崔玉彬

摘要：文章基于對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行安全以及振動(dòng)分析，總結(jié)其運(yùn)行中的常見(jiàn)故障以及相應(yīng)的振動(dòng)診斷方法，提出了一種在線振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以供參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;振動(dòng)故障;原因;解決

1、引言

目前隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展，人們?nèi)粘Ｉ钜约肮まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)電能的需求量與日俱增，與此同時(shí)，全球生態(tài)環(huán)境逐漸惡化，我國(guó)也因此提出了發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略要求。風(fēng)能作為一種清潔型能源，在發(fā)電行業(yè)中廣泛應(yīng)用，近年來(lái)風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量也有逐步快速增長(zhǎng)的發(fā)展趨勢(shì)。但是此類風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中出現(xiàn)概率較高的故障就是振動(dòng)故障，不僅會(huì)引發(fā)安全事故，而且還會(huì)耽誤正常生產(chǎn)，影響機(jī)組的發(fā)電效率等。為此就需要研究引發(fā)風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)故障的原因并尋求相應(yīng)的預(yù)防和解決方法。

2、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行安全分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中采取主動(dòng)對(duì)風(fēng)的方式，也就是始終保證風(fēng)機(jī)葉輪處于迎風(fēng)狀態(tài)，將風(fēng)能最大化轉(zhuǎn)換為機(jī)械能來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電。而由于風(fēng)機(jī)葉片的直徑較大，且處于環(huán)境惡劣的野外，在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行過(guò)程中，容易由于不可預(yù)見(jiàn)的自然因素以及其他外力等對(duì)機(jī)組造成影響或者破壞，進(jìn)而會(huì)影響其運(yùn)行安全。加之目前的風(fēng)電機(jī)組采取全自動(dòng)的運(yùn)行方式，通過(guò)自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)自我控制，結(jié)合狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行和無(wú)人值守的管理模式。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，在其機(jī)組控制系統(tǒng)中采用的是基于PLC以及傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制器等組成的控制系統(tǒng)。其主要原理就是通過(guò)傳感器來(lái)收集機(jī)組運(yùn)行參數(shù)信號(hào)，在控制器監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)或者某項(xiàng)指標(biāo)發(fā)生異常時(shí)則向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出相應(yīng)的調(diào)整命令?？偨Y(jié)其中容易出現(xiàn)的異常，主要以振動(dòng)故障為主，且直接影響機(jī)組的運(yùn)行安全，這也是本文討論的重點(diǎn)。

3、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)分析

在此機(jī)組中的機(jī)艙內(nèi)部安裝有振動(dòng)傳感器，可以監(jiān)測(cè)超過(guò)允許幅值的最大振動(dòng)信號(hào)，并將此信號(hào)發(fā)動(dòng)給機(jī)組的主控制器并發(fā)出振動(dòng)異常報(bào)警，或者根據(jù)情況決定是否要停機(jī)。這就是應(yīng)用機(jī)組自我保護(hù)的主要方式，可以及時(shí)提醒工作人員來(lái)處理或者停機(jī)避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。但是這也會(huì)影響機(jī)組的正常運(yùn)行而造成經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)機(jī)組運(yùn)行中的故障進(jìn)行總結(jié)可知，由于振動(dòng)問(wèn)題而引發(fā)的故障占到故障綜述的2/3左右，如果風(fēng)速達(dá)到10～14m/s，由于振動(dòng)原因而造成的機(jī)組停機(jī)概率會(huì)達(dá)到84.6%以上，而在風(fēng)速處于其他范圍之內(nèi)時(shí)的振動(dòng)故障概率則較低。為此，此時(shí)段則成為風(fēng)機(jī)發(fā)電的黃金區(qū)域。要重點(diǎn)分析此區(qū)域中的振動(dòng)故障原因并加以控制，以大幅度提升風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率，提升其發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益。

4、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)故障類型

首先是塔筒和機(jī)艙振動(dòng)故障。此部位的振動(dòng)主要由自然風(fēng)引起，且表現(xiàn)為低頻振動(dòng)。其中由于風(fēng)輪葉片受到扭矩和推力等因素而引起水平方向上的振動(dòng)故障，或者是受到不平衡力以及塔影效應(yīng)而引發(fā)振動(dòng)。盡管在設(shè)計(jì)階段會(huì)特意避開(kāi)葉片的激振頻率，但是由于自然風(fēng)在不斷改變頻率，仍然可能會(huì)發(fā)生與塔筒和機(jī)艙的共振現(xiàn)象。針對(duì)此問(wèn)題則需要應(yīng)用變槳系統(tǒng)對(duì)速度、曲線進(jìn)行調(diào)整并增加系統(tǒng)阻力，實(shí)現(xiàn)塔筒振動(dòng)幅度的降低。

