基于振動傳感的風機狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)探究

王浩，陶然，徐杰

（宿松吉電新能源有限公司，安徽 合肥 230031）

風力發(fā)電作為一種新型綠色能源，受到世界各國政府、能源界和環(huán)保界的高度重視，在全球能源結(jié)構(gòu)中逐漸占據(jù)重要地位，成為當前應(yīng)用最廣泛和發(fā)展最快的新能源發(fā)電技術(shù)之一。據(jù)保守估計，目前，全球風電裝機容量將達到756GW，自2016年起，年均復(fù)合增長率高達9.56%，這相當于至少250000臺3MW的風機。我國陸上風電裝機容量占世界的37%，排名第一，海上風電裝機容量大約7GW，占比23%，位居世界第三，是名副其實的風電大國。

與傳統(tǒng)化石燃料相比，風力發(fā)電單位能源產(chǎn)出的成本較高，這是阻礙風電行業(yè)繼續(xù)健康發(fā)展的一個重要因素。加大風電葉片直徑，大型化風電裝備是降低單位能源產(chǎn)出成本的常用技術(shù)手段。但是，由于風電裝備通常服役在交通不便利的偏遠地區(qū)或近海地區(qū)，風電裝備的運行維護面臨極高的困難和維護成本。這點對于我國的風電市場尤為顯著。據(jù)統(tǒng)計，我國服役20年的路上風電裝備，其運行維護成本占風場收入高達15%，海上風場，運行維護成本占風場收入甚至達到25%。我國風電裝備整體技術(shù)水平和風場狀況參差不齊，與西方發(fā)達國家有一定差距。采用定時檢修的運行維護模式是多數(shù)風場成本居高不下的主要原因。一方面，頻繁的重復(fù)檢修直接導(dǎo)致運行維護成本的急劇上升，潛在的小故障不能及時發(fā)現(xiàn)并檢修，可能導(dǎo)致風機整體報廢；另一方面，及時準確判斷故障的來源，避免多種手段逐一排查帶來巨大的運維成本。發(fā)展風電機組的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，早預(yù)測、早報警、早處理，預(yù)防災(zāi)難事故，延長風電機組的服役壽命，對于降低風電的產(chǎn)出成本，發(fā)展綠色能源，實現(xiàn)碳中和目標有著積極意義。

1 系統(tǒng)故障特點及監(jiān)測要求

對于風機系統(tǒng)，振動傳感器重點應(yīng)用于變速箱、葉片和塔架的狀態(tài)監(jiān)控，對于其它系統(tǒng)，比如，偏航驅(qū)動、機械剎車和發(fā)電機，一般不使用振動傳感器進行監(jiān)控，而是監(jiān)控扭矩、溫度、潤滑油參數(shù)和電信號。如圖1所示，風機系統(tǒng)整體組件示意圖和典型變速箱結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 風機系統(tǒng)組件（左） 變速箱結(jié)構(gòu)（右）

1.1 變速箱

風機變速箱將機械能從低轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子輪轂傳輸?shù)礁咚侔l(fā)電機。同時，風機變速箱承受著不同風速帶來的交替載荷，以及頻繁制動導(dǎo)致的瞬變脈沖。變速箱包括一個低速轉(zhuǎn)子軸和主軸承，在風力驅(qū)動轉(zhuǎn)子葉片時以0～20rpm（不到0.3Hz）的轉(zhuǎn)速運行。要捕獲不斷增加的振動信號，需要振動傳感器使用直流電運行。同時，振動傳感器的性能需要達到0.1Hz。變速箱的高速軸通常以3200rpm(53Hz)的轉(zhuǎn)速運行。為了提供足夠帶寬來捕捉軸承和齒輪故障的諧波，低速和高速軸振動傳感器的性能達到10kHz及以上。

目前，軸承故障是引發(fā)變速箱故障的最大原因。一些研究表明，軸承故障是引發(fā)災(zāi)難性齒輪故障的根本原因。當高速軸上的后軸承失效時，高速軸發(fā)生傾斜，造成中間（中部）軸齒輪的傳輸不均。在這種情況下，齒輪的接觸齒極易發(fā)生故障。因此，需要使用合適的振動傳感器來監(jiān)控變速箱的主要軸承和高速軸承。振動傳感器的本底噪聲需要足夠低，以便能夠檢測到早期振動幅度（g范圍）較低的軸承故障。

在不到0.1g時，顯示初始軸承損壞，而在達到1g時，通常表示深度軸承損壞，通常會觸發(fā)維護。當振動幅值超過6g時，需維護變速箱和更換軸承。如前所述，軸承故障頻率會在更高頻率下發(fā)生。

