風(fēng)力發(fā)電機(jī)組氣動(dòng)不平衡振動(dòng)監(jiān)測(cè)研究*

李學(xué)平，卓沛駿，羅勇水，周民強(qiáng)

(浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，浙江 杭州 310012)

0 引 言

近年來(lái)，隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的逐漸增大，搭建可靠的在線故障診斷及狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成為提高風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電效益的有效手段[1]。

常年運(yùn)行過(guò)程中，風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)期處于交變載荷作用下，非常容易出現(xiàn)各種故障破壞[2]。平衡的風(fēng)輪可以有效防止機(jī)組早期的疲勞故障，給機(jī)組提供一個(gè)可靠的運(yùn)行環(huán)境[3]。而風(fēng)輪不平衡故障會(huì)影響傳動(dòng)鏈及整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行，為了防止風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生嚴(yán)重失效問(wèn)題，有必要在問(wèn)題顯現(xiàn)的初期對(duì)機(jī)組故障狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與保護(hù)[4]。

風(fēng)輪不平衡故障主要分為質(zhì)量不平衡與氣動(dòng)不平衡。質(zhì)量不平衡主要來(lái)源于制造上的誤差，而隨著現(xiàn)代槳葉制造和質(zhì)量控制技術(shù)的發(fā)展，實(shí)際運(yùn)行中的風(fēng)輪質(zhì)量不平衡故障較少。氣動(dòng)不平衡比較常見(jiàn)，主要來(lái)源于槳葉安裝誤差、葉片氣動(dòng)外形改變(例如槳葉裂紋)、對(duì)風(fēng)誤差等原因。國(guó)內(nèi)外對(duì)風(fēng)輪不平衡故障的診斷提出了很多方法，包括分析機(jī)組振動(dòng)的時(shí)域與頻域信號(hào)[5-7]、傳動(dòng)鏈的扭振[8]、監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)功率[9]、定子電流信號(hào)等[10-11]。這些方法，從理論和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的角度，檢測(cè)了風(fēng)輪不平衡時(shí)的各種反饋信號(hào)，對(duì)于故障的在線監(jiān)測(cè)有一定實(shí)際意義。

本文將對(duì)風(fēng)輪產(chǎn)生氣動(dòng)不平衡故障時(shí)的受載情況進(jìn)行分析，從理論層面討論當(dāng)槳距角存在安裝誤差時(shí)，不平衡載荷對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響，利用GH Bladed軟件模擬該故障下機(jī)艙的振動(dòng)情況，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同風(fēng)速下風(fēng)輪平衡與不平衡時(shí)機(jī)艙內(nèi)不同位置的振動(dòng)情況。

1 氣動(dòng)不平衡理論分析

三葉片產(chǎn)生彼此不同的氣動(dòng)行為可導(dǎo)致風(fēng)輪的氣動(dòng)不平衡故障。在這種情況下，不同的葉片產(chǎn)生的推力是互不相同的。

不同功角的葉素受力情況如圖1所示。

圖1 不同攻角的葉素受力情況

風(fēng)輪平面受力分析如圖2所示。

圖2 風(fēng)輪平面坐標(biāo)設(shè)定及受力分析

坐標(biāo)設(shè)置如下：垂直于地面方向?yàn)閦方向，水平方向?yàn)閥，機(jī)組軸向?yàn)閤。將葉片視為剛體，其葉片上受到的旋轉(zhuǎn)切向力和軸向推力可表示為：

(1)

(2)

式中：L—葉片長(zhǎng)度。

設(shè)R為葉片合力點(diǎn)距葉根的長(zhǎng)度，則有：

(3)

風(fēng)輪受到3個(gè)軸向推力以及3個(gè)切向力的作用，切向力產(chǎn)生扭矩和彎矩：

Tx=FTARA+FTBRB+FTCRC

(4)

(5)

(6)

軸向推力產(chǎn)生的彎矩可表示為：

(7)

(8)

在正常情況下，三葉片具有相同的氣動(dòng)特性，即FA=FB=FC，RA=RB=RC，則風(fēng)輪向傳動(dòng)鏈輸出穩(wěn)定的扭矩，xy和xz平面內(nèi)的彎矩也都為0。但當(dāng)出現(xiàn)如圖1所示的情況時(shí)，即其中一片葉片出現(xiàn)槳距角誤差，其軸向推力和切向力大小發(fā)生改變。其中，扭矩的減小會(huì)造成輸出功率的損失。此外，在上述平面內(nèi)將產(chǎn)生彎矩，且隨著風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生交變，頻率即為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)頻，引發(fā)機(jī)艙內(nèi)規(guī)律的風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻1P振動(dòng)，由于氣動(dòng)不平衡對(duì)軸向推力的影響更大，故往往造成機(jī)艙內(nèi)軸向振動(dòng)較橫向更為顯著。為了在早期就能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障情況，監(jiān)測(cè)風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻1P振動(dòng)是識(shí)別風(fēng)輪氣動(dòng)不平衡的可行方法。

