風(fēng)力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的研究

劉世江 劉作廣 趙志磊

【摘 ?要】風(fēng)力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的研究包括現(xiàn)代社會下風(fēng)力發(fā)電機的維修技藝、發(fā)展現(xiàn)狀、診斷方式等內(nèi)容。隨著用戶需求的不斷變化，風(fēng)力發(fā)電機的形態(tài)、狀態(tài)和功能也在變化。其裝機容量也隨著用戶需求呈逐漸上升的趨勢。就目前的維修情況來看，對振動監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電機的在線監(jiān)控手段不能滿足現(xiàn)有的運維需求。所以一旦振動監(jiān)測風(fēng)力發(fā)電機出現(xiàn)了問題和故障，其后續(xù)檢查和維修工作都是很復(fù)雜的。同時，商家還要承擔由于事故造成的損失和維修的費用。所以為了避免風(fēng)力發(fā)電機出現(xiàn)問題，就必須要對齒輪箱、發(fā)電機、葉片和塔筒等主要部件進行監(jiān)控。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電機;狀態(tài)監(jiān)測;故障診斷;技術(shù)研究

引言

國內(nèi)對于風(fēng)力發(fā)電機的使用正在持續(xù)增加。為了響應(yīng)綠色環(huán)保的口號，風(fēng)能和新能源作為兩種比較環(huán)保的能源正在替代一些不可再生能源。風(fēng)力發(fā)電機的使用可以減少我國國內(nèi)的電能使用量。風(fēng)能作為一種常見的綠色能源已經(jīng)被應(yīng)用于各行各業(yè)之中，我國也推出了相應(yīng)的政策，支持行業(yè)內(nèi)對風(fēng)能的使用。國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機的使用和制造風(fēng)力發(fā)電機的技術(shù)已經(jīng)達到了世界領(lǐng)先的地步。但是在國內(nèi)大量應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電機的同時，也同樣面對風(fēng)力發(fā)電機所帶來的一些問題。對于風(fēng)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷成為現(xiàn)在風(fēng)電領(lǐng)域一個重要的課題。

一、風(fēng)力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的發(fā)展背景

風(fēng)力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的研究還是基于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)之上。首先不得不提到的是對于風(fēng)能的利用，是出于節(jié)約能源的目的。利用可再生能源去代替不可再生能源，是世界通用的保護不可再生能源的手段。風(fēng)能的存儲基數(shù)是很大的，它要比地球上可開發(fā)利用的水能還要大上十幾倍，所以在這種情況下風(fēng)能當然是首當其沖的可利用能源之一。其次，風(fēng)力發(fā)電機的使用得益于風(fēng)力發(fā)電機制造技藝的飛速發(fā)展。自2010年開始，風(fēng)力發(fā)電機的電裝機容量就一直在持續(xù)升高。可以說以上兩種因素為風(fēng)力發(fā)電機在我國的大力推行打下了堅實的基礎(chǔ)。實際上，從20世紀開始，我國就已經(jīng)開始著手風(fēng)能利用的工作。也就是說，從上個世紀我國就已經(jīng)萌生了用可再生能源代替不可再生能源工作的想法。近幾年是風(fēng)力發(fā)電機發(fā)展最迅猛的幾年。我國風(fēng)力發(fā)電機裝機容量已經(jīng)蟬聯(lián)了好幾年的世界第一。同時在風(fēng)電機組的運行過程中也出現(xiàn)了各種各樣的問題，其中之一便是大部件的故障預(yù)警問題。現(xiàn)在越來越多的主機廠和開發(fā)商投入大量資源進行相關(guān)技術(shù)的研究。

二、風(fēng)力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的具體內(nèi)容

在上文中提到風(fēng)力發(fā)電機比較容易產(chǎn)生故障的幾個部位分別是發(fā)電機、齒輪箱、塔筒和葉片。所以若要對風(fēng)力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)進行分析，就必須要從這幾個部位開始入手。

