影響風(fēng)電機(jī)組主軸溫度的因素分析及其預(yù)警應(yīng)用

文 | 邱國祥，唐徐立，王明軍，高原生

隨著風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時間增加，各部件出現(xiàn)不同程度的磨損，無論電氣設(shè)備或者機(jī)械設(shè)備損壞都將帶來直接經(jīng)濟(jì)損失，尤其大部件出現(xiàn)問題，將帶來巨大損失。所以，對機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控以及預(yù)防檢修應(yīng)該引起足夠重視。

軸承溫度升高會使?jié)櫥唾|(zhì)量下降，使主軸熱脹、材料變形、降低軸承壽命，嚴(yán)重時會導(dǎo)致軸承失效、停止工作。通過研究主軸軸承的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)和其潛在故障之間的關(guān)系，進(jìn)而基于主軸軸承的溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)對主軸軸承進(jìn)行狀態(tài)預(yù)測，來提高主軸工作的可靠性。

本文分析了正常運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組主軸實(shí)際溫度的影響因素及特征，通過數(shù)據(jù)處理得到未運(yùn)行狀態(tài)的主軸溫度（定義為零狀態(tài)溫度），再使用線性回歸方法建立主軸實(shí)際溫度與零狀態(tài)溫度的關(guān)系，得到機(jī)組主軸溫度的特性參數(shù)，進(jìn)而推算出主軸預(yù)測溫度?；陬A(yù)測溫度提出了新的報警值設(shè)定方法，當(dāng)實(shí)際主軸溫度與設(shè)置的偏離容許值出現(xiàn)偏差，則觸發(fā)報警，然后通過對主軸發(fā)生故障機(jī)組的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了此方法的可行性。最后對現(xiàn)有的簡單保護(hù)參數(shù)提出修改優(yōu)化建議。

影響因素分析

主軸實(shí)際溫度主要受到潤滑狀況、環(huán)境溫度、機(jī)組功率、風(fēng)速、空氣密度、主軸轉(zhuǎn)速、傳動鏈轉(zhuǎn)矩等因素的影響。針對潤滑狀況良好的機(jī)組，主軸實(shí)際溫度可以使用這些變量的函數(shù)形式來表示：

其中：

Tr——主軸實(shí)際溫度

Ta——環(huán)境溫度

P ——機(jī)組功率

v ——風(fēng)速

ρ ——空氣密度

ω ——主軸轉(zhuǎn)速

M ——傳動鏈轉(zhuǎn)矩

而機(jī)組功率與風(fēng)速、空氣密度、主軸轉(zhuǎn)速、傳動鏈轉(zhuǎn)矩存在的關(guān)系如式（2）所示：

其中：

S ——風(fēng)輪掃風(fēng)面積

Cp——風(fēng)輪利用系數(shù)

所以，針對潤滑狀況良好的機(jī)組，通過研究環(huán)境溫度、機(jī)組功率對機(jī)組主軸實(shí)際溫度的影響，即可找出主軸溫度的變化規(guī)律，從而對主軸溫度進(jìn)行預(yù)測，如式（3）：

通過選取某1.5MW風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行（潤滑良好）一年的數(shù)據(jù)，利用比恩法原理，構(gòu)造微小間隔的環(huán)境溫度區(qū)間，分析功率對主軸溫度的影響。

具體方法如下：按照間隔為5℃進(jìn)行環(huán)境溫度區(qū)間劃分（也可以選取更小區(qū)間）。例如：在5～10℃，10～15℃區(qū)間，主軸實(shí)際溫度隨機(jī)組功率變化的散點(diǎn)分布，以及全溫度段每5℃間隔的線性回歸關(guān)系如圖1－圖3所示。

可以看出，在機(jī)組環(huán)境溫度穩(wěn)定的情況下，主軸實(shí)際溫度幾乎不受機(jī)組功率的影響，隨著環(huán)境溫度的升高而升高，但整體高出10～20℃左右。

因此，本文將重點(diǎn)分析正常機(jī)組主軸實(shí)際溫度隨環(huán)境溫度變化的規(guī)律，利用歷史數(shù)據(jù)推算主軸溫度，當(dāng)實(shí)際運(yùn)行機(jī)組軸承溫度與推算的主軸溫度偏離超過容許值時發(fā)出報警，從而幫助運(yùn)維人員在主軸損壞前檢查機(jī)組主軸潤滑狀況，避免造成更大的損失。

