風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷

賀箭林

（福建晉江天然氣發(fā)電有限公司 福建泉州 362200）

0 引言

風(fēng)能是可再生能源。通過利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電，不僅能夠降低消耗緩解資源緊張問題，還能減少火力發(fā)電的污染問題，為推動(dòng)我國(guó)清潔能源發(fā)展作出了非常大的貢獻(xiàn)。風(fēng)力發(fā)電的核心設(shè)備是風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行主要是通過將風(fēng)能的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，然后再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，整個(gè)過程需要風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部各元件之間的相互配合才能完成。但是由于風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)通常都處于相對(duì)偏遠(yuǎn)的山區(qū)，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)在工作中會(huì)受到較大的環(huán)境影響，一旦發(fā)電機(jī)發(fā)生故障不能及時(shí)解決，就會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。這就需要加強(qiáng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的監(jiān)測(cè)與診斷工作，通過對(duì)發(fā)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)與診斷，及時(shí)掌握發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，有效避免故障的發(fā)生，提高生產(chǎn)效率。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的概述

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的介紹

風(fēng)電場(chǎng)利用風(fēng)力發(fā)電是通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)借助電磁感應(yīng)來達(dá)到風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的目的，產(chǎn)生電能后，通過變電站最終輸送給電網(wǎng)和一般用戶［1］。歷經(jīng)多年的建設(shè)和改進(jìn)，在傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)之上，通過采用新型技術(shù)和新型設(shè)備，不斷提高風(fēng)力發(fā)電技術(shù)水平，發(fā)電量也得到了穩(wěn)步增長(zhǎng)。變槳距技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電目前常用的變槳技術(shù)，根據(jù)工作時(shí)風(fēng)速的變化來動(dòng)態(tài)調(diào)整葉片迎風(fēng)角度，使之調(diào)整葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，保證風(fēng)力發(fā)電安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

1.2 基本構(gòu)成及工作原理

葉輪、發(fā)電機(jī)、主控系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、變槳、變頻系統(tǒng)、機(jī)艙和偏航系統(tǒng)、塔架等是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要零部件［2］。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理是先利用風(fēng)能帶動(dòng)風(fēng)機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，隨后將能量傳遞給變槳系統(tǒng)，使其提高旋轉(zhuǎn)速度，然后再通過傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞動(dòng)能，以此來維持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷

2.1 監(jiān)測(cè)和診斷的重要性

為了能更好地獲得風(fēng)能，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)一般都建設(shè)在比較偏僻的山區(qū)或近海區(qū)。風(fēng)機(jī)高度一般是在70 m～80 m 的空中，這樣一來風(fēng)力發(fā)電機(jī)在工作過程中不僅需要承受較大的載荷，還容易受到陣風(fēng)侵蝕影響。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠運(yùn)行與風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益息息相關(guān)。目前風(fēng)電場(chǎng)多采用傳統(tǒng)的事后維修和日常點(diǎn)巡檢相結(jié)合的方式，這種檢修方式存在6 點(diǎn)不足：①因點(diǎn)巡檢的頻次及數(shù)據(jù)量不夠，難以發(fā)現(xiàn)早期故障，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)大故障、安全事故，如發(fā)電機(jī)抱軸、葉片掉落、倒塔等；②較多的風(fēng)機(jī)內(nèi)部機(jī)械故障、塔筒晃動(dòng)、葉片故障等，現(xiàn)有主控系統(tǒng)及人工定檢難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而演變成大故障甚至事故；③為預(yù)備未知的風(fēng)機(jī)故障，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)備件庫存多，占用較多的庫存資金。④人力巡檢工作量大，投入成本高；⑤存在風(fēng)機(jī)過度維修和失修風(fēng)險(xiǎn)；⑥存在延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)停機(jī)時(shí)間的可能，影響發(fā)電量。

