中國北方地區(qū)風(fēng)電軸承故障調(diào)查與分析

蘇連成, 李興林, 王文龍，李小俚，陳國建

(1.杭州軸承試驗(yàn)研究中心 博士后科研工作站，杭州 310022；2.燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

1 概述

風(fēng)能是一種可再生的綠色能源，1臺1.5 MW的風(fēng)電機(jī)組替代火電機(jī)組發(fā)電，每年可減排3 000 t二氧化碳[1]。近幾年我國在風(fēng)電領(lǐng)域發(fā)展很快[2-3]，至2011年底累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá)62 GW(圖1)，超過全球裝機(jī)總量的1/4(圖2)。2012年6月，我國風(fēng)電并網(wǎng)容量達(dá)60 GW，裝機(jī)和并網(wǎng)容量雙居世界第一，成為名副其實(shí)的全球第一風(fēng)電大國。

圖1 中國風(fēng)電裝機(jī)容量(2013年數(shù)據(jù)為計(jì)劃容量)

圖2 2011年全球主要風(fēng)電大國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量對比

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境惡劣，且安裝于幾十米高的塔架上，一旦發(fā)生故障，除造成停機(jī)發(fā)電損失外，維護(hù)費(fèi)用也非常高昂[4-5]。在機(jī)組零部件中，主軸承、齒輪箱和發(fā)電機(jī)軸承因故障率高、停機(jī)時(shí)間長和維護(hù)費(fèi)用高而最受重視。近年來國內(nèi)、外對上述關(guān)鍵零部件的狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷展開了一系列研究，在監(jiān)測方式[6-9]、變速變載荷條件下的信號處理[10-11]等領(lǐng)域取得了一系列成果，提高了機(jī)組故障的預(yù)警能力，降低了維護(hù)費(fèi)用。

對風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)而言，詳細(xì)且精確的故障率、故障點(diǎn)和故障程度信息對設(shè)備的進(jìn)一步設(shè)計(jì)和改進(jìn)具有重要的參考價(jià)值。遺憾的是，由于風(fēng)場多把機(jī)組故障信息看作商業(yè)機(jī)密，詳細(xì)的故障統(tǒng)計(jì)文獻(xiàn)很少。文獻(xiàn)[12-13]發(fā)布的瑞士和歐洲風(fēng)場的風(fēng)電機(jī)組故障數(shù)據(jù)一直被世界各國當(dāng)成判斷風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵零部件可靠性的依據(jù)，但隨著風(fēng)電機(jī)組制造技術(shù)的改進(jìn)，其單機(jī)容量和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)已有很大不同，并且我國干燥、多沙塵的自然環(huán)境也與歐洲有很大差異，同時(shí)由于風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵零部件的國產(chǎn)化和國內(nèi)、外工藝與裝配制造水平的差異，國內(nèi)風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵零部件的故障規(guī)律勢必與歐洲風(fēng)場不同。因此，文獻(xiàn)中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對我國當(dāng)前風(fēng)電行業(yè)的參考價(jià)值有限。作為風(fēng)電第一大國，且鑒于2012年頒布的《風(fēng)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中“2015年并網(wǎng)裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到1億千瓦，到2020年裝機(jī)容量達(dá)到2億千瓦”的目標(biāo)，了解并掌握國內(nèi)風(fēng)電機(jī)組的故障規(guī)律，尤其是主軸承、齒輪箱和發(fā)電機(jī)軸承的故障規(guī)律，對提高我國風(fēng)電軸承的設(shè)計(jì)、制造和工藝水平具有重要意義。

2 故障統(tǒng)計(jì)與分析

對我國北方地區(qū)9個(gè)風(fēng)場共417臺風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查和分析，3個(gè)風(fēng)電機(jī)組制造商A，B，C生產(chǎn)的5個(gè)機(jī)型的詳細(xì)信息見表1。

表1 風(fēng)電機(jī)組詳細(xì)信息

風(fēng)電機(jī)組主軸承、齒輪箱和發(fā)電機(jī)軸承的故障率分別為0.82%，32.04%和67.14%。發(fā)電機(jī)軸承的故障率最高，占總故障的2/3。主軸承的故障率最低，由于均為輕微故障，未進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)故障點(diǎn)(內(nèi)圈、外圈和滾動(dòng)體等)信息。

風(fēng)電機(jī)組齒輪箱各故障點(diǎn)的故障率分布如圖3所示，以高速軸故障為主，其他主要是潤滑故障。由于齒輪箱軸承故障率不高，未詳細(xì)列出軸承的具體故障部位。發(fā)電機(jī)各故障點(diǎn)的故障率分布如圖4所示，以軸承故障為主，軸承故障中又以外圈故障為主，其他故障包括不對中、不平衡、潤滑不良和電磁振蕩等。

