李學(xué)平，卓沛駿，羅勇水，周民強

(浙江運達風(fēng)電股份有限公司，浙江 杭州 310012)

0 引 言

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

常年運行過程中，風(fēng)電機組長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)輪可以有效防止機組早期的疲勞故障，給機組提供一個可靠的運行環(huán)境[3]。而風(fēng)輪不平衡故障會影響傳動鏈及整個結(jié)構(gòu)的安全運行，為了防止風(fēng)電機組產(chǎn)生嚴重失效問題，有必要在問題顯現(xiàn)的初期對機組故障狀態(tài)進行監(jiān)測與保護[4]。

風(fēng)輪不平衡故障主要分為質(zhì)量不平衡與氣動不平衡。質(zhì)量不平衡主要來源于制造上的誤差，而隨著現(xiàn)代槳葉制造和質(zhì)量控制技術(shù)的發(fā)展，實際運行中的風(fēng)輪質(zhì)量不平衡故障較少。氣動不平衡比較常見，主要來源于槳葉安裝誤差、葉片氣動外形改變(例如槳葉裂紋)、對風(fēng)誤差等原因。國內(nèi)外對風(fēng)輪不平衡故障的診斷提出了很多方法，包括分析機組振動的時域與頻域信號[5-7]、傳動鏈的扭振[8]、監(jiān)測發(fā)電機功率[9]、定子電流信號等[10-11]。這些方法，從理論和實驗室實驗的角度，檢測了風(fēng)輪不平衡時的各種反饋信號，對于故障的在線監(jiān)測有一定實際意義。

本文將對風(fēng)輪產(chǎn)生氣動不平衡故障時的受載情況進行分析，從理論層面討論當槳距角存在安裝誤差時，不平衡載荷對機組振動的影響，利用GH Bladed軟件模擬該故障下機艙的振動情況，并通過現(xiàn)場實驗，對比不同風(fēng)速下風(fēng)輪平衡與不平衡時機艙內(nèi)不同位置的振動情況。

1 氣動不平衡理論分析

三葉片產(chǎn)生彼此不同的氣動行為可導(dǎo)致風(fēng)輪的氣動不平衡故障。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)輪平面坐標設(shè)定及受力分析

坐標設(shè)置如下：垂直于地面方向為z方向，水平方向為y，機組軸向為x。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—葉片長度。

設(shè)R為葉片合力點距葉根的長度，則有：

(3)

風(fēng)輪受到3個軸向推力以及3個切向力的作用，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特性，即FA=FB=FC，RA=RB=RC，則風(fēng)輪向傳動鏈輸出穩(wěn)定的扭矩，xy和xz平面內(nèi)的彎矩也都為0。但當出現(xiàn)如圖1所示的情況時，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)動發(fā)生交變，頻率即為風(fēng)輪的轉(zhuǎn)頻，引發(fā)機艙內(nèi)規(guī)律的風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻1P振動，由于氣動不平衡對軸向推力的影響更大，故往往造成機艙內(nèi)軸向振動較橫向更為顯著。為了在早期就能及時發(fā)現(xiàn)故障情況，監(jiān)測風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻1P振動是識別風(fēng)輪氣動不平衡的可行方法。

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

仿真結(jié)果如圖(3，4)所示。

圖3 風(fēng)輪平衡與不平衡對機組軸向振動的影響

圖4 風(fēng)輪平衡與不平衡對機組橫向振動的影響

由圖3明顯可見：當風(fēng)輪不平衡時，軸向振動加速度明顯增加，而圖4中橫向加速度在風(fēng)輪不平衡時增加并不明顯。仿真結(jié)果表明：風(fēng)輪不平衡能加劇機組的振動，并且對軸向振動影響較橫向振動更大。

為了驗證理論分析的結(jié)果，本文將通過現(xiàn)場實驗的方法獲取更多有意義的數(shù)據(jù)。

2 現(xiàn)場實驗與分析

本研究對某風(fēng)場一臺2.5 MW風(fēng)電機組進行現(xiàn)場測試，探討風(fēng)輪氣動不平衡對機艙內(nèi)振動的影響，并和理論仿真結(jié)果進行對比分析。

機組基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 機組基本技術(shù)參數(shù)

當機組處于正常運行狀態(tài)時，即風(fēng)輪不存在氣動不平衡故障(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)速條件下機艙內(nèi)的振動情況。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)速條件下運行一段時間，記錄振動數(shù)據(jù)。機艙內(nèi)加速度傳感器測點具體安裝位置為：主軸承座位置，主軸下方機架位置以及機艙尾部位置。將一個時間段連續(xù)的風(fēng)速進行四舍五入取整，即Xm/s風(fēng)速下的測量結(jié)果為X±0.5 m/s風(fēng)速段測量結(jié)果的平均，統(tǒng)計不同風(fēng)速條件下機艙內(nèi)各測點的振動情況。測試結(jié)果表明：無論是風(fēng)輪平衡還是不平衡，主軸承座、主軸下方和機艙尾部各測點振動平均值幾乎相同，考慮現(xiàn)場傳感器走線等問題，后期均使用機艙尾部實驗數(shù)據(jù)進行分析。