在更高頻率下實施測量需要使用g范圍規(guī)格更大的傳感器。這是因為測得的加速度重力值與頻率成比例。因此，與在低頻率下相比，在更高頻率下，相同的少量故障位移會導(dǎo)致更高的重力范圍。由于結(jié)構(gòu)沖擊或突然的機械斷裂，振動傳感器也需要涵蓋沖擊載荷工況。

1.2 轉(zhuǎn)子葉片

風機的轉(zhuǎn)子葉片和輪轂組件在低速下捕捉風并傳輸扭矩。導(dǎo)致葉片故障的主要原因包括極端風荷載、結(jié)冰或雷電等環(huán)境影響，以及不平衡。這些因素導(dǎo)致斷裂和邊緣開裂，以及徑節(jié)系統(tǒng)故障。一般來說，大型風機葉片（即直徑40m以上的葉片）的首級固有頻率在0.5～15Hz。對渦輪葉片上的無線振動監(jiān)控系統(tǒng)的可行性研究顯示，因振動激勵導(dǎo)致的葉片頻率響應(yīng)遠高于基頻。其他研究表明，由葉片邊緣變形引起的葉片頻率與葉片扭轉(zhuǎn)變形引起的葉片頻率之間有顯著差異。葉片邊緣變形的固有頻率在0.5～30Hz，葉片扭轉(zhuǎn)變形的固有頻率高達700Hz。用振動傳感器測量基頻以外的頻率需要更大的帶寬。

1.3 風機塔

風機塔為風機外殼和轉(zhuǎn)子葉片總成提供結(jié)構(gòu)支撐。塔身會遭受沖擊損壞，導(dǎo)致塔出現(xiàn)傾斜。塔傾斜后，葉片與風向之間無法保持最佳角度。測量傾斜度需要使用操作功率可以低至0Hz的傳感器，如此在零風條件下，也可以檢測到傾斜。

基座部分的結(jié)構(gòu)破壞會導(dǎo)致塔搖晃。在靜態(tài)條件下（無風力），當塔架結(jié)構(gòu)發(fā)生故障導(dǎo)致傾斜時，頻率的最低限值降低至0Hz。要實施傾斜測量，需要使用具有良好的直流穩(wěn)定性能的傳感器。最小±2g范圍的振動傳感器足以對塔實施監(jiān)控。

2 風機單機振動總體監(jiān)測方案

2.1 單個風機系統(tǒng)振動測量總體設(shè)計方案

單個風機系統(tǒng)包括振動傳感器、工業(yè)現(xiàn)場總線、振動數(shù)據(jù)處理終端、以太網(wǎng)、遠程服務(wù)器。振動傳感器實時采集風機傳動鏈上各個部件的振動數(shù)據(jù)，采用工業(yè)現(xiàn)場總線發(fā)送至風機振動數(shù)據(jù)處理終端，風機振動數(shù)據(jù)處理終端實現(xiàn)健康預(yù)警和存儲，然后通過以太網(wǎng)發(fā)送至遠程服務(wù)器大數(shù)據(jù)中心。單個振動傳感器的測量信號通過工業(yè)現(xiàn)場總線匯總到中央處理器，中央處理器采用標準RJ45網(wǎng)口與服務(wù)器通信。中央處理器從外部獲取電源，同時需要外部提供防雷接地線。如圖2、圖3所示例為風機轉(zhuǎn)子葉子的振動傳感器安置方案。

圖2 單個風機系統(tǒng)振動測量總體設(shè)計方案

圖3 單個風機系統(tǒng)轉(zhuǎn)子葉子振動測量安置方案

2.2 傳感器及安置方案

風機系統(tǒng)振動傳感器用于采集被監(jiān)測結(jié)構(gòu)振動信號，該單元由包括振動敏感單元、ADC、串口通信，其控制邏輯及其ASCII碼私有配置協(xié)議組成，由可編程邏輯實現(xiàn)。振動敏感單元采用金屬簧片式彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，ADC采樣率2MHz，采樣帶寬22kHz；可編程邏輯實現(xiàn)ADC數(shù)據(jù)的采集時序，進行數(shù)據(jù)處理降采樣，適配串口通信帶寬，傳輸協(xié)議RS422，波特率460800bps，支持傳輸長度200m。風機系統(tǒng)振動傳感器實現(xiàn)原理，如圖4所示。

圖4 風機系統(tǒng)振動傳感器實現(xiàn)原理

風機系統(tǒng)振動傳感器大小為長49mm、寬33mm、高26mm，輸出端口為M5四芯公頭，內(nèi)部設(shè)計緊湊，其設(shè)計原理圖，如圖5所示。

