型，為了能夠保障風(fēng)電機(jī)組的安全，可采取以聲音采集模塊、激光測量識(shí)別模塊為核心，通過開發(fā)可發(fā)出特殊音頻的摩擦片的形式實(shí)現(xiàn)偏航系統(tǒng)故障預(yù)警系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)化預(yù)警，以便于工作人員在故障發(fā)生的初期采取相應(yīng)的治理措施。