大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

武麗君　高偉　張海平　劉衍選　蔡曉峰

摘要：實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷是確保大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)安全運(yùn)行和降低維護(hù)成本的重要手段。文章設(shè)計(jì)了振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，分別從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能和特點(diǎn)三個(gè)方面闡述了系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)。在振動(dòng)信號(hào)特點(diǎn)和信號(hào)處理的基礎(chǔ)上，論證了幾種故障診斷方法。實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行情況表明，該系統(tǒng)能夠滿足風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行、維護(hù)的需要。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電組；狀態(tài)監(jiān)測(cè)；故障診斷；振動(dòng)信號(hào)；系統(tǒng)設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TM315 文章編號(hào)：1009-2374（2015）36-0006-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.36.003

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常應(yīng)用于偏僻偏遠(yuǎn)的地區(qū)，如丘陵、草原、近海、戈壁灘等，氣候惡劣、環(huán)境復(fù)雜且分布面積廣，遠(yuǎn)離監(jiān)控中心。受風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境和復(fù)雜的電力設(shè)備因素影響，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備很容易損壞且維修成本高，增加了風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)成本。目前，已有一些通用的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，但缺乏一個(gè)面向整機(jī)所有重要關(guān)鍵部件參數(shù)測(cè)量的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，且現(xiàn)有的故障診斷系統(tǒng)分析功能較薄弱，因此研究開(kāi)發(fā)完善的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，在機(jī)組20年的正常使用壽命期間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)并及時(shí)分析狀態(tài)參數(shù)，準(zhǔn)確判斷故障和隱患，合理安排維護(hù)方案，降低風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，具有十分重要的意義。

本文根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，介紹了狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成、風(fēng)力機(jī)主要部件的故障以及故障診斷方法，并通過(guò)該系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用舉例，證明了該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠、高效，完全能夠滿足風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行、維護(hù)的需要。

1 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備上的傳感器監(jiān)測(cè)風(fēng)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)評(píng)估設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)決定了傳感器的安裝位置，傳感器的精度和安裝工藝影響了狀態(tài)監(jiān)測(cè)量的準(zhǔn)確度。數(shù)據(jù)采集器是狀態(tài)監(jiān)測(cè)的硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，采集器的精度和數(shù)據(jù)處理能力直接影響故障診斷系統(tǒng)的功能。

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備主要包括風(fēng)輪、機(jī)艙、塔筒和基礎(chǔ)等部分，其中機(jī)艙主要部件包括主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等關(guān)鍵部件。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)形式，主要分為雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、半直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。市場(chǎng)上大部分運(yùn)行的是雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示：

風(fēng)輪吸收風(fēng)能并將其轉(zhuǎn)化為機(jī)械能傳遞給機(jī)艙中的傳動(dòng)鏈系統(tǒng)。雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的傳動(dòng)鏈系統(tǒng)按照能量傳遞順序依次是主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)，輪轂帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸作為齒輪箱的輸入端帶動(dòng)齒輪箱低速旋轉(zhuǎn)，齒輪箱具有增速作用，通過(guò)內(nèi)部齒輪傳動(dòng)將主軸的低速提升到發(fā)電機(jī)能夠正常發(fā)電的高速，齒輪箱高速軸驅(qū)動(dòng)雙饋發(fā)電機(jī)發(fā)電。雙饋發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能通過(guò)塔筒底部的變流器接入電網(wǎng)。塔筒和基礎(chǔ)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu)，使其獲得充足、穩(wěn)定的風(fēng)力來(lái)發(fā)電。

