風(fēng)電機(jī)組突發(fā)性故障狀態(tài)檢修決策研究

郭銳

（新疆龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司，新疆 烏魯木齊 830054）

引言：隨著我國近年來風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的不斷構(gòu)建，風(fēng)電機(jī)組的投產(chǎn)量不斷提升，容量的增加是行業(yè)目前的發(fā)展趨勢(shì)，從而為國家各行各業(yè)都能夠持續(xù)穩(wěn)定輸送電力能源，但是與此同時(shí)，在風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行當(dāng)中也呈現(xiàn)出了較為明顯的問題，越來越嚴(yán)重的風(fēng)電機(jī)組故障問題對(duì)于整體風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行造成了嚴(yán)重影響，面臨風(fēng)電機(jī)組的突發(fā)性故障問題，必須及時(shí)對(duì)于相關(guān)故障原因進(jìn)行分析并解決，從而保障機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)始終處于安全可靠，基于傳統(tǒng)的故障檢修工作內(nèi)容，需要借助于現(xiàn)代化的先進(jìn)技術(shù)手段，構(gòu)建自動(dòng)化的一體化系統(tǒng)，從而提升機(jī)組故障檢修工作效率。

一、風(fēng)電機(jī)組故障檢修現(xiàn)狀

基于風(fēng)力發(fā)電在我國的發(fā)展時(shí)間來看，風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)從千瓦級(jí)機(jī)組逐步轉(zhuǎn)變?yōu)檎淄呒?jí)機(jī)組，為了能夠保障風(fēng)力發(fā)電的能源供給量，風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行容量增加，在較為空曠的郊區(qū)野外構(gòu)建的風(fēng)電機(jī)組，較為惡劣的環(huán)境當(dāng)中長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行對(duì)于風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部設(shè)備來講，產(chǎn)生了較大的影響，對(duì)設(shè)備的安全可靠運(yùn)行造成了較大的阻礙，并且在長(zhǎng)時(shí)間教條化檢修的情況下導(dǎo)致大多數(shù)的風(fēng)電機(jī)組極易發(fā)生突發(fā)性故障問題。而傳統(tǒng)檢修工作的程序化統(tǒng)一化導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組的檢修計(jì)劃缺乏充足的科學(xué)依據(jù)，面臨著檢修工作浪費(fèi)大量人力資源以及資金投入的情況下，檢修工作的實(shí)際效率相對(duì)較小，呈現(xiàn)出維修不足以及維修過剩的情況，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行以及風(fēng)電機(jī)組的工作效率造成了一定影響。在這樣的條件下需要風(fēng)電場(chǎng)能夠積極意識(shí)到風(fēng)電機(jī)組的突發(fā)故障狀態(tài)檢修工作的重要性，既能夠提升檢修工作效率，同樣也能夠有效降低風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行當(dāng)中出現(xiàn)突發(fā)性故障問題的概率，實(shí)現(xiàn)雙重保障，獲得最大效益，進(jìn)而促使風(fēng)電機(jī)組的設(shè)備使用年限增加，并保障了風(fēng)力發(fā)電的安全穩(wěn)定性[1]。結(jié)合于我國現(xiàn)階段的風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)檢修的情況來看，難以應(yīng)用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建一體化的檢修工作，缺乏對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的監(jiān)測(cè)、診斷、管理以及維修的自動(dòng)化流程建設(shè)，缺乏功能強(qiáng)大的突發(fā)故障檢測(cè)系統(tǒng)功能，在個(gè)別風(fēng)電機(jī)組的狀態(tài)檢修工作當(dāng)中能夠借助于相關(guān)專家經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建的初級(jí)故障診斷能力模塊，但是難以融入深層次的理論支撐。在檢修技術(shù)較為薄弱的局面當(dāng)中對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的突發(fā)故障狀態(tài)檢修來講，匱乏的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)對(duì)于檢修工作的應(yīng)用所提供的有效參考不夠理想，效率較低的狀態(tài)檢修功能，難以對(duì)風(fēng)電機(jī)組的正常穩(wěn)定高效運(yùn)行發(fā)揮實(shí)際效用。