本文用Bladed軟件模擬了一臺(tái)2.5 MW風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)速為5 m/s，在某一葉片槳距角存在5°安裝誤差時(shí)機(jī)艙內(nèi)的振動(dòng)情況。

仿真結(jié)果如圖(3，4)所示。

圖3 風(fēng)輪平衡與不平衡對(duì)機(jī)組軸向振動(dòng)的影響

圖4 風(fēng)輪平衡與不平衡對(duì)機(jī)組橫向振動(dòng)的影響

由圖3明顯可見(jiàn)：當(dāng)風(fēng)輪不平衡時(shí)，軸向振動(dòng)加速度明顯增加，而圖4中橫向加速度在風(fēng)輪不平衡時(shí)增加并不明顯。仿真結(jié)果表明：風(fēng)輪不平衡能加劇機(jī)組的振動(dòng)，并且對(duì)軸向振動(dòng)影響較橫向振動(dòng)更大。

為了驗(yàn)證理論分析的結(jié)果，本文將通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的方法獲取更多有意義的數(shù)據(jù)。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與分析

本研究對(duì)某風(fēng)場(chǎng)一臺(tái)2.5 MW風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，探討風(fēng)輪氣動(dòng)不平衡對(duì)機(jī)艙內(nèi)振動(dòng)的影響，并和理論仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

機(jī)組基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)組基本技術(shù)參數(shù)

當(dāng)機(jī)組處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，即風(fēng)輪不存在氣動(dòng)不平衡故障(此處不考慮風(fēng)切變及葉片表面粗糙等情況)，記錄在不同風(fēng)速條件下機(jī)艙內(nèi)的振動(dòng)情況。此后，改變其中一根葉片安裝槳距角，使其與其他葉片存在5°的偏差，同樣，在不同風(fēng)速條件下運(yùn)行一段時(shí)間，記錄振動(dòng)數(shù)據(jù)。機(jī)艙內(nèi)加速度傳感器測(cè)點(diǎn)具體安裝位置為：主軸承座位置，主軸下方機(jī)架位置以及機(jī)艙尾部位置。將一個(gè)時(shí)間段連續(xù)的風(fēng)速進(jìn)行四舍五入取整，即Xm/s風(fēng)速下的測(cè)量結(jié)果為X±0.5 m/s風(fēng)速段測(cè)量結(jié)果的平均，統(tǒng)計(jì)不同風(fēng)速條件下機(jī)艙內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)情況。測(cè)試結(jié)果表明：無(wú)論是風(fēng)輪平衡還是不平衡，主軸承座、主軸下方和機(jī)艙尾部各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)平均值幾乎相同，考慮現(xiàn)場(chǎng)傳感器走線等問(wèn)題，后期均使用機(jī)艙尾部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

風(fēng)速為5 m/s時(shí)，平衡與不平衡狀態(tài)時(shí)機(jī)艙軸向振動(dòng)頻譜如圖5所示。

圖5 氣動(dòng)不平衡前后機(jī)艙軸向振動(dòng)頻譜

由圖5可見(jiàn)：不平衡狀態(tài)下風(fēng)輪1P轉(zhuǎn)頻成分幅值明顯增大，約為平衡狀態(tài)下的兩倍。此外，平衡狀態(tài)下2 Hz以內(nèi)的低頻成分較多，當(dāng)機(jī)組風(fēng)輪產(chǎn)生氣動(dòng)不平衡時(shí)，機(jī)艙內(nèi)的振動(dòng)頻率成分變得較為單一，基本集中在轉(zhuǎn)頻處附近。

機(jī)艙軸向、橫向振動(dòng)平均值和最大值隨著風(fēng)速的變化情況如圖(6，7)所示。

圖6 風(fēng)輪平衡與不平衡狀態(tài)下機(jī)組軸向振動(dòng)隨風(fēng)速的變化

圖7 風(fēng)輪平衡與不平衡狀態(tài)下機(jī)組橫向振動(dòng)隨風(fēng)速的變化

由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件下干擾因素較多，尤其是機(jī)組遇到陣風(fēng)或者突然偏航等都會(huì)產(chǎn)生短時(shí)沖擊振動(dòng)信號(hào)，造成輸出數(shù)據(jù)的偏差。由于單次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件的局限，所采集的最大值數(shù)據(jù)并不具備很強(qiáng)的代表性，也可以看出振動(dòng)最大值隨風(fēng)速的變化沒(méi)有特定的規(guī)律，因此本研究選用振動(dòng)的平均值進(jìn)行對(duì)比分析。圖6中，風(fēng)輪不平衡時(shí)其軸向振動(dòng)平均值明顯增大，約為平衡時(shí)的3～5倍，(隨著風(fēng)速(轉(zhuǎn)速)增大不平衡更加顯著)，但從圖7中可見(jiàn)橫向的振動(dòng)差別并不明顯，該結(jié)論與理論仿真的結(jié)果較為一致。

