風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的研究

劉世江 劉作廣 趙志磊

【摘 ?要】風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的研究包括現(xiàn)代社會(huì)下風(fēng)力發(fā)電機(jī)的維修技藝、發(fā)展現(xiàn)狀、診斷方式等內(nèi)容。隨著用戶需求的不斷變化，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的形態(tài)、狀態(tài)和功能也在變化。其裝機(jī)容量也隨著用戶需求呈逐漸上升的趨勢(shì)。就目前的維修情況來看，對(duì)振動(dòng)監(jiān)測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的在線監(jiān)控手段不能滿足現(xiàn)有的運(yùn)維需求。所以一旦振動(dòng)監(jiān)測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)出現(xiàn)了問題和故障，其后續(xù)檢查和維修工作都是很復(fù)雜的。同時(shí)，商家還要承擔(dān)由于事故造成的損失和維修的費(fèi)用。所以為了避免風(fēng)力發(fā)電機(jī)出現(xiàn)問題，就必須要對(duì)齒輪箱、發(fā)電機(jī)、葉片和塔筒等主要部件進(jìn)行監(jiān)控。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電機(jī);狀態(tài)監(jiān)測(cè);故障診斷;技術(shù)研究

引言

國內(nèi)對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用正在持續(xù)增加。為了響應(yīng)綠色環(huán)保的口號(hào)，風(fēng)能和新能源作為兩種比較環(huán)保的能源正在替代一些不可再生能源。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用可以減少我國國內(nèi)的電能使用量。風(fēng)能作為一種常見的綠色能源已經(jīng)被應(yīng)用于各行各業(yè)之中，我國也推出了相應(yīng)的政策，支持行業(yè)內(nèi)對(duì)風(fēng)能的使用。國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用和制造風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)先的地步。但是在國內(nèi)大量應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電機(jī)的同時(shí)，也同樣面對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)所帶來的一些問題。對(duì)于風(fēng)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷成為現(xiàn)在風(fēng)電領(lǐng)域一個(gè)重要的課題。

一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的發(fā)展背景

風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的研究還是基于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)之上。首先不得不提到的是對(duì)于風(fēng)能的利用，是出于節(jié)約能源的目的。利用可再生能源去代替不可再生能源，是世界通用的保護(hù)不可再生能源的手段。風(fēng)能的存儲(chǔ)基數(shù)是很大的，它要比地球上可開發(fā)利用的水能還要大上十幾倍，所以在這種情況下風(fēng)能當(dāng)然是首當(dāng)其沖的可利用能源之一。其次，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用得益于風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造技藝的飛速發(fā)展。自2010年開始，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電裝機(jī)容量就一直在持續(xù)升高?？梢哉f以上兩種因素為風(fēng)力發(fā)電機(jī)在我國的大力推行打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。實(shí)際上，從20世紀(jì)開始，我國就已經(jīng)開始著手風(fēng)能利用的工作。也就是說，從上個(gè)世紀(jì)我國就已經(jīng)萌生了用可再生能源代替不可再生能源工作的想法。近幾年是風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)展最迅猛的幾年。我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝機(jī)容量已經(jīng)蟬聯(lián)了好幾年的世界第一。同時(shí)在風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行過程中也出現(xiàn)了各種各樣的問題，其中之一便是大部件的故障預(yù)警問題。現(xiàn)在越來越多的主機(jī)廠和開發(fā)商投入大量資源進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研究。

二、風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)的具體內(nèi)容

在上文中提到風(fēng)力發(fā)電機(jī)比較容易產(chǎn)生故障的幾個(gè)部位分別是發(fā)電機(jī)、齒輪箱、塔筒和葉片。所以若要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)進(jìn)行分析，就必須要從這幾個(gè)部位開始入手。

1、齒輪箱

齒輪箱一般位于風(fēng)力發(fā)電機(jī)的機(jī)艙之中，是風(fēng)電機(jī)組機(jī)械傳動(dòng)鏈的重要構(gòu)成部分。。齒輪的結(jié)構(gòu)分為兩種，一級(jí)行星齒輪和二級(jí)平行齒輪。這兩種齒輪類型都是風(fēng)力發(fā)電機(jī)中比較常用的類型。這兩種尺寸類型的共性是都擁有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，所以在風(fēng)力發(fā)電機(jī)負(fù)載產(chǎn)生變化的時(shí)候，齒輪箱就比較容易發(fā)生故障。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在負(fù)載產(chǎn)生變化時(shí)，齒輪箱中的軸承承重量就會(huì)發(fā)生變化，這是比較容易產(chǎn)生軸承失效的問題。一旦齒輪箱發(fā)生故障之后，由于其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以維修費(fèi)用比較高。同時(shí)，齒輪箱故障會(huì)造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)無法正常工作，所以相關(guān)單位還要承擔(dān)，由于停電所造成的損失。振動(dòng)測(cè)量是風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱最常用的故障診斷技術(shù)，這種技術(shù)是利用時(shí)域信號(hào)來對(duì)齒輪箱進(jìn)行初步的探索和問題確認(rèn)，在進(jìn)行初步診斷之后，通過頻譜分析對(duì)診斷結(jié)果進(jìn)行二次確認(rèn)。這種行為為齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了準(zhǔn)確的保障。同時(shí)溫度測(cè)量的方法也可以作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷標(biāo)準(zhǔn)，將溫度作為診斷標(biāo)準(zhǔn)的這種方式比較簡(jiǎn)單容易操作，準(zhǔn)確性低，但是可以作為基礎(chǔ)的診斷依據(jù)，主要是用來監(jiān)測(cè)主軸部件的狀態(tài)。

