風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷研討

郭慈東

摘要：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)尚未發(fā)展成熟，對于風(fēng)力發(fā)電場的設(shè)備和關(guān)鍵部件了解不深入，傳統(tǒng)維修多采用計(jì)劃維修和事后維修方法。風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)的建立和實(shí)施對于風(fēng)力發(fā)電場的正常運(yùn)行和提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;狀態(tài)監(jiān)測;故障診斷

一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的必要性

為了便于風(fēng)能的獲取，風(fēng)場一般都設(shè)在比較偏遠(yuǎn)的山區(qū)或者近海區(qū)域，所以風(fēng)力發(fā)電機(jī)會受到陣風(fēng)、侵蝕等因素的影響。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般設(shè)在50～80m的高空，在機(jī)組運(yùn)行時需要承受較大的受力載荷。由于設(shè)計(jì)不合理、焊接質(zhì)量缺陷等原因會引發(fā)機(jī)組運(yùn)行故障，當(dāng)出現(xiàn)陣風(fēng)時，會對葉片造成短暫而頻繁的沖擊載荷，而葉片受到的荷載又會對傳動鏈上的部件產(chǎn)生不同程度的影響而引發(fā)故障，其中風(fēng)輪、主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等受到的影響較大。計(jì)劃維修和事后維修是風(fēng)力發(fā)電機(jī)比較常用的維修方式，但是這兩種維修方式都存在一定的缺陷，計(jì)劃維修的檢修范圍不大，維修內(nèi)容不詳細(xì)，無法全面的反應(yīng)出機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀況。而事后維修的時間長，維修效率低，所以造成的經(jīng)濟(jì)損失較大。所以需要提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)維修水平，采用狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)可大大提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)主要是利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，將信號采集、在線監(jiān)測和信號分析綜合運(yùn)用的系統(tǒng)。狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)主要有油液監(jiān)測、振動監(jiān)測、溫度監(jiān)測、應(yīng)變力監(jiān)測，利用安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的檢測設(shè)備進(jìn)行信號的收集，然后通過對信號的處理、分析、判斷和診斷，就能夠及時獲取發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而通過控制中心對發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，可有效預(yù)防故障的發(fā)生。油液監(jiān)測技術(shù)主要是通過對潤滑油和液壓油的性能進(jìn)行分析，以此來掌握設(shè)備的潤滑及磨損狀態(tài)。振動監(jiān)測主要是通過振動信號的收集來分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)械故障，比如轉(zhuǎn)子不平衡，轉(zhuǎn)軸彎曲等。溫度監(jiān)測主要是通過溫度傳感器獲取設(shè)備的運(yùn)行溫度，常用于電子和電氣元件的故障診斷，能夠比較直觀的反應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。應(yīng)變力監(jiān)測主要是通過應(yīng)變力傳感器來獲取信息，主要用于葉片壽命的預(yù)測和疲勞狀況的監(jiān)測。狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)能夠?qū)︼L(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷，通過對各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息的收集整理，能夠?qū)崟r監(jiān)控風(fēng)力發(fā)電機(jī)各個部件的運(yùn)行狀態(tài)，可有效遏制安全事故的發(fā)生，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

二、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用

2.1齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷

齒輪箱作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)中連接主軸和發(fā)電機(jī)的重要部件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和受力情況比較復(fù)雜，尤其是在運(yùn)行工況和載荷發(fā)生變化的情況下，發(fā)生故障的幾率會有所增加。由于齒輪箱故障而導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障的占比較大，不僅維修成本高，且因?yàn)橥C(jī)所造成的發(fā)電量損失巨大，所以對齒輪箱進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷非常重要。齒輪和軸承是齒輪箱比較常見的故障部位，斷齒、齒面疲勞、膠合是齒輪常見故障類型，磨損、點(diǎn)蝕、裂紋、表面剝落是軸承常見故障類型，任何一種故障類型都會影響到齒輪箱的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)規(guī)模的擴(kuò)大，對齒輪箱的性能要求也越來越高，所以要保證齒輪箱的安全可靠運(yùn)行。振動監(jiān)測和溫度監(jiān)測在齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測中比較常用，振動監(jiān)測主要是利用振動測量儀器對齒輪箱的振動頻率進(jìn)行檢測紀(jì)錄，然后將測得的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，從而發(fā)現(xiàn)齒輪箱中各部件的運(yùn)行狀態(tài)。故障特征頻率是判斷齒輪和軸承健康狀態(tài)的重要指標(biāo)，所以通過時域信號統(tǒng)計(jì)能夠初步診斷出齒輪箱故障點(diǎn)及原因，然后再利用快速傅里葉變換和功率譜對初步診斷的結(jié)果進(jìn)行再次確認(rèn)。溫度測量法主要是通過溫度傳感器對齒輪箱零部件運(yùn)行過程中的溫度變化進(jìn)行識別和診斷，通過與常態(tài)進(jìn)行對比，能夠及時獲知齒輪箱零部件的狀態(tài)信息。

