基于外部風(fēng)況的風(fēng)電機組振動故障研究

劉 銳，溫 鵬，熊 恒

(1.中國電建集團城市規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 511457；(2.湖南三一智慧新能源設(shè)計有限公司，湖南 長沙 410100)

0 引 言

振動是風(fēng)電機組在運行中出現(xiàn)的一種較為常見的故障形式，頻繁的振動故障不僅會導(dǎo)致風(fēng)電機組頻繁停機而損失發(fā)電量，還會影響風(fēng)電機組的安全和壽命，進而影響整個風(fēng)電場的生產(chǎn)效益。因此，找出風(fēng)電機組發(fā)生振動故障的原因進而規(guī)避振動風(fēng)險顯得至關(guān)重要。

對于風(fēng)電機組振動的研究，姚興佳等[1]研究了主要振動源的動力學(xué)方程，對塔架進行了Campell共振圖分析，用有限元分析方法計算出塔架的固有頻率和振型，為機組設(shè)計提供了依據(jù)；孫建湖等[2]設(shè)計了轉(zhuǎn)矩阻尼濾波控制器，并用Matlab軟件進行仿真驗證，找到了能有效控制塔架振動的方法；任巖等[3]通過對風(fēng)電場SCADA數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，與機組振動相關(guān)程度較高的因素有風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、槳距角和發(fā)電機轉(zhuǎn)速；張羽[4]研究發(fā)現(xiàn)葉片質(zhì)量不平衡會造成機艙橫向振動明顯增大，葉片氣動不平衡會造成縱向振動明顯增大。但前人對于機組振動原因的研究主要著眼于風(fēng)電機組自身或控制方面，較少對機組振動的外部激勵因素[2]進行分析。另外，在項目前期機組安全性復(fù)核時，雖然能夠?qū)︼L(fēng)電機組全生命周期內(nèi)的安全性作出評估，卻無法評判出其是否會發(fā)生較多的振動故障。

本文通過對風(fēng)電機組發(fā)生振動故障時的幾種不同風(fēng)況進行分析(已排除機組自身和控制原因?qū)е碌恼駝?，初步找出外部風(fēng)況、地形與風(fēng)電機組發(fā)生振動故障之間的關(guān)系，為風(fēng)電場微觀選址工作提供指導(dǎo)。

1 典型風(fēng)電機組振動故障風(fēng)況研究

1.1 典型機組情況介紹

本文以1號、15號和5號典型風(fēng)電機組作為研究對象。其中，1號和15號機組分別位于同一風(fēng)電場的最南部和中部。該風(fēng)電場位于福建省莆田市仙游縣的西北部山地，海拔800～1 250 m；該風(fēng)電場安裝有23臺單機功率1.5 MW的低風(fēng)速機型，風(fēng)輪直徑89 m，輪轂高度80 m。2014年年底，23臺風(fēng)電機組全部完成調(diào)試并網(wǎng)發(fā)電，2016年～2017年機組振動故障頻發(fā)，經(jīng)過廠家分析處理后，2018年1號和15號機組仍發(fā)生了較為頻繁的振動故障。5號機組所在的風(fēng)電場位于湖南省長沙市寧鄉(xiāng)縣境內(nèi)的山地，海拔600～1 045 m，該風(fēng)電場安裝有19臺單機功率3.0 MW的低風(fēng)速機型，風(fēng)輪直徑146 m，輪轂高度90 m，5號機組在2020年6月15日并網(wǎng)發(fā)電，振動故障頻發(fā)，導(dǎo)致非計劃損失電量占比較高，發(fā)電量遠低于鄰近機組，為解決頻繁振動停機問題，現(xiàn)場人員對5號機組的風(fēng)速風(fēng)向儀、振動傳感器進行了檢查、更換，但進入7月，5號機組振動停機故障仍有增無減。