二、風(fēng)電機(jī)組狀突發(fā)故障態(tài)檢修內(nèi)容

（一）數(shù)據(jù)采集

針對(duì)于風(fēng)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中出現(xiàn)的突發(fā)性故障問題，為了能夠保障風(fēng)電機(jī)組的持續(xù)穩(wěn)定的電力能源供給，需要針對(duì)于故障問題進(jìn)行及時(shí)判定，進(jìn)而提出相應(yīng)的檢修決策，從而保障風(fēng)電機(jī)組能夠恢復(fù)正常穩(wěn)定運(yùn)行，降低風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組故障的發(fā)生。結(jié)合實(shí)際來看，我國大多數(shù)的風(fēng)電發(fā)電場(chǎng)當(dāng)中的風(fēng)電機(jī)組利用與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，對(duì)于風(fēng)電機(jī)組突發(fā)故障狀態(tài)下的相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行全面收集，進(jìn)而整合完成后，能夠及時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)分析判定故障類型并提出相應(yīng)的解決措施。具體來講，一般情況下會(huì)相應(yīng)地收集風(fēng)電機(jī)組的變槳、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、風(fēng)速以及變流器等相關(guān)數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而判定風(fēng)電機(jī)組的故障時(shí)刻狀態(tài)。全面監(jiān)測(cè)當(dāng)前發(fā)生的突發(fā)性故障問題對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行產(chǎn)生的影響，實(shí)時(shí)掌控風(fēng)電機(jī)組剩余組件的運(yùn)行健康狀況，通過收集的數(shù)據(jù)進(jìn)而匯總成為風(fēng)電機(jī)組檢修決策的有力依據(jù)。

（二）在線監(jiān)測(cè)

風(fēng)電機(jī)組的在線監(jiān)測(cè)一般情況下主要是針對(duì)于機(jī)組當(dāng)中的各個(gè)組件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而在出現(xiàn)突發(fā)性故障的第一時(shí)間能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的解決措施，一般包括風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)、齒輪箱以及主軸承等相關(guān)組件。監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)主要是在自由端軸承的橫向直徑兩端分布監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這兩端同樣也是發(fā)電機(jī)最容易出現(xiàn)故障的所在，而對(duì)于齒輪箱的實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)位主要在輸出端軸承及輸出端的軸向和徑向位置，并同時(shí)檢測(cè)齒輪箱行星輪的徑向位置，保障齒輪箱容易發(fā)生突發(fā)故障的節(jié)點(diǎn)都能夠覆蓋在在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中[2]。監(jiān)測(cè)運(yùn)行設(shè)備的實(shí)時(shí)參數(shù)需要依賴于軸承處的徑向震動(dòng)情況進(jìn)行反饋，在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)當(dāng)中能夠?qū)崿F(xiàn)既定風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)范圍內(nèi)的所有風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)當(dāng)中同時(shí)對(duì)各個(gè)不同的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行監(jiān)測(cè)。面對(duì)風(fēng)電場(chǎng)當(dāng)中類型多樣化的風(fēng)電機(jī)組，都可以通過在線監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)突發(fā)性故障進(jìn)行監(jiān)控，從而通過數(shù)據(jù)的反饋能夠及時(shí)定位故障點(diǎn)，促使后續(xù)的故障狀態(tài)檢修決策工作效率能夠更快。

（三）故障類型診斷

水平軸，三葉片，上風(fēng)向風(fēng)電機(jī)組作為近年來風(fēng)力發(fā)電當(dāng)中最主流的結(jié)構(gòu)形式，常見容易發(fā)生的突發(fā)性故障有電氣故障、機(jī)械故障以及液壓故障問題。機(jī)械故障大多數(shù)表現(xiàn)在齒輪箱的故障當(dāng)中，風(fēng)機(jī)機(jī)組的變頻器、變壓器等出現(xiàn)的故障問題為電氣故障問題居多，而風(fēng)電機(jī)組的液壓故障主要是由偏航系統(tǒng)以及變槳系統(tǒng)的方面出現(xiàn)的故障問題為主。而其中最常見容易出現(xiàn)的故障問題是在齒輪箱中傳動(dòng)系統(tǒng)故障問題，其相對(duì)來講修復(fù)條件較為復(fù)雜，造成的停機(jī)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