存在以上問題的最根本原因在于缺少風(fēng)機(jī)運(yùn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，難以了解其運(yùn)行狀態(tài)，則難以診斷故障位置、程度，也無法準(zhǔn)確預(yù)判其劣化趨勢(shì)。雖然風(fēng)機(jī)都配有風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程操控風(fēng)機(jī)，監(jiān)測(cè)風(fēng)速、功率、電流、電壓、壓力、溫度等信號(hào)，傾向于監(jiān)測(cè)電氣信號(hào)。由于風(fēng)機(jī)部件機(jī)械損傷、塔筒受損及葉片受損等對(duì)SCADA 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的電氣信號(hào)影響極小，為了彌補(bǔ)該系統(tǒng)在這方面的不足，加裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在現(xiàn)實(shí)必要性。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)獲取風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中的振動(dòng)、轉(zhuǎn)速等信號(hào)，按照既定的數(shù)據(jù)采集、報(bào)警策略，一旦狀態(tài)出現(xiàn)異常，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)觸發(fā)設(shè)備異常報(bào)警機(jī)制，并通過即時(shí)短信、郵件等方式通知風(fēng)機(jī)管理人員和遠(yuǎn)程診斷專家，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的判斷。基于此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在線實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是解決風(fēng)機(jī)大部件故障的最佳方案，狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)在風(fēng)電行業(yè)的應(yīng)用，可作為風(fēng)電設(shè)備管理水平提升的重要支撐。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可帶來5 個(gè)方面現(xiàn)實(shí)的意義。

（1）保障穩(wěn)定生產(chǎn)：通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)設(shè)備未來狀態(tài)進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，可精準(zhǔn)定位故障部件、分析故障原因、全面監(jiān)測(cè)故障劣化趨勢(shì)、評(píng)估故障部件剩余壽命，將維護(hù)維修決策由臨時(shí)、事后搶修等轉(zhuǎn)變成計(jì)劃、預(yù)測(cè)性維修，可有效減少非計(jì)劃停機(jī)次數(shù)，保障生產(chǎn)效益。

（2）保障設(shè)備安全：通過對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的分析判斷，預(yù)測(cè)設(shè)備故障可能造成的的連鎖反應(yīng)，最大程度上降低安全風(fēng)險(xiǎn)，減小運(yùn)維成本。

（3）保障企業(yè)效益：“過修”導(dǎo)致大量備件庫存，“欠修”導(dǎo)致事后搶修。使用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)掌握設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)維修，最大限度減少“過修”或“欠修”，優(yōu)化備件庫存，減少備件資金占用量，降低事后搶修比率。

（4）建立故障數(shù)據(jù)庫：隨著歷史數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)的大量積累，建立具有企業(yè)自身特色的設(shè)備故障案例庫，豐富典型故障模型，可不斷推進(jìn)智能化分析技術(shù)在企業(yè)的應(yīng)用，使分析結(jié)論更加智能和準(zhǔn)確。

（5）助力運(yùn)維管理模式升級(jí)：通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及對(duì)設(shè)備未來狀態(tài)進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，改變之前基于經(jīng)驗(yàn)的事后維修、計(jì)劃性檢修的設(shè)備運(yùn)維模式，逐漸向基于設(shè)備狀態(tài)的高階設(shè)備運(yùn)維管理模式轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化驅(qū)動(dòng)，變革設(shè)備運(yùn)維管理模式，步入預(yù)測(cè)性維修。