綜合分析，3臺風(fēng)電機組基本可排除由于機組自身或控制原因?qū)е碌恼駝庸收稀?/p>

1.2 1號機組振動故障風(fēng)況分析

1號機組在2018年共發(fā)生6次振動故障，表1列出了發(fā)生振動故障時機艙風(fēng)速風(fēng)向儀實測的風(fēng)速、風(fēng)向信息。

表1 1號機組2018年振動故障代碼和實測風(fēng)況

由表1可知：①1號機組均發(fā)生的是Y軸方向(平行主軸方向)振動，發(fā)生振動故障的時間較為集中，3次發(fā)生在2018年9月15日，3次發(fā)生在2018年10月30日；②發(fā)生振動時風(fēng)速儀實測風(fēng)速均在10 m/s以上，風(fēng)向儀實測風(fēng)向為東北方向，湍流值基本在0.2以上。

1號機位周邊地形如圖1所示。由圖1可知，1號機位東北方向水平距離780 m處有海拔高出33 m的山包(2號機位附近)，再往前為斜坡(平均坡度25%)。根據(jù)空氣動力學(xué)理論，此種地形下東北來流風(fēng)經(jīng)過爬坡加速到2號機位附近的山頂后氣流上翹并發(fā)生分離，在山頂之后一定距離的低層區(qū)域氣流下沉并產(chǎn)生回流[5]。受此影響，處于較低海拔的1號機位風(fēng)速降低，湍流和切變均會增大。

圖1 1號機位東北方向地形情況

采用基于CFD的風(fēng)資源評估軟件WT對1號、2號機位進行模擬，計算結(jié)果如表2所示。

由表2可知：

(1)在東北方向上(45°扇區(qū))，1號機位的平均風(fēng)速低于2號，1號機位的強風(fēng)狀態(tài)下總體湍流強度和平均風(fēng)切變均高于2號機位；2號機位處的入流角為正值表示氣流上翹，1號機位處的入流角為負值表示氣流下沉，這些均與理論分析結(jié)果一致。

(2)1號機位點在45°扇區(qū)的強風(fēng)狀態(tài)下總體湍流強度為0.189，遠高于其他扇區(qū)；1號機位點在45°扇區(qū)的平均風(fēng)切變?yōu)?.249，也普遍高于其他扇區(qū)。這也解釋了為何1號機組發(fā)生的6次Y軸方向的振動故障時的風(fēng)向均為東北風(fēng)向。

結(jié)合1號機組發(fā)生振動故障時的實測風(fēng)況進行分析可知，在高風(fēng)速、高湍流、高切變來流風(fēng)的共同作用下，風(fēng)輪載荷產(chǎn)生了周期性波動[2]導(dǎo)致1號機組發(fā)生了Y軸方向的振動故障。

1.3 15號機組振動故障風(fēng)況分析

15號機組在2017年臺風(fēng)納沙期間(7月30日)發(fā)生5次振動故障，在2018年臺風(fēng)瑪利亞期間(7月11日)發(fā)生7次振動故障，如表3所示。表3還列出了發(fā)生振動故障時風(fēng)速風(fēng)向儀和15號機位附近山頂處的風(fēng)功率預(yù)測塔實測的風(fēng)速、風(fēng)向等信息。

表2 1號、2號機位風(fēng)資源參數(shù)模擬統(tǒng)計值

表3 15號機組振動故障代碼和實測風(fēng)況

由表3可知：①15號機組在2017年臺風(fēng)納沙和2018年臺風(fēng)瑪利亞期間均發(fā)生的是Y軸方向(平行主軸方向)振動，在臺風(fēng)納沙期間發(fā)生的振動故障主要集中在東北扇區(qū)，在臺風(fēng)瑪利亞期間發(fā)生的振動故障主要集中在西北偏西扇區(qū)。②發(fā)生振動時風(fēng)速風(fēng)向儀實測風(fēng)速基本在10 m/s以上，湍流值均在0.2以上，與1號機組發(fā)生振動故障時的風(fēng)速、湍流值接近。③對比來看，發(fā)生振動故障時風(fēng)功率預(yù)測塔實測風(fēng)速普遍高于15號機位風(fēng)速儀所測風(fēng)速，風(fēng)功率預(yù)測塔湍流值低于15號機位風(fēng)速風(fēng)向儀處湍流，相對于風(fēng)功率預(yù)測塔處風(fēng)向，15號機位風(fēng)向順時針偏轉(zhuǎn)了一定角度(平均約18°)。④風(fēng)功率預(yù)測塔在臺風(fēng)納沙期間的湍流值較大(均在0.18以上)，在臺風(fēng)瑪利亞期間湍流值較小(在0.12左右)。