上述研究結(jié)果表明：氣動(dòng)不平衡可引起機(jī)組軸向振動(dòng)加劇，因此通過(guò)監(jiān)測(cè)風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻1P軸向振動(dòng)可以有效發(fā)現(xiàn)風(fēng)輪是否存在氣動(dòng)不平衡故障，保證機(jī)組安全運(yùn)行。

3 監(jiān)測(cè)與保護(hù)

傳統(tǒng)風(fēng)輪不平衡診斷方法是人工通過(guò)振動(dòng)頻譜判定，這種后處理的方式其弊端是無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

本文通過(guò)在機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊上增加監(jiān)測(cè)風(fēng)輪1P轉(zhuǎn)頻的功能，實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪氣動(dòng)不平衡的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)監(jiān)測(cè)頻率振動(dòng)大于設(shè)定值時(shí)，延遲一定時(shí)間后，振動(dòng)監(jiān)測(cè)模塊發(fā)出反饋信號(hào)給機(jī)組，使機(jī)組停機(jī)，同時(shí)向上位PLC發(fā)出風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻振動(dòng)過(guò)大報(bào)警信號(hào)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與機(jī)組安全鏈互鎖，報(bào)警信號(hào)聯(lián)入安全鏈，一旦出現(xiàn)報(bào)警立即切斷安全鏈?zhǔn)箼C(jī)組停機(jī)。

監(jiān)測(cè)模塊的工作流程如圖8所示。

圖8 風(fēng)輪不平衡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與保護(hù)邏輯

振動(dòng)模塊采集機(jī)艙內(nèi)測(cè)點(diǎn)位置處的機(jī)組軸向振動(dòng)加速度信號(hào)，通過(guò)100 Hz的低通濾波去除噪聲和無(wú)用數(shù)據(jù)，并利用帶通濾波器獲取風(fēng)輪1P頻率下的機(jī)組軸向振動(dòng)信號(hào)，并實(shí)時(shí)計(jì)算得到的振動(dòng)有效值。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，濾波器采用Butterworth濾波器，設(shè)置監(jiān)測(cè)頻率包含風(fēng)輪1P轉(zhuǎn)頻，對(duì)本文中所測(cè)試的機(jī)組，監(jiān)測(cè)頻率設(shè)為0.1 Hz～0.3 Hz。由于振動(dòng)模塊沒(méi)有其他機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)(功率、風(fēng)速等)信號(hào)接入，不能判定機(jī)組處于何種狀態(tài)，考慮到不平衡隨風(fēng)速增大更加顯著，減少機(jī)組誤報(bào)警，故機(jī)組在額定風(fēng)速附近能報(bào)出風(fēng)輪不平衡故障就滿足在線監(jiān)測(cè)要求。綜合考慮，報(bào)警振動(dòng)值設(shè)置在額定風(fēng)速時(shí)不平衡振幅最大值處。

同時(shí)，為了防止振動(dòng)突然沖擊增大而導(dǎo)致誤報(bào)，本研究采用延時(shí)報(bào)警方法，持續(xù)時(shí)間為累積時(shí)間，其原理如圖9所示。

圖9 延時(shí)報(bào)警法效果示意圖

當(dāng)振幅超過(guò)報(bào)警線并持續(xù)一段時(shí)間后，延遲計(jì)時(shí)器進(jìn)行一次計(jì)時(shí)；同樣，當(dāng)振幅小于報(bào)警線并持續(xù)一段時(shí)間后，計(jì)時(shí)器數(shù)值減小，直至計(jì)時(shí)器的數(shù)值達(dá)到報(bào)警要求才發(fā)出故障停機(jī)命令。

通過(guò)Bladed仿真機(jī)組在氣動(dòng)不平衡條件下的運(yùn)行情況，機(jī)組風(fēng)輪直徑100 m，額定功率2 500 kW，風(fēng)文件采用dlc1.2工況設(shè)定，得到機(jī)艙軸向振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)。采用文中提出的監(jiān)測(cè)邏輯，報(bào)警準(zhǔn)確率在90%以上，并已在10多個(gè)風(fēng)場(chǎng)投入使用，取得了很好的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了更好地保障風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行，本文采用振動(dòng)的方法監(jiān)測(cè)風(fēng)輪氣動(dòng)不平衡故障。理論分析表明：氣動(dòng)不平衡對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)頻1P振動(dòng)影響最大；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)艙內(nèi)不同位置的測(cè)點(diǎn)均能有效監(jiān)測(cè)風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻1P振動(dòng)，且機(jī)組處于氣動(dòng)不平衡時(shí)，軸向振動(dòng)幅度變化明顯，振動(dòng)均值增大數(shù)倍，且隨著風(fēng)速增大而逐漸增加；而橫向振動(dòng)雖有所增加，但變化幅度不大。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻1P振動(dòng)，報(bào)警水平線設(shè)置在機(jī)組額定風(fēng)速下不平衡振動(dòng)振幅最大值處，并采用延時(shí)報(bào)警的方式以減少誤報(bào)率；通過(guò)Bladed仿真驗(yàn)證了報(bào)警機(jī)制的高準(zhǔn)確性。