1.2 振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)量

振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)量的選擇必須滿足能夠全面監(jiān)測(cè)到機(jī)組關(guān)鍵部件的振動(dòng)的條件，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)主要包括塔筒、機(jī)艙、葉片、主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)的振動(dòng)。其中，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)引起的機(jī)艙和振動(dòng)振動(dòng)頻率低，需采用低頻加速度傳感器，齒輪箱、發(fā)電機(jī)的振動(dòng)采用壓電式加速度傳感器測(cè)量。傳感器的安裝分為磁座式安裝和螺栓安裝兩種方式，兩種安裝方式都要求傳感器安裝表面平穩(wěn)。為了能充分獲得有效的故障信息，必須選擇最合理的監(jiān)測(cè)分布。在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，振動(dòng)具有傳遞性，因此可以通過(guò)安裝在設(shè)備表面的傳感器獲得設(shè)備內(nèi)在的故障信息。安裝在主軸徑向和軸向的加速度傳感器測(cè)量葉輪和塔筒振動(dòng)的同時(shí)還可以測(cè)量安裝在軸承座內(nèi)的滾動(dòng)軸承振動(dòng)情況。在風(fēng)電齒輪箱中，齒輪嚙合、軸和軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)，而這些振動(dòng)都會(huì)間接的傳遞到軸承上，因此只要在軸承部位對(duì)應(yīng)的殼體上安裝振動(dòng)傳感器，就可以采集到相應(yīng)軸承和齒輪的振動(dòng)。發(fā)電機(jī)前后軸承振動(dòng)可以通過(guò)安裝徑向傳感器測(cè)量。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)受風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響較大，故需要在高速軸安裝轉(zhuǎn)速傳感器。綜上所述，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組典型測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，測(cè)點(diǎn)布置方向和監(jiān)測(cè)量如表1所示：

1.3 振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)電場(chǎng)振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是數(shù)據(jù)采集、中央監(jiān)控和遠(yuǎn)程訪問(wèn)一體化的系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由三部分組成：（1）機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)。由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和布置在機(jī)艙控制柜內(nèi)的前置通信子系統(tǒng)組成。傳感器測(cè)量風(fēng)力機(jī)設(shè)備振動(dòng)信號(hào)，采集模塊實(shí)現(xiàn)傳感器輸出信號(hào)的采集、抗混疊濾波、A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)輸出功能。采集模塊輸出的數(shù)據(jù)通過(guò)機(jī)艙柜內(nèi)的光纖轉(zhuǎn)換器由塔筒傳遞到塔底并通過(guò)風(fēng)場(chǎng)光纖環(huán)網(wǎng)傳遞到中控室；（2）中央監(jiān)控系統(tǒng)。

中央監(jiān)控部分是指布置在風(fēng)電場(chǎng)控制室內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器，它負(fù)責(zé)接收風(fēng)場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)的振動(dòng)數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行和整理后顯示在人機(jī)界面上，供風(fēng)場(chǎng)維護(hù)人員實(shí)時(shí)監(jiān)控每臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況；（3）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程終端是指用戶或診斷專(zhuān)家利用Web服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能通過(guò)遠(yuǎn)程訪問(wèn)瀏覽現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器界面，并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

2 故障診斷系統(tǒng)

在中央監(jiān)控服務(wù)器中建立故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障診斷和發(fā)現(xiàn)機(jī)組隱患，故障診斷系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取數(shù)據(jù)，并通過(guò)時(shí)域分析、頻域分析、包絡(luò)分析等方法找出信號(hào)的內(nèi)在規(guī)律。

2.1 風(fēng)電機(jī)組主要部件的故障

風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行階段設(shè)備的故障率很高，葉片、發(fā)電機(jī)、齒輪箱最常見(jiàn)。故障形式表現(xiàn)為風(fēng)機(jī)葉片不平衡、不對(duì)中、基礎(chǔ)薄弱、機(jī)械松動(dòng)、軸彎曲、軸承故障、齒輪缺陷和破損等。

葉片是機(jī)組中最昂貴的部件，由于風(fēng)力和風(fēng)向變化帶來(lái)氣動(dòng)載荷變化，葉片在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的振動(dòng)，引起葉片的斷裂和疲勞失效。

主軸是連接輪轂和齒輪箱的關(guān)鍵部件，屬于低速軸，其主要功能是傳遞驅(qū)動(dòng)扭矩，將葉輪載荷傳遞給機(jī)艙。高速軸是連接齒輪箱和發(fā)電機(jī)的關(guān)鍵部件，兩端采用柔性聯(lián)軸器安裝。低速軸和高速軸的故障主要有質(zhì)量不平衡、軸彎曲、軸不對(duì)中、機(jī)械松動(dòng)、動(dòng)靜摩擦等。

齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的重要部件，其作用是將葉輪在風(fēng)力下產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞給發(fā)電機(jī)，其常見(jiàn)的失效形式有輪齒折斷、齒面點(diǎn)蝕、齒面膠合和擦傷、齒面磨損和塑性變形。

發(fā)電機(jī)軸承故障是發(fā)電機(jī)故障的重要原因，軸承故障主要是軸與軸承內(nèi)圈、軸承外圈與端蓋軸承室之間的相互傳動(dòng)造成的磨損。

2.2 故障診斷方法

故障診斷可預(yù)測(cè)機(jī)組將來(lái)的故障，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，避免或降低故障造成的損失。目前，常用的故障診斷方法有時(shí)域分析方法、頻域分析方法、小波分析方法、數(shù)據(jù)挖掘方法等。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)測(cè)得的信號(hào)都是非確定的隨機(jī)信號(hào)和非平穩(wěn)的信號(hào)，無(wú)法用精確的數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)，只能用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和離散數(shù)字信號(hào)處理的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行闡述。時(shí)域分析只能粗略地判斷設(shè)備是否有故障，不能明確故障發(fā)生的類(lèi)型和故障部位。

頻譜分析是故障診斷最常用的方法，時(shí)域信號(hào)經(jīng)過(guò)傅里葉變換得到頻域信號(hào)，通過(guò)在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立故障特征頻率庫(kù)，包括主軸和齒輪箱各軸的轉(zhuǎn)頻、軸承特征頻率、齒輪嚙合頻率，從頻率的異常變化來(lái)診斷機(jī)組的故障部位、原因及嚴(yán)重程度。

小波分析是處理非平穩(wěn)或時(shí)變信號(hào)最理想的分析方法，尤其對(duì)局部故障分析優(yōu)于傅里葉變換，它在低頻部分有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率，在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率，這種特性適用于對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)頻率變化范圍廣的工況。

數(shù)據(jù)挖掘是指從海量的數(shù)據(jù)中提取或抽取出知識(shí)。風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)組海量的故障數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘方法提取故障規(guī)則，滿足故障診斷風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷中常用的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)有決策樹(shù)挖掘技術(shù)和關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘

技術(shù)。

2.3 故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

故障診斷系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取數(shù)據(jù)，通過(guò)時(shí)域參數(shù)、頻域變換、包絡(luò)解調(diào)、細(xì)化頻譜、對(duì)比故障頻率等方法診斷故障類(lèi)型和故障部位，故障診斷流程見(jiàn)圖4。

3 振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)應(yīng)用

在一個(gè)風(fēng)場(chǎng)33臺(tái)1.5MW雙饋機(jī)組上安裝振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，試運(yùn)行一年，完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置（采樣頻率、存儲(chǔ)時(shí)間間隔、加速度包絡(luò)頻譜的頻寬范圍等）、振動(dòng)故障頻率收集、振動(dòng)報(bào)警值的設(shè)定，逐步實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)測(cè)的要求。

圖5是風(fēng)場(chǎng)1#機(jī)組高速軸垂直徑向測(cè)點(diǎn)在時(shí)頻域波形圖，從圖上可以看到以高速軸轉(zhuǎn)頻30Hz為周期的沖擊較明顯，對(duì)其進(jìn)行包絡(luò)分析，圖6是該信號(hào)的包絡(luò)圖，從包絡(luò)圖中可以看到高速軸轉(zhuǎn)頻及諧波，說(shuō)明高速級(jí)齒輪可能存在嚙合不良現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)是針對(duì)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)包括兩部分：一是狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控的功能；二是故障診斷系統(tǒng)，確定故障的部位、原因、類(lèi)型、性質(zhì)，并對(duì)維修提供參考建議。該系統(tǒng)已經(jīng)在多個(gè)風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)用，在風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，故障判斷準(zhǔn)確率高，為機(jī)組的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了可靠的技術(shù)保障，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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（責(zé)任編輯：周 瓊）