利用歷史數(shù)據(jù)推算主軸溫度

一、零狀態(tài)溫度的確定

從上述分析可以看出，主軸實(shí)際溫度隨環(huán)境溫度變化而變化，并且整體高出10～20℃左右。假定機(jī)組長期未運(yùn)行，則可以斷定主軸實(shí)際溫度將和環(huán)境溫度非常接近。因此，機(jī)組靜止?fàn)顟B(tài)與運(yùn)行狀態(tài)存在差別。為此，需要先確定機(jī)組長期未運(yùn)行時的規(guī)律。

從選取的機(jī)組數(shù)據(jù)中篩選出功率P＝0kW，轉(zhuǎn)速ω＝0rpm時的狀態(tài)，如圖4所示：

可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)組停機(jī)后，約120個點(diǎn)（一個點(diǎn)10min，總計20h）后，主軸實(shí)際溫度隨環(huán)境溫度的波動而波動，整體滯后約36個點(diǎn)（一個點(diǎn)10min，總計6h）。

在機(jī)組長時間停機(jī)后，觀察主軸實(shí)際溫度與環(huán)境溫度的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，主軸實(shí)際溫度隨著環(huán)境溫度周期波動，但因機(jī)艙的保溫作用，主軸實(shí)際溫度隨著環(huán)境溫度變化有一定的滯后。因此，將機(jī)艙作為一個一階保溫系統(tǒng)，以環(huán)境溫度為基礎(chǔ)，采用公式（4）推算出機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)下的主軸溫度，即零狀態(tài)溫度T0。

其積分公式如式（4）所示：

其中：

T0——零狀態(tài)溫度Ta——環(huán)境溫度Kp——比例系數(shù)TI——積分系數(shù)

T(i) ——i時刻主軸實(shí)際溫度與環(huán)境溫度的差值通過歷史記錄的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，應(yīng)用公式（4）可得到零狀態(tài)溫度。圖5描述了零狀態(tài)溫度隨環(huán)境溫度變化的趨勢，可以看出停機(jī)狀態(tài)下零狀態(tài)溫度與主軸實(shí)際溫度較吻合，這說明上述零狀態(tài)溫度的模型準(zhǔn)確。

二、建立主軸實(shí)際溫度與零狀態(tài)溫度的關(guān)系

機(jī)組在靜止?fàn)顟B(tài)下，主軸實(shí)際溫度隨環(huán)境溫度規(guī)律波動；當(dāng)機(jī)組從停機(jī)到短暫運(yùn)行，溫度會急劇上升。所以為了找到運(yùn)行狀態(tài)下的主軸溫度規(guī)律，需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行篩除。

（1）停機(jī)數(shù)據(jù)剔除：每次停機(jī)時間長短不一，因此，需要將停機(jī)數(shù)據(jù)全部剔除；

圖1 5～10℃區(qū)間，主軸實(shí)際溫度隨機(jī)組功率變化的關(guān)系

圖2 10～15℃區(qū)間，主軸實(shí)際溫度隨機(jī)組功率變化的關(guān)系

圖3 各溫度區(qū)間主軸實(shí)際溫度與機(jī)組功率的線性回歸關(guān)系

圖4 主軸實(shí)際溫度與環(huán)境溫度隨時間變化的關(guān)系

（2）并網(wǎng)數(shù)據(jù)剔除：由于機(jī)組啟動前，停機(jī)時間不同，主軸溫度與環(huán)境溫度，并不一定達(dá)到熱交換平衡；當(dāng)機(jī)組從停機(jī)到短暫運(yùn)行，溫度會急劇上升。因此，需要剔除機(jī)組剛運(yùn)行時的數(shù)據(jù)（此文剔除了并網(wǎng)2h內(nèi)的數(shù)據(jù)）。

綜上，本文在建立溫度關(guān)系時，剔除了停機(jī)時的數(shù)據(jù)，以及機(jī)組并網(wǎng)不足2h的數(shù)據(jù)。

風(fēng)電機(jī)組SCADA系統(tǒng)中存儲了大量歷史數(shù)據(jù)，包括歷史主軸實(shí)際溫度和環(huán)境溫度，首先以歷史環(huán)境溫度數(shù)據(jù)組為基礎(chǔ)求出T0數(shù)據(jù)組（見公式4），再根據(jù)歷史主軸實(shí)際溫度數(shù)據(jù)組和T0數(shù)據(jù)組，運(yùn)用線性回歸方法，求解出該風(fēng)電機(jī)組的比例特性參數(shù)K和偏移特性參數(shù)b（見公式5）。線性回歸圖如圖6所示。

線性回歸表達(dá)式如式（5）所示：

其中：

Tr——主軸實(shí)際溫度

T0——零狀態(tài)溫度

K ——比例特性參數(shù)

b ——偏移特性參數(shù)