15號機位周邊地形如圖2所示。由圖2可知：①15號機位西北偏西方向上水平距離350 m處有海拔高出70 m的山頂，再往前為斜坡(平均坡度14%)，此地形與1號機位東北方向地形類似；而風(fēng)功率預(yù)測塔位于山頂位置，四周開闊無遮擋。根據(jù)空氣動力學(xué)理論，處于背風(fēng)坡的15號機位與處于山頂上的風(fēng)功率預(yù)測塔相比，風(fēng)速降低，湍流增大。這也與表2所列的實測數(shù)據(jù)基本吻合。②15號機位東北方向上處于懸崖頂端，不受任何遮擋。而15號機位在臺風(fēng)納沙期間發(fā)生振動故障時的湍流之所以也較大，與臺風(fēng)納沙自身湍流較大有關(guān)(處于山頂處的風(fēng)功率預(yù)測塔實際湍流在0.18以上且對臺風(fēng)風(fēng)況具有較好的代表性)。

圖2 15號機位周邊地形情況

綜上分析可知，臺風(fēng)下的高風(fēng)速和高湍流是造成15號機組發(fā)生Y軸方向振動故障的主要原因。

1.4 5號機組振動故障風(fēng)況分析

由于5號機組在2020年7月發(fā)生振動故障的次數(shù)較多且情況相似(風(fēng)向和風(fēng)速區(qū)間相似的Y軸方向振動)，以7月6日發(fā)生的振動故障為代表，表4列出其發(fā)生振動故障時風(fēng)況信息。由表4可知：①5號機組發(fā)生振動故障時機艙風(fēng)速儀所測風(fēng)速普遍較低，即機組在剛切入時就發(fā)生了振動故障而待命或停機；②由于5號機組未進行機艙對北標(biāo)定，無法獲悉5號機組在某一時刻的對北風(fēng)向，參考附近風(fēng)功率預(yù)測塔(5號機位東北方向約350 m處)的實測風(fēng)向和地形情況大致可判斷5號機組發(fā)生振動故障時的風(fēng)向為南～西南。

5號機位周邊地形如圖3所示。由圖3可知，5號機位南～西南方位水平距離300 m左右處受海拔高出60 m左右的山脊遮擋，山脊再往前為陡峭的山坡(平均坡度6%～31%)，此地形與1號機位較為類似，不同之處在于風(fēng)爬坡的坡度更大，機位點受山體遮擋范圍更大也更為嚴重。受此影響，在西南風(fēng)向下，5號機位與山脊上的機位相比，風(fēng)速將急劇減小，湍流和切變將急劇增大。

采用WT軟件對5號機位及山脊最高處的6號機位進行風(fēng)資源仿真，結(jié)果如表5所示。

由表5可知：

表4 5號機組在2020年7月6日的振動故障信息

圖3 5號機位周邊地形情況

(1)在南～西南(180°～247.5°)扇區(qū)，5號機位處的風(fēng)速明顯低于6號機位，平均風(fēng)切變和湍流值均遠高于6號機位，6號機位處的入流角為正值表示氣流上翹，5號機位處的入流角為負值表示氣流下沉，這些均與理論分析結(jié)果一致。

(2)5號機位在南～西南(180°～247.5°)扇區(qū)的平均風(fēng)切變和湍流值明顯高于其他扇區(qū)，且扇區(qū)所受遮擋越嚴重，平均風(fēng)切變也越大。