1.故障機(jī)理

齒輪箱常見故障機(jī)理：常見在接觸應(yīng)力的變化以及摩擦力發(fā)生的綜合作用下，導(dǎo)致齒輪的表面存在著較為明顯的裂紋，在力的作用下這種裂紋在不斷朝向更為嚴(yán)重的方向發(fā)展，最終會(huì)使齒輪表面的脫落，形成凹坑等機(jī)械損傷。具體來講包括點(diǎn)蝕疲勞剝落、淺層疲勞剝落以及硬化層疲勞剝落，這樣的機(jī)理主要是由于長(zhǎng)時(shí)間的交變應(yīng)力之下造成的損傷，除此之外，還會(huì)出現(xiàn)齒輪箱輪齒折斷以及齒面膠合的故障現(xiàn)象，這都是在齒輪箱運(yùn)行當(dāng)中基于齒輪的不斷嚙合，高速運(yùn)轉(zhuǎn)之下產(chǎn)生的，促使齒輪的接觸面以及輪齒本身逐步的磨損和疲勞。根據(jù)不同的使用時(shí)間造成磨損和疲勞的程度也各有不同，在高溫高壓作用下的齒輪則會(huì)產(chǎn)生粘連作用，嚴(yán)重影響了齒輪的應(yīng)用效果。齒輪折斷同樣也是引發(fā)風(fēng)電機(jī)組突發(fā)性故障的重要誘因，由于部分地區(qū)中的湍流風(fēng)速變化較大，導(dǎo)致齒輪箱內(nèi)的齒輪受到較大的沖擊載荷，從而使齒輪出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，促使齒輪根部受到脈沖彎曲壓力的同時(shí)，同樣也會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的疲勞裂紋，最終則會(huì)促使齒輪折斷[3]。

葉片故障機(jī)理：在風(fēng)電機(jī)組的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行之下，葉片在風(fēng)力侵蝕和交變應(yīng)力的作用情況下會(huì)產(chǎn)生裂紋，葉片裂紋會(huì)影響到葉輪的實(shí)際受力作用，造成輪轂、主軸受力不均勻的現(xiàn)象發(fā)生，最終將會(huì)導(dǎo)致主軸及自身受損破壞，其次葉片處的螺絲松動(dòng)或是由于葉片老化，最終也會(huì)導(dǎo)致葉片開裂。在常見的低溫冰凍環(huán)境當(dāng)中低于0℃的環(huán)境下葉片受冷空氣侵襲，在寒冷天氣葉片軸承轉(zhuǎn)動(dòng)受阻，導(dǎo)致葉片冰凍，或是在雷雨天氣中缺乏相應(yīng)的避雷設(shè)備，導(dǎo)致葉片無法運(yùn)行。

發(fā)電機(jī)故障機(jī)理：常見出現(xiàn)發(fā)電機(jī)故障的主要原因大多數(shù)是由于溫度過高或者運(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致的，短時(shí)間內(nèi)輸出動(dòng)力過大或散熱系統(tǒng)工作異常，導(dǎo)致在發(fā)電機(jī)當(dāng)中存積大量的熱量，進(jìn)而促使發(fā)電機(jī)系統(tǒng)循環(huán)不暢，造成最為常見的發(fā)電機(jī)絕緣損壞以及發(fā)電機(jī)軸承故障形式。

2.故障檢測(cè)

現(xiàn)階段在風(fēng)電機(jī)組當(dāng)中常見使用到的突發(fā)性故障檢測(cè)方法主要是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的智能系統(tǒng)故障診斷，以及故障樹、多元特征決策融合等方法對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的故障問題進(jìn)行智能診斷。按照基礎(chǔ)故障特性以及相應(yīng)的參數(shù)指數(shù)，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行控制與自動(dòng)化調(diào)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可視化的監(jiān)控風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)并發(fā)起相應(yīng)的控制指令，通過數(shù)據(jù)采集，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的測(cè)量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及警報(bào)功能。

（四）故障預(yù)測(cè)

作為在風(fēng)電機(jī)組整體狀態(tài)檢修當(dāng)中的核心技術(shù)，突發(fā)性故障預(yù)測(cè)能夠保障在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行當(dāng)中出現(xiàn)的各種故障問題建立相應(yīng)的檢修預(yù)警工作，從而降低實(shí)際檢修工作當(dāng)中的成本投入，基于在線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測(cè)獲取到機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行信息，結(jié)合線上統(tǒng)計(jì)遠(yuǎn)程控制，對(duì)風(fēng)電機(jī)組當(dāng)中的各個(gè)組件監(jiān)測(cè)故障預(yù)測(cè)模型，進(jìn)而根據(jù)在正常狀態(tài)下的不同參數(shù)進(jìn)行比較，從而對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，全面分析機(jī)組的突發(fā)故障成因等情況。