三、運(yùn)用K、b特性參數(shù)得到主軸預(yù)測溫度

在運(yùn)用歷史數(shù)據(jù)得到該風(fēng)電機(jī)組的比例特性參數(shù)K和偏移特性參數(shù)b后，即可對風(fēng)電機(jī)組后續(xù)運(yùn)行過程中的主軸溫度進(jìn)行預(yù)測，如公式（6）：

其中：

Tx——主軸預(yù)測溫度

T0——零狀態(tài)溫度

K ——比例特性參數(shù)

b ——偏移特性參數(shù)

主軸預(yù)測溫度的應(yīng)用

風(fēng)電機(jī)組的溫度保護(hù)，一般都是設(shè)置一個溫度上限，作為報警、故障閾值。

但實(shí)際上，設(shè)備的溫度與環(huán)境溫度變化存在波動關(guān)系，因此，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)溫度偏高（例如，此時環(huán)境溫度很低）時，并不一定能夠觸發(fā)此設(shè)定的閾值，無法起到準(zhǔn)確保護(hù)作用，直到運(yùn)行到更加惡劣的狀態(tài)后才出現(xiàn)報警。

本文提出一種新的報警值設(shè)定方法，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組以往的運(yùn)行數(shù)據(jù)，合理確定溫度偏離容許值 B0。隨后利用公式（6）得到的主軸預(yù)測溫度，用公式（7）求得溫度偏離值B，當(dāng)B大于B0時，則發(fā)出報警，用此方法可以提前發(fā)現(xiàn)主軸問題。

圖5 零狀態(tài)溫度與實(shí)際主軸溫度隨時間變化的關(guān)系

圖6 零狀態(tài)溫度—主軸實(shí)際溫度線性回歸圖

其中：

B ——溫度偏差值

Tx——主軸預(yù)測溫度

Tr——主軸實(shí)際溫度

選取內(nèi)蒙古某FD87-2MW風(fēng)電場某臺機(jī)組作為驗(yàn)證機(jī)組。此機(jī)組前期運(yùn)行正常，后期運(yùn)行過程中出現(xiàn)了主軸溫度高的報警。因此，選取本臺機(jī)組，不但可以驗(yàn)證正常情況下此方法是否合理，也可以驗(yàn)證預(yù)警方法是否可用。

首先選取正常情況下的歷史數(shù)據(jù)，運(yùn)用線性回歸法建立主軸溫度與零狀態(tài)溫度的關(guān)系，得到該臺風(fēng)電機(jī)組的比例特性參數(shù)K＝0.7198、偏移特性參數(shù)b＝11.016，則該機(jī)組的主軸預(yù)測溫度如公式（8）所示：

定義偏離容許值 B0＝6，當(dāng)偏離值大于6℃時，發(fā)出故障信號。主軸溫度、實(shí)際偏離值隨時間的變化如圖7所示。

本臺機(jī)組報出“主軸溫度高”時間為T2（2016年10月15日），若使用此方案，則可以在T1（2106年10月5日）發(fā)現(xiàn)異常，提前發(fā)現(xiàn)故障，可以提前檢查。

圖7 主軸溫度、偏離值隨時間的變化

結(jié)語

本文通過分析發(fā)現(xiàn)，環(huán)境溫度是影響主軸溫度的最主要因素。通過數(shù)據(jù)處理，得到零狀態(tài)下的主軸溫度，再使用線性回歸方法，建立主軸溫度與零狀態(tài)溫度的關(guān)系。

同時提出了新的報警值設(shè)定方法，當(dāng)主軸預(yù)測溫度與主軸實(shí)際溫度的偏差超過溫度偏離容許值時，則觸發(fā)報警。通過在故障機(jī)組上進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，這種方法不但有效，還可以提前發(fā)現(xiàn)問題。若及時對故障進(jìn)行處理，則可以避免大部件出現(xiàn)更嚴(yán)重的損壞。

為了使此方法更可靠準(zhǔn)確，后期可以通過對每種機(jī)型在不同運(yùn)行工況下進(jìn)行分析，總結(jié)大數(shù)據(jù)，對此方法進(jìn)行進(jìn)一步修正，應(yīng)用于主軸溫度實(shí)時監(jiān)控預(yù)警。后續(xù)可以將此方法進(jìn)行推廣，應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組齒輪箱、發(fā)電機(jī)等部件的溫度保護(hù)閾值參數(shù)設(shè)定及故障預(yù)警等工作中。

攝影：王志遠(yuǎn)