2.2葉片狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷

葉片在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中主要是吸收風(fēng)能，長期處于露天環(huán)境下，對葉片造成的損傷較大。葉片長度一般在30～40m，所以在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的顫振會導(dǎo)致葉片出現(xiàn)疲勞裂紋，如果在近海地區(qū)還會受到海水濕氣的腐蝕，陣風(fēng)和雷擊也是影響葉片運(yùn)行安全的重要因素。為了保證葉片運(yùn)行的安全性，對葉片的材料、質(zhì)量和體積都有嚴(yán)格的要求。一旦葉片發(fā)生故障，不僅會造成葉片本身的損壞，還會威脅到整機(jī)運(yùn)行的安全性。對葉片的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷主要是通過應(yīng)力應(yīng)變測量來實(shí)現(xiàn)，但是受到葉片材料以及運(yùn)行環(huán)境的影響，對應(yīng)力應(yīng)變傳感器有一定的要求。光纖光柵傳感器因?yàn)榫哂休^好的抗電磁干擾、抗腐蝕、尺寸小、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，比較適用于葉片的應(yīng)力應(yīng)變檢測，在預(yù)測葉片使用壽命中具有重要作用。為了彌補(bǔ)光纖光柵傳感器的不足，還可將聲發(fā)射檢測和紅外成像檢測結(jié)合運(yùn)用。利用聲發(fā)射檢測能夠檢測出葉片因與空氣沖擊導(dǎo)致的內(nèi)部應(yīng)力集中斷裂以及變形時釋放的應(yīng)力波，以此來判斷葉片健康狀況。紅外成像檢測技術(shù)可對葉片表面裂紋、剝落等呈現(xiàn)的熱輻射能量分布狀態(tài)來識別葉片的健康狀態(tài)。

2.3發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷

發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的核心部件，其主要功能是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。由于發(fā)電機(jī)長期處于工況變化以及電磁環(huán)境中，且由于機(jī)組規(guī)模的擴(kuò)大對發(fā)電機(jī)的密封保護(hù)增加一定的難度，所以經(jīng)常會出現(xiàn)振動過大、發(fā)電機(jī)過熱、軸承過熱、轉(zhuǎn)子/定子線圈短路等故障，其中軸承故障、定子故障及轉(zhuǎn)子故障占據(jù)較大比例。對于發(fā)電機(jī)的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷主要是對轉(zhuǎn)子/定子電流信號、電壓信號以及輸出功率信號進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，通過對電流信號的時域分析獲取幅值數(shù)據(jù)信息，然后經(jīng)過諧波分量的變化來判斷發(fā)電機(jī)故障類型。比如對轉(zhuǎn)子偏心故障的識別中，通過輸出電流、電壓、功率等信號的獲取，能夠判斷出是軸承過度磨損還是其他故障類型。

2.4其他部件的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷

電氣系統(tǒng)也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要組成部分，通過變頻器等電氣設(shè)備向電網(wǎng)輸送電能，并且對電氣系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的控制。電氣系統(tǒng)中比較常見的故障主要有短路、過電壓、過電流及過溫等，任何故障的發(fā)生都可能造成發(fā)電機(jī)的損壞。根據(jù)電氣系統(tǒng)的故障特點(diǎn)，主要是采取性能參數(shù)檢測的方法，對輸出電壓、電流、功率及溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，然后與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，從而判斷電氣系統(tǒng)的健康狀態(tài)。對于液壓傳動系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷主要是通過油液監(jiān)測的方法來完成，對潤滑油及液壓油中的顆粒物進(jìn)行檢測，通過顆粒的形狀、粒徑、狀態(tài)等來判斷液壓系統(tǒng)中出現(xiàn)故障的部位，從而采取相應(yīng)的防控手段。對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)中各部件的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，主要是根據(jù)各部件的運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài)來決定采取哪種監(jiān)測方式，只有最適宜的方式才能夠確保獲取最佳的監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后通過對數(shù)據(jù)的分析和整理，再制定出相應(yīng)的防控措施。通過對狀態(tài)監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)分析，還能夠?yàn)轱L(fēng)機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供有力的參考依據(jù)，所以要保證數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性。

三、結(jié)束語

現(xiàn)在，因?yàn)椴荒軐?shí)時全方位對于使用風(fēng)力進(jìn)行發(fā)電的裝置，還有就是重要構(gòu)件在處于運(yùn)行狀態(tài)中的情況進(jìn)行了解，因此，對其開展的維修施工，主要是對維修工作進(jìn)行規(guī)劃，還有就是事后對其進(jìn)行維修的方法。

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