(3)對比1號機位，5號機位在受遮擋扇區(qū)的平均風(fēng)切變和湍流值遠遠高于1號機位(1號機位45°扇區(qū)的平均風(fēng)切變?yōu)?.249，45°扇區(qū)風(fēng)速6 m/s時的總體湍流強度為0.201)，因此可推測低風(fēng)速下具有高湍流和更高切變的復(fù)雜風(fēng)況作用于5號機組葉輪上引起載荷周期性波動而發(fā)生振動。

表5 5號、6號機位風(fēng)況仿真結(jié)果

表6 典型機位特定扇區(qū)地形參數(shù)及風(fēng)況參數(shù)

2 典型機位分析匯總及地形研究

通過對以上3臺機組發(fā)生振動故障時的風(fēng)況進行分析可知，風(fēng)速、湍流和切變是引發(fā)機組振動的最主要的外部激勵因素，主要為2種組合：①高風(fēng)速(10 m/s以上)+高湍流(0.2以上)；②低風(fēng)速(一般為3 m/s以上、10 m/s以下)+高湍流(0.2以上)+超高切變(0.45以上)。除特殊的臺風(fēng)風(fēng)況或受機組尾流影響較大外，3臺機位均位于背風(fēng)坡是造成以上2種組合風(fēng)況出現(xiàn)的主要原因。表6列出了以上3臺機位點特定扇區(qū)地形參數(shù)和仿真得到的風(fēng)況參數(shù)。

由表6可知：

(1)γ值越大，平均風(fēng)切變和環(huán)境湍流值一般也越大。即γ值越大，來流風(fēng)在迎風(fēng)坡加速后越容易在山頂處發(fā)生流體分離，并在背風(fēng)坡的低層區(qū)域產(chǎn)生回流效應(yīng)。

(2)從實際情況來看，γ>17°時，機組均發(fā)生了振動故障，即γ=17°為氣流產(chǎn)生分離和回流效應(yīng)的臨界值，這與經(jīng)典空氣動力學(xué)理論一致[6]；而當(dāng)γ>21°以上時，機組在低風(fēng)速下也易產(chǎn)生振動故障。

(3)5號機組在180°扇區(qū)的環(huán)境湍流并不大，而總體湍流達到0.2以上，原因是其受到上風(fēng)向8號機組的尾流影響較大而帶來較大的附加湍流，即5號發(fā)生振動的主要原因是高風(fēng)速下受其上風(fēng)向的風(fēng)機尾流影響較大引起的。

3 結(jié) 論

通過對以上典型機組發(fā)生振動故障時的風(fēng)況和地形進行研究，得到如下結(jié)論：

(1)機組發(fā)生平行主軸方向振動時的來流風(fēng)主要有2種風(fēng)況特征：一種是高風(fēng)速(10 m/s以上)+高湍流(0.2以上)組合，另一種是低風(fēng)速(一般為3 m/s以上、10 m/s以下)+高湍流(0.2以上)+超高切變(0.45以上)組合。

(2)機組容易發(fā)生平行主軸方向振動故障的地形特征：當(dāng)17°≤γ<21°時，機組容易在高風(fēng)速下發(fā)生振動故障；當(dāng)γ≥21°時，機組在低風(fēng)速下即發(fā)生振動故障。

(3)特殊的臺風(fēng)風(fēng)況或較大的尾流影響也可能造成機組發(fā)生高風(fēng)速下的平行主軸方向振動故障。

(4)在風(fēng)電場微觀選址中，為避免機組振動故障頻發(fā)，在主風(fēng)向和次主風(fēng)向扇區(qū)，γ>21°的點位盡量不要采用；在主風(fēng)能和次主風(fēng)能扇區(qū)或臺風(fēng)頻發(fā)風(fēng)向上，γ>17°的點位盡量不要采用；另外需避免采用受風(fēng)機尾流影響較大的點位。