其次是軸承振動(dòng)故障。作為機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)中最為精密的軸承類型，其一旦出現(xiàn)振動(dòng)故障中通常會(huì)出現(xiàn)以下振動(dòng)頻率：一是在故障初期的隨機(jī)超聲頻率，大概在5000～60000Hz的范圍之內(nèi)。二是軸承零部件的自振頻率，此范圍為500～2000Hz，不會(huì)受到轉(zhuǎn)速的影響。三是軸承出現(xiàn)故障時(shí)會(huì)表現(xiàn)出外環(huán)故障、內(nèi)環(huán)故障、滾珠體故障以及保持架故障等特征頻率，此頻率不會(huì)受到轉(zhuǎn)速影響，而且最早會(huì)出現(xiàn)內(nèi)環(huán)故障，也不會(huì)因?yàn)榛l而引發(fā)保持架故障，但是在出現(xiàn)滾珠體故障時(shí)通常會(huì)同時(shí)出現(xiàn)保持架故障，外環(huán)故障的幅值在內(nèi)環(huán)故障的幅值以上。四是內(nèi)環(huán)或者外環(huán)故障頻率以及和頻、差頻等屬于軸承滾珠體的通過(guò)頻率。

最后是齒輪箱振動(dòng)故障。此類故障主要表現(xiàn)出不同故障的齒輪振動(dòng)頻率、振動(dòng)特征以及振動(dòng)頻譜線的表現(xiàn)不同，針對(duì)此類故障則需要采取在線監(jiān)測(cè)的方式，將正常的振動(dòng)頻譜作為基準(zhǔn)來(lái)在線監(jiān)測(cè)齒輪箱的運(yùn)行情況，比較實(shí)際運(yùn)行的振動(dòng)頻譜與此基準(zhǔn)來(lái)診斷和監(jiān)測(cè)齒輪箱故障。引起此故障的原因可能是由于潤(rùn)滑不當(dāng)而造成軸承和吃面損壞，比如潤(rùn)滑劑失效或者散熱不佳等原因?；蛘呤窃谠O(shè)計(jì)階段存在參數(shù)精度方面的設(shè)計(jì)問(wèn)題，以及由于齒輪箱部件出現(xiàn)共振等原因而引發(fā)齒輪斷裂或者偏移故障等劇烈振動(dòng)引發(fā)的危害等。

5、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障的診斷

在目前的振動(dòng)故障診斷過(guò)程中，主要采取倒頻譜分析、沖擊脈沖技術(shù)、包絡(luò)譜分析技術(shù)、尖峰能量技術(shù)、小波分析技術(shù)、峭度、偏斜度和峰值因子分析方法等開(kāi)展故障診斷，得出準(zhǔn)確反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)和結(jié)果。為了降低故障概率，需要對(duì)潤(rùn)滑劑進(jìn)行定期檢查，及時(shí)補(bǔ)充和更換潤(rùn)滑劑。還要結(jié)合不同用戶的實(shí)際需求對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，以應(yīng)對(duì)不同地區(qū)的不同風(fēng)力變化以及交變應(yīng)力等。最后就是通過(guò)在線振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行評(píng)估和診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患并進(jìn)行準(zhǔn)確和快速的診斷與處理。

6、風(fēng)電機(jī)組在線振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在風(fēng)電機(jī)組中針對(duì)振動(dòng)故障所采用的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是SCADA系統(tǒng)，主要用于對(duì)風(fēng)電機(jī)組各部件以及子系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和記錄，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析來(lái)判斷設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行情況。此系統(tǒng)主要有振動(dòng)傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器、智能采集單元等組成，通常在傳動(dòng)鏈的主軸、齒輪箱以及發(fā)電機(jī)等容易出現(xiàn)振動(dòng)故障的部位設(shè)置振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將低頻加速度傳感器安裝在主軸承、一級(jí)行星輪大齒圈等轉(zhuǎn)速較低的位置，其他部位則需要安裝通用型加速度傳感器。此系統(tǒng)所采用的技術(shù)主要有頻譜分析、時(shí)域分析以及變速變載分析技術(shù)等，可以評(píng)估齒輪箱、發(fā)電機(jī)的平衡、對(duì)中、連接和齒輪嚙合等狀態(tài)，結(jié)合風(fēng)速、轉(zhuǎn)速以及功率等參數(shù)對(duì)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行智能調(diào)整并作出歸一化的評(píng)估值。

7、結(jié)語(yǔ)

振動(dòng)故障是風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中的常見(jiàn)故障，其會(huì)對(duì)機(jī)組的正常和安全運(yùn)行產(chǎn)生直接影響。為此就需要基于其安全運(yùn)行以及出現(xiàn)振動(dòng)的原理，總結(jié)其常見(jiàn)故障，采取正確且有效的故障診斷技術(shù)以及應(yīng)用在線振動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)預(yù)防和處理振動(dòng)故障，保障機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

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