2.2 監(jiān)測(cè)與診斷的方法

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷主要是通過在設(shè)備表面或內(nèi)部布置傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中的振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、溫度等信號(hào)的采集，并將數(shù)據(jù)上傳至現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器，通過專業(yè)系統(tǒng)軟件進(jìn)行處理和分析，從而得出其運(yùn)行的健康狀態(tài)。其中狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要包含振動(dòng)、油液、溫度、應(yīng)變力監(jiān)測(cè)。通過在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中安裝檢測(cè)設(shè)備收集各種信號(hào)，然后再對(duì)收集到的信號(hào)進(jìn)行處理、分析、判斷和診斷，以此來獲取發(fā)電機(jī)工作的情況，便于控制中心對(duì)發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)控，有效預(yù)防發(fā)電機(jī)產(chǎn)生故障［3］。當(dāng)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)異常時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警，并可通過短信、郵件以及手機(jī)App 方式推送至現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)設(shè)備管理人員?，F(xiàn)場(chǎng)工程師可通過軟件中的分析工具對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行追蹤回溯，判斷當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)，也可通過容知遠(yuǎn)程專家支持實(shí)現(xiàn)云端故障診斷，幫助現(xiàn)場(chǎng)確定設(shè)備異常原因、部位、損傷嚴(yán)重程度、部件剩余壽命評(píng)估等，為運(yùn)維檢修決策提供數(shù)據(jù)支撐。各個(gè)監(jiān)測(cè)技術(shù)所針對(duì)的監(jiān)測(cè)零部件都不相同，其中應(yīng)變力監(jiān)測(cè)利用應(yīng)力變力傳感器來收集葉片的運(yùn)行狀況。溫度監(jiān)測(cè)是利用溫度傳感器收集設(shè)備的工作運(yùn)行時(shí)的溫度，通過溫度數(shù)值比較來直觀體現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。液壓系統(tǒng)的主要監(jiān)測(cè)手段是油液監(jiān)測(cè)和診斷，該方法是對(duì)機(jī)組工作時(shí)的潤(rùn)滑油、液壓油的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和對(duì)比分析，以此來診斷設(shè)備的潤(rùn)滑和磨損情況。通過收集機(jī)組振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)來分析比對(duì)，從而診斷機(jī)組機(jī)械故障問題的監(jiān)測(cè)方法，稱為振動(dòng)監(jiān)測(cè)。簡(jiǎn)單來說，就是通過計(jì)算機(jī)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并根據(jù)對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)做出分析診斷，實(shí)時(shí)掌控風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各個(gè)零部件的運(yùn)行狀態(tài)，降低故障發(fā)生的可能性，確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作的穩(wěn)定性以及可靠性。

（1）葉片狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中葉片的主要作用是吸收風(fēng)能，長(zhǎng)度一般在40 m 左右，因?yàn)槿~片長(zhǎng)期置于露天的環(huán)境下，環(huán)境對(duì)葉片造成的侵蝕和損傷比較大。在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中，影響葉片工作運(yùn)行安全的因素較多，比如，葉片會(huì)因?yàn)檎痤澁a(chǎn)生疲勞裂紋；如果發(fā)電場(chǎng)的地點(diǎn)靠近海域，葉片就會(huì)受到潮濕空氣的侵蝕和腐蝕；陣風(fēng)和雷擊還會(huì)影響葉片的工作運(yùn)行安全。葉片是機(jī)組工作的關(guān)鍵所在，一旦其發(fā)生故障問題，就會(huì)直接影響整個(gè)機(jī)組工作。因此，為了確保葉片的安全和機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行工作，通常對(duì)于葉片的大小設(shè)計(jì)、材料質(zhì)量的選擇都有明確嚴(yán)格的要求。應(yīng)變力測(cè)量監(jiān)測(cè)是對(duì)葉片健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷的關(guān)鍵手段，但是因?yàn)槿~片不僅受到材料質(zhì)量的影響，還受工作環(huán)境的影響，所以對(duì)應(yīng)變力傳感器的選擇有嚴(yán)格的要求。比如光纖光柵傳感器，其具有良好的抗腐蝕性和抗電磁干擾性，而且還有尺寸小和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為葉片的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)的傳感器［4］。除此之外，還可以結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測(cè)和紅外成像監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，彌補(bǔ)光纖光柵傳感器的不足，其中聲發(fā)射監(jiān)測(cè)是通過監(jiān)測(cè)風(fēng)力與葉片相撞時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)部斷裂和變形所釋放的應(yīng)力波，以此來判斷葉片的運(yùn)行情況；紅外成像監(jiān)測(cè)是通過對(duì)葉片表面熱輻射能量分布情況來識(shí)別葉片的運(yùn)行狀態(tài)。