1、齒輪箱

齒輪箱一般位于風(fēng)力發(fā)電機的機艙之中，是風(fēng)電機組機械傳動鏈的重要構(gòu)成部分。。齒輪的結(jié)構(gòu)分為兩種，一級行星齒輪和二級平行齒輪。這兩種齒輪類型都是風(fēng)力發(fā)電機中比較常用的類型。這兩種尺寸類型的共性是都擁有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，所以在風(fēng)力發(fā)電機負載產(chǎn)生變化的時候，齒輪箱就比較容易發(fā)生故障。當風(fēng)力發(fā)電機在負載產(chǎn)生變化時，齒輪箱中的軸承承重量就會發(fā)生變化，這是比較容易產(chǎn)生軸承失效的問題。一旦齒輪箱發(fā)生故障之后，由于其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以維修費用比較高。同時，齒輪箱故障會造成風(fēng)力發(fā)電機無法正常工作，所以相關(guān)單位還要承擔，由于停電所造成的損失。振動測量是風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱最常用的故障診斷技術(shù)，這種技術(shù)是利用時域信號來對齒輪箱進行初步的探索和問題確認，在進行初步診斷之后，通過頻譜分析對診斷結(jié)果進行二次確認。這種行為為齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測提供了準確的保障。同時溫度測量的方法也可以作為風(fēng)力發(fā)電機齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷標準，將溫度作為診斷標準的這種方式比較簡單容易操作，準確性低，但是可以作為基礎(chǔ)的診斷依據(jù)，主要是用來監(jiān)測主軸部件的狀態(tài)。

2、發(fā)電機

發(fā)電機作為風(fēng)力發(fā)電機的核心部件，同樣是狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的關(guān)鍵部件。發(fā)電機的作用就是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能再將機械能轉(zhuǎn)化為所需要的電能。隨著近幾年風(fēng)力發(fā)電機制造機的不斷增加，發(fā)電機電容量也在持續(xù)增長。在風(fēng)機長期運行中遇到各種問題。最常見的故障，就是由于發(fā)電機過熱造成的短路現(xiàn)象發(fā)電機的主要故障診斷技術(shù)是通過電流信號電壓，信號來診斷發(fā)電機是否產(chǎn)生了問題，同時確認是哪個部件產(chǎn)生的問題。通過對諧波分量變化的分析，得到發(fā)電機故障部件的識別結(jié)果。這種故障診斷技術(shù)的準確率較高，操作也比較簡單。可以在短時間內(nèi)精準的分析出發(fā)電機的故障部位并提供解決方案。但這種做法的操作前提是保證發(fā)電機轉(zhuǎn)子和定子的穩(wěn)定狀態(tài)，進行的故障診斷技術(shù)。同時借助小波轉(zhuǎn)換的技術(shù)，對轉(zhuǎn)子和定子的輸出功率信號進行識別。如果發(fā)電機的轉(zhuǎn)子和定子也產(chǎn)生了故障，這一步操作就是對故障部位的確認。通過與正常輸出功率信號的對比精準地發(fā)現(xiàn)問題所在。但是，這種方法雖然基本能夠辨別出轉(zhuǎn)子和定子的故障部位，但是卻無法進一步分析輸出功率信號中的故障信息。

3.塔筒和基礎(chǔ)

塔筒和基礎(chǔ)作為風(fēng)電機組主要的承力部件，任何的隱患都會造成嚴重的影響。隨著塔筒的升高，對于塔筒和基礎(chǔ)的監(jiān)測也逐漸成為行業(yè)內(nèi)的標準配置。目前常用的手段有：應(yīng)變監(jiān)測、振動監(jiān)測和傾角監(jiān)測。通過對應(yīng)變監(jiān)測可以實時獲取塔筒和基礎(chǔ)的整體載荷，在極端情況下進行預(yù)計通過控制策略調(diào)整，避免災(zāi)害發(fā)生，同時可以根據(jù)長期的疲勞計算，評估風(fēng)機整體的壽命，對未來風(fēng)機健康度和延壽等問題提供數(shù)據(jù)支持。通過振動監(jiān)測可以有效的發(fā)現(xiàn)隱患，眾所周知，塔筒的頻率和剛度有直接的聯(lián)系，通過對于頻率的監(jiān)測可以有效的發(fā)現(xiàn)塔筒早期的缺陷和損傷，避免較大的經(jīng)濟損失。通過傾角監(jiān)測可以長期監(jiān)控風(fēng)機的整體狀態(tài)，有效的避免由于基礎(chǔ)沉降等造成的倒塌風(fēng)險。

4.葉片

葉片作為將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能的核心部件，其健康程度不僅關(guān)系到生產(chǎn)的經(jīng)濟效益同時關(guān)系著風(fēng)電機組的安全生產(chǎn)，對于葉片的監(jiān)測也成為了研究的重點方向。目前常用的方法有振動監(jiān)測和應(yīng)變監(jiān)測。通過在葉片合