圖3 風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障率分布

圖4 風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)故障率分布

2.1 需立即停機(jī)的嚴(yán)重故障點(diǎn)分布

需立即停機(jī)的嚴(yán)重故障點(diǎn)主要集中在發(fā)電機(jī)軸承，且75%以上是軸承外圈，如圖5所示。

圖5 需立即停機(jī)的嚴(yán)重故障點(diǎn)分布

2.2 故障率和故障程度與機(jī)型的關(guān)系

文獻(xiàn)[11-12]顯示風(fēng)電機(jī)組的故障率隨單機(jī)功率和運(yùn)行時(shí)間而提高，但本調(diào)查發(fā)現(xiàn)與單機(jī)功率和運(yùn)行時(shí)間相比，機(jī)型的故障率差異更加明顯。故障率和故障程度與機(jī)型的關(guān)系如圖6所示。由于A1與A2差別很小，B1與B2差別也很小，故將其合并統(tǒng)計(jì)，對比3個(gè)不同機(jī)型的故障數(shù)據(jù)。

圖6 風(fēng)電機(jī)組的故障率和故障程度與機(jī)型的關(guān)系

同樣為A機(jī)型，A1運(yùn)行53～66個(gè)月，A2運(yùn)行20～24個(gè)月，A1的故障率和故障程度均與A2相差不大。單機(jī)功率不同的B1和B2也未表現(xiàn)出故障率差異。

3 VDI 3834評估

VDI 3834是德國風(fēng)電公司基于幅值制定的故障診斷標(biāo)準(zhǔn)[13]，其被國際風(fēng)電行業(yè)廣泛采用，但僅基于此標(biāo)準(zhǔn)判斷故障非常不準(zhǔn)確。以65臺B1和隨機(jī)選取的66臺A2為例，基于此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行故障診斷的誤報(bào)率和漏報(bào)率見表2，表中“-”表示無故障數(shù)據(jù)。

表2 基于VDI 3834的B1，A2故障診斷結(jié)果

只比較對應(yīng)監(jiān)測位置，以詳細(xì)分析頻譜所得到的診斷結(jié)果為準(zhǔn)。頻譜分析法診斷出故障而VDI 3834未診斷出為漏報(bào)，用“L”表示；VDI 3834診斷出故障而頻譜分析法未診斷出為誤報(bào)，用“F”表示；故障診斷準(zhǔn)確，用“T”表示。

由表2可知， VDI 3834對于早期和輕微故障的漏報(bào)和誤報(bào)嚴(yán)重，而對于需立即停機(jī)的嚴(yán)重故障則判斷較準(zhǔn)確。

4 結(jié)束語

國內(nèi)關(guān)于風(fēng)電機(jī)組在線狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的研究目前主要還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，對風(fēng)電軸承的維護(hù)與故障診斷有如下建議：

(1)故障監(jiān)測的振動(dòng)傳感器配置只需8路即可，最好配置在主軸承1路，發(fā)電機(jī)軸承的前、后端各1路，其他5路可根據(jù)齒輪箱的具體結(jié)構(gòu)配置在輸入軸、中間軸、低速軸、高速軸和外齒圈等位置。傳感器較多不僅增加頻譜分析的工作量，還易誤報(bào)。本研究發(fā)現(xiàn)振動(dòng)傳感器故障誤報(bào)19例，主要發(fā)生在主軸承和低速軸位置。

(2)相對于單機(jī)功率和運(yùn)行時(shí)間，機(jī)型表現(xiàn)出更高的故障率差異。不同機(jī)型的零部件供應(yīng)商不同，則其故障率也會(huì)有較大不同，如C機(jī)型的齒輪箱故障率為15.5%，而B機(jī)型的齒輪箱故障率則高達(dá)34%。

(3)機(jī)組故障具有相似性和群發(fā)性，因此對于相同機(jī)型，一旦有1臺機(jī)組出現(xiàn)故障，尤其是較嚴(yán)重的故障，一定要調(diào)查清楚詳細(xì)的故障原因并記錄在案，為后續(xù)的故障診斷和設(shè)備維護(hù)提供參考。

(4)具體的故障分布特點(diǎn)為：主軸承故障率很低；齒輪箱故障多集中于齒輪，與文獻(xiàn)[10-11]所述多集中于軸承不同；發(fā)電機(jī)故障多集中在兩端的軸承上，且多為嚴(yán)重的外圈故障，疑似電蝕引起，監(jiān)測發(fā)電機(jī)軸承的潤滑與集電環(huán)的絕緣和接地對于其故障的預(yù)防非常重要。