三、狀態(tài)檢修決策

風(fēng)電機(jī)組的突發(fā)性故障狀態(tài)檢修主要是結(jié)合故障診斷系統(tǒng)以及故障預(yù)測(cè)系統(tǒng)，以風(fēng)電機(jī)組的現(xiàn)行運(yùn)行狀態(tài)情況進(jìn)行研究，對(duì)照常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的風(fēng)電機(jī)組，按照檢修周期中的相關(guān)規(guī)定，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行進(jìn)行定性評(píng)價(jià)[4]。將在線監(jiān)測(cè)收錄到的數(shù)據(jù)集中收錄在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，供給后續(xù)進(jìn)行檢修工作的既定依據(jù)，通過風(fēng)電機(jī)組階段內(nèi)產(chǎn)生的檢修周期變化，確定不同組件的實(shí)際優(yōu)化檢修內(nèi)容，進(jìn)而確定最終的檢修實(shí)施時(shí)間。

（一）狀態(tài)檢修實(shí)施流程

由于大多數(shù)的情況下風(fēng)電機(jī)組的突發(fā)性故障具有一定的隨機(jī)性，在這樣的前提下為了保障檢修工作的及時(shí)與準(zhǔn)確性則需要借助于狀態(tài)檢修，通過了解風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，從而對(duì)風(fēng)電機(jī)組的故障原因進(jìn)行監(jiān)測(cè)，明確風(fēng)電機(jī)組的故障點(diǎn)，進(jìn)而能夠確定檢修工作的具體項(xiàng)目。風(fēng)電機(jī)組的具體檢修實(shí)施工作流程需要首先通過分析監(jiān)測(cè)機(jī)組的狀態(tài)，進(jìn)一步確定機(jī)組運(yùn)行中存在的故障點(diǎn)以及相應(yīng)的故障情況對(duì)于機(jī)組運(yùn)行造成的影響，經(jīng)過系統(tǒng)自動(dòng)生成數(shù)據(jù)信息后，及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的檢修管理工作。下達(dá)檢修決策后，根據(jù)具體的檢修工作以及檢修完成后的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行呈現(xiàn)出的狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)一判定，最終形成較為機(jī)動(dòng)的閉環(huán)處理決策，具體流程如圖1 所示。基于檢修工作風(fēng)電機(jī)組大容量的環(huán)境當(dāng)中產(chǎn)生的工作量同樣相對(duì)較大的特點(diǎn)，工期時(shí)間長(zhǎng)，在風(fēng)電機(jī)組當(dāng)中需要針對(duì)于故障點(diǎn)位常見的設(shè)備進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)。

圖1

（二）突發(fā)性故障狀態(tài)檢修實(shí)施

最常見在風(fēng)電場(chǎng)當(dāng)中對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行檢修的方式是基于機(jī)組狀態(tài)信號(hào)以及故障特征的數(shù)據(jù)提取，從而對(duì)故障問題進(jìn)行診斷并進(jìn)行檢修，這樣的檢修工作建立在專家的專業(yè)化分析以及工程師的技術(shù)指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，進(jìn)而對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行決策。這其中需要保障信號(hào)來源的準(zhǔn)確性和可靠性，使用監(jiān)控系統(tǒng)獲取到相關(guān)的設(shè)備信號(hào)，確定不同突發(fā)性故障問題的監(jiān)測(cè)參數(shù)，最終確定傳感器等設(shè)備運(yùn)行點(diǎn)的布置，根據(jù)對(duì)應(yīng)項(xiàng)目指標(biāo)的參數(shù)確定監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)配置，并結(jié)合設(shè)備信號(hào)分析軟件對(duì)風(fēng)力電機(jī)組進(jìn)行可靠性分析，對(duì)于多次檢修監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)收錄，最終建立風(fēng)電機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

結(jié)束語

對(duì)于風(fēng)電機(jī)組常見容易發(fā)生突發(fā)性故障的問題進(jìn)行及時(shí)的狀態(tài)檢修，能夠有效降低后續(xù)的檢修成本，促使設(shè)備使用率得到提升，基于狀態(tài)檢修決策流程的復(fù)雜化，需要針對(duì)于其中的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行全面的分析，狀態(tài)檢修決策作為風(fēng)電機(jī)組的檢修工作趨勢(shì)，也成為了狀態(tài)檢修當(dāng)中的重要的存在。