圖5 單個傳感器及數(shù)據(jù)采集設(shè)備

單個風機振動傳感器安裝分布及振動測量需求如表1所示。

表1 風機振動傳感器分布

2.3 數(shù)據(jù)采集設(shè)備及基于振動傳感器的狀態(tài)監(jiān)測算法流程

振動數(shù)據(jù)采集設(shè)備用于采集單風機所有振動測量點振動數(shù)據(jù)，實現(xiàn)振動數(shù)據(jù)的一級現(xiàn)場存儲和管理；并對各個振動監(jiān)控點的采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，判斷風機設(shè)備的健康狀態(tài)，并將風機設(shè)備的各個監(jiān)控點健康狀態(tài)實時上報遠程服務(wù)器。本文，采用通用嵌入式處理器系統(tǒng)，內(nèi)置intel i7處理器，8GB內(nèi)存，Linux 64位操作系統(tǒng)，帶Ethernet網(wǎng)絡(luò)2個（備用1個）、USB端口4個、RS232接口10個的工控機，需具有耐高低溫-20～70℃，全封閉防塵無風扇型，支持通電開機，采用嵌入式軟件方式實現(xiàn)振動數(shù)據(jù)終端各個功能。振動數(shù)據(jù)采集設(shè)備與振動傳感器采用專用的RS422轉(zhuǎn)RS232接口進行數(shù)據(jù)通訊。

以太網(wǎng)，用于單風機振動數(shù)據(jù)處理終端與遠程服務(wù)器通信，包括系統(tǒng)測試、時間同步、風機身份識別、振動監(jiān)控數(shù)據(jù)、風機健康信息等。本實施例中，采用10M/100M/1000M以太網(wǎng)速率自適應(yīng)接口，滿足IEEE802.3協(xié)議，網(wǎng)口采用RJ45標準水晶頭接口。

基于風機設(shè)備振動狀態(tài)的物理結(jié)構(gòu)，計算振動監(jiān)控點物理結(jié)構(gòu)的固有頻率，通過結(jié)構(gòu)固有頻率的判斷被監(jiān)測結(jié)構(gòu)的物理特性是否健康穩(wěn)定。本實施例中，對振動監(jiān)控點的數(shù)據(jù)進行20分鐘FFT變換，記錄其每個頻率特征峰，根據(jù)風機的振動狀態(tài)，識別其共振峰，即物理結(jié)構(gòu)固有頻率。依次對每個監(jiān)測點每20分鐘的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)進行固有頻率提取，通過固有頻率的飄移及其幅值異常，判斷監(jiān)測點物理結(jié)構(gòu)是否處在健康狀態(tài)。

風機及其各個設(shè)備的健康狀態(tài)監(jiān)測算法是由風機現(xiàn)場振動數(shù)據(jù)處理終端實現(xiàn)，解決振動數(shù)據(jù)測量數(shù)據(jù)量大，限制風場數(shù)據(jù)通訊帶寬的問題。本實施例中，振動監(jiān)測原始數(shù)據(jù)采樣率為2Mhz，8個監(jiān)控點的數(shù)據(jù)量為32MB/s，風場45臺風機的總數(shù)據(jù)率達到1440MB/s，這對于風場通信系統(tǒng)是難以實現(xiàn)的。采用振動數(shù)據(jù)處理終端進行健康狀態(tài)監(jiān)測之后，只傳送風機健康狀態(tài)結(jié)果信息，數(shù)據(jù)有效載荷降為2B/s，滿足現(xiàn)有最小帶寬風機通信系統(tǒng)需求。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備基于振動傳感器的狀態(tài)監(jiān)測算法流程，如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集設(shè)備基于振動傳感器的狀態(tài)監(jiān)測算法流程

遠程服務(wù)器通過以太網(wǎng)IP地址分配、識別各個風機振動數(shù)據(jù)終端身份，并且進行時間同步等。本實施例中，風場風機健康監(jiān)測系統(tǒng)初始工作時，通過以太網(wǎng)協(xié)議分配各個風機振動數(shù)據(jù)處理終端IP地址，遠程服務(wù)器建立并維護風機與IP地址的映射鏈表。

遠程服務(wù)器可以根據(jù)各個風機歷史數(shù)據(jù)對風機健康狀態(tài)進行預(yù)報和預(yù)警，可長時間監(jiān)控風機設(shè)備的老化，具備早期預(yù)警功能。

3 結(jié)語

本方案在每臺風機安裝8個振動監(jiān)控點，分別為轉(zhuǎn)子葉片各1個，變速箱低速端1個，變速箱高速端1個，風機塔1個，發(fā)電機自由端1個，發(fā)電機驅(qū)動端1個。覆蓋風機系統(tǒng)的整個鏈路的振動監(jiān)測。通過對各個傳感點的頻域振動譜分析，提取振動譜中各個物理固有特征頻率點，進而時域分析固有頻率的改變，判斷風機是否發(fā)生異常，根據(jù)傳感器測量點的分布狀況，確定異常點位置，實現(xiàn)對振動故障進行有效監(jiān)測。