風(fēng)速為5 m/s時，平衡與不平衡狀態(tài)時機艙軸向振動頻譜如圖5所示。

圖5 氣動不平衡前后機艙軸向振動頻譜

由圖5可見：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，當機組風(fēng)輪產(chǎn)生氣動不平衡時，機艙內(nèi)的振動頻率成分變得較為單一，基本集中在轉(zhuǎn)頻處附近。

機艙軸向、橫向振動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)下機組軸向振動隨風(fēng)速的變化

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

由于現(xiàn)場測試條件下干擾因素較多，尤其是機組遇到陣風(fēng)或者突然偏航等都會產(chǎn)生短時沖擊振動信號，造成輸出數(shù)據(jù)的偏差。由于單次現(xiàn)場試驗條件的局限，所采集的最大值數(shù)據(jù)并不具備很強的代表性，也可以看出振動最大值隨風(fēng)速的變化沒有特定的規(guī)律，因此本研究選用振動的平均值進行對比分析。圖6中，風(fēng)輪不平衡時其軸向振動平均值明顯增大，約為平衡時的3～5倍，(隨著風(fēng)速(轉(zhuǎn)速)增大不平衡更加顯著)，但從圖7中可見橫向的振動差別并不明顯，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：氣動不平衡可引起機組軸向振動加劇，因此通過監(jiān)測風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻1P軸向振動可以有效發(fā)現(xiàn)風(fēng)輪是否存在氣動不平衡故障，保證機組安全運行。

3 監(jiān)測與保護

傳統(tǒng)風(fēng)輪不平衡診斷方法是人工通過振動頻譜判定，這種后處理的方式其弊端是無法實現(xiàn)故障的實時監(jiān)測。

本文通過在機組振動監(jiān)測模塊上增加監(jiān)測風(fēng)輪1P轉(zhuǎn)頻的功能，實現(xiàn)風(fēng)輪氣動不平衡的實時監(jiān)測。當監(jiān)測頻率振動大于設(shè)定值時，延遲一定時間后，振動監(jiān)測模塊發(fā)出反饋信號給機組，使機組停機，同時向上位PLC發(fā)出風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻振動過大報警信號。監(jiān)測系統(tǒng)與機組安全鏈互鎖，報警信號聯(lián)入安全鏈，一旦出現(xiàn)報警立即切斷安全鏈使機組停機。

監(jiān)測模塊的工作流程如圖8所示。

圖8 風(fēng)輪不平衡實時監(jiān)測與保護邏輯

振動模塊采集機艙內(nèi)測點位置處的機組軸向振動加速度信號，通過100 Hz的低通濾波去除噪聲和無用數(shù)據(jù)，并利用帶通濾波器獲取風(fēng)輪1P頻率下的機組軸向振動信號，并實時計算得到的振動有效值。實際應(yīng)用時，濾波器采用Butterworth濾波器，設(shè)置監(jiān)測頻率包含風(fēng)輪1P轉(zhuǎn)頻，對本文中所測試的機組，監(jiān)測頻率設(shè)為0.1 Hz～0.3 Hz。由于振動模塊沒有其他機組運行數(shù)據(jù)(功率、風(fēng)速等)信號接入，不能判定機組處于何種狀態(tài)，考慮到不平衡隨風(fēng)速增大更加顯著，減少機組誤報警，故機組在額定風(fēng)速附近能報出風(fēng)輪不平衡故障就滿足在線監(jiān)測要求。綜合考慮，報警振動值設(shè)置在額定風(fēng)速時不平衡振幅最大值處。

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

圖9 延時報警法效果示意圖

當振幅超過報警線并持續(xù)一段時間后，延遲計時器進行一次計時；同樣，當振幅小于報警線并持續(xù)一段時間后，計時器數(shù)值減小，直至計時器的數(shù)值達到報警要求才發(fā)出故障停機命令。

通過Bladed仿真機組在氣動不平衡條件下的運行情況，機組風(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，得到機艙軸向振動加速度數(shù)據(jù)。采用文中提出的監(jiān)測邏輯，報警準確率在90%以上，并已在10多個風(fēng)場投入使用，取得了很好的效果。

4 結(jié)束語

為了更好地保障風(fēng)電機組的安全運行，本文采用振動的方法監(jiān)測風(fēng)輪氣動不平衡故障。理論分析表明：氣動不平衡對機組轉(zhuǎn)頻1P振動影響最大；現(xiàn)場實驗結(jié)果表明：機艙內(nèi)不同位置的測點均能有效監(jiān)測風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻1P振動，且機組處于氣動不平衡時，軸向振動幅度變化明顯，振動均值增大數(shù)倍，且隨著風(fēng)速增大而逐漸增加；而橫向振動雖有所增加，但變化幅度不大。

根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，設(shè)計了在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻1P振動，報警水平線設(shè)置在機組額定風(fēng)速下不平衡振動振幅最大值處，并采用延時報警的方式以減少誤報率；通過Bladed仿真驗證了報警機制的高準確性。