2、發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件，同樣是狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷的關(guān)鍵部件。發(fā)電機(jī)的作用就是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為所需要的電能。隨著近幾年風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造機(jī)的不斷增加，發(fā)電機(jī)電容量也在持續(xù)增長(zhǎng)。在風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行中遇到各種問題。最常見的故障，就是由于發(fā)電機(jī)過熱造成的短路現(xiàn)象發(fā)電機(jī)的主要故障診斷技術(shù)是通過電流信號(hào)電壓，信號(hào)來診斷發(fā)電機(jī)是否產(chǎn)生了問題，同時(shí)確認(rèn)是哪個(gè)部件產(chǎn)生的問題。通過對(duì)諧波分量變化的分析，得到發(fā)電機(jī)故障部件的識(shí)別結(jié)果。這種故障診斷技術(shù)的準(zhǔn)確率較高，操作也比較簡(jiǎn)單?？梢栽诙虝r(shí)間內(nèi)精準(zhǔn)的分析出發(fā)電機(jī)的故障部位并提供解決方案。但這種做法的操作前提是保證發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子的穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)行的故障診斷技術(shù)。同時(shí)借助小波轉(zhuǎn)換的技術(shù)，對(duì)轉(zhuǎn)子和定子的輸出功率信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。如果發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子也產(chǎn)生了故障，這一步操作就是對(duì)故障部位的確認(rèn)。通過與正常輸出功率信號(hào)的對(duì)比精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)問題所在。但是，這種方法雖然基本能夠辨別出轉(zhuǎn)子和定子的故障部位，但是卻無法進(jìn)一步分析輸出功率信號(hào)中的故障信息。

3.塔筒和基礎(chǔ)

塔筒和基礎(chǔ)作為風(fēng)電機(jī)組主要的承力部件，任何的隱患都會(huì)造成嚴(yán)重的影響。隨著塔筒的升高，對(duì)于塔筒和基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)也逐漸成為行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)配置。目前常用的手段有：應(yīng)變監(jiān)測(cè)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)和傾角監(jiān)測(cè)。通過對(duì)應(yīng)變監(jiān)測(cè)可以實(shí)時(shí)獲取塔筒和基礎(chǔ)的整體載荷，在極端情況下進(jìn)行預(yù)計(jì)通過控制策略調(diào)整，避免災(zāi)害發(fā)生，同時(shí)可以根據(jù)長(zhǎng)期的疲勞計(jì)算，評(píng)估風(fēng)機(jī)整體的壽命，對(duì)未來風(fēng)機(jī)健康度和延壽等問題提供數(shù)據(jù)支持。通過振動(dòng)監(jiān)測(cè)可以有效的發(fā)現(xiàn)隱患，眾所周知，塔筒的頻率和剛度有直接的聯(lián)系，通過對(duì)于頻率的監(jiān)測(cè)可以有效的發(fā)現(xiàn)塔筒早期的缺陷和損傷，避免較大的經(jīng)濟(jì)損失。通過傾角監(jiān)測(cè)可以長(zhǎng)期監(jiān)控風(fēng)機(jī)的整體狀態(tài)，有效的避免由于基礎(chǔ)沉降等造成的倒塌風(fēng)險(xiǎn)。

4.葉片

葉片作為將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的核心部件，其健康程度不僅關(guān)系到生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益同時(shí)關(guān)系著風(fēng)電機(jī)組的安全生產(chǎn)，對(duì)于葉片的監(jiān)測(cè)也成為了研究的重點(diǎn)方向。目前常用的方法有振動(dòng)監(jiān)測(cè)和應(yīng)變監(jiān)測(cè)。通過在葉片合適的位置安裝振動(dòng)傳感器，通過頻域分析可以偵測(cè)出葉片頻率的變化，從而對(duì)葉片進(jìn)行早期預(yù)警和結(jié)冰預(yù)警等，避免運(yùn)維的重大安全風(fēng)險(xiǎn)。通過在葉根等位置安裝應(yīng)變傳感器可以實(shí)時(shí)的獲取葉片的載荷信息，與先進(jìn)控制相結(jié)合，在遇到極限載荷等工況下進(jìn)行相應(yīng)控制策略的應(yīng)對(duì)，可以極大的避免一些危險(xiǎn)狀況的發(fā)生。

結(jié)束語

總的來說，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研發(fā)從上個(gè)世紀(jì)就開始了，在經(jīng)歷了半個(gè)世紀(jì)的辛苦研究過程之后，風(fēng)力發(fā)電機(jī)終于應(yīng)用于各行各業(yè)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)是一個(gè)從無到有的過程，依靠的是我國科學(xué)家的辛勤努力才擁有了今天各式各樣的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。同樣的道理，風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)也面臨著這樣的一個(gè)發(fā)展過程。任何一個(gè)新興行業(yè)的誕生都是通過不斷摸索，不斷推翻才能得到更好的成長(zhǎng)。目前，我國很多的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)還在試驗(yàn)階段，雖然沒有面向市場(chǎng)大力推廣，但是經(jīng)過我國科學(xué)家不斷地摸索改進(jìn)，一定會(huì)有更多更先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷技術(shù)出現(xiàn)解決我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)在工作過程中所面臨的種種問題。

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作者簡(jiǎn)介：

劉世江（1972.08.30）男，籍貫：遼寧海城，學(xué)歷：本科，職稱：工程師，研究方向：風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)研發(fā)

劉作廣（1977.01.24）男，籍貫：遼寧大連，學(xué)歷：碩士研究生，研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)

趙志磊（1988.01.13）男，籍貫：河南洛陽，學(xué)歷：碩士研究生，研究方向：風(fēng)電后市場(chǎng)

（作者單位：新天綠色能源股份有限公司）