（2）齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷。齒輪箱是機(jī)組重要傳動(dòng)部件，它連接著主軸和發(fā)電機(jī)，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和受力情況都十分復(fù)雜。在齒輪箱運(yùn)行過程中，當(dāng)工況和載荷不穩(wěn)定產(chǎn)生變化時(shí)，齒輪箱產(chǎn)生故障的可能性就會(huì)大大增加。因齒輪箱故障而引起的風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障的可能性較大，此類故障不僅維修成本高，而且因?yàn)榫S修造成停機(jī)帶來的發(fā)電量損失也是非常大的，因此對(duì)監(jiān)測(cè)和診斷齒輪箱狀態(tài)是十分重要的。一般結(jié)合振動(dòng)監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)方法對(duì)齒輪箱的健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，振動(dòng)監(jiān)測(cè)主要是針對(duì)齒輪箱振動(dòng)頻率的監(jiān)測(cè)方法，此方法是通過記錄和比對(duì)的齒輪箱的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，從而診斷出齒輪箱各零部件的運(yùn)行情況。溫度監(jiān)測(cè)主要是針對(duì)齒輪箱各零部件工作時(shí)的溫度變化，此方法利用溫度傳感器識(shí)別各零部件的溫度，將其溫度變化的動(dòng)態(tài)值與常態(tài)下的溫度值進(jìn)行對(duì)比分析，從而掌握和診斷出齒輪箱各零部件的健康狀態(tài)。

（3）發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷。發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作過程中承擔(dān)著重要作用，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心組成部分，它的主要作用是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能［5］。發(fā)電機(jī)工作在工況變化和電磁環(huán)境中，因風(fēng)力發(fā)電機(jī)組規(guī)模較大，增加了對(duì)發(fā)電機(jī)保護(hù)密封難度，常出現(xiàn)的故障現(xiàn)象包含發(fā)電機(jī)溫度過熱、振動(dòng)偏大、軸承溫度過高、線圈短路，其中發(fā)生故障比例較大的是軸承、定子和轉(zhuǎn)子。通過監(jiān)測(cè)電流信號(hào)、輸出功率信號(hào)和電壓信號(hào)的狀態(tài)，能有效對(duì)發(fā)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和診斷，主要方法是獲取并分析電流信號(hào)的時(shí)域幅值數(shù)據(jù)信息，然后再用諧波分量的變化來診斷發(fā)電機(jī)是否故障。通過安裝振動(dòng)加速度傳感器在發(fā)電機(jī)軸承水平位置、發(fā)電機(jī)軸承垂直位置、發(fā)電機(jī)軸承軸向位置，振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)主要是針對(duì)發(fā)電機(jī)振動(dòng)頻率的監(jiān)測(cè)方法，此方法是通過記錄和比對(duì)的發(fā)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，從而診斷出發(fā)電機(jī)各零部件的運(yùn)行情況來診斷發(fā)電機(jī)是否故障。

（4）其他部件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的組成部分。其中油液監(jiān)測(cè)是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷主要方法。通過檢測(cè)零件的潤(rùn)滑油和液壓油中的顆粒的形狀、大小和黏度等，從而診斷出液壓系統(tǒng)中出現(xiàn)故障的位置，給工作人員提供有效的數(shù)據(jù)，進(jìn)而針對(duì)性地采取防控措施。電氣系統(tǒng)是通過變頻器等電氣設(shè)備向電網(wǎng)和用戶輸送電，在電氣系統(tǒng)中一般常見的故障問題主要包含線路短路、過壓、過流及溫度過高等，電氣系統(tǒng)中發(fā)生任何故障隨時(shí)都會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的損壞［6］。根據(jù)電氣系統(tǒng)的工作運(yùn)行特點(diǎn)，運(yùn)用性能參數(shù)檢測(cè)方式對(duì)電器系統(tǒng)的輸出電壓、電流、功率及溫度等各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄，再將記錄的數(shù)值和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行比對(duì)，通過數(shù)據(jù)的差異得出電氣系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到對(duì)電氣系統(tǒng)的健康狀態(tài)進(jìn)行診斷的目的。

3 結(jié)語

對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷來說，因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組的部件維修比較繁瑣，而且工作環(huán)境惡劣，大部件維修存在一定的困難，所以需要不斷地引進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，來完善風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷。因此，為了確保發(fā)電機(jī)工作的可靠性和穩(wěn)定性，實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和診斷對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而減少因?yàn)榫S修產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失。除此之外，還能通過對(duì)發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)收集得到的數(shù)據(jù)，對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行全面而詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析，有針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并針對(duì)性地制定防范措施，有效做好風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷，降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)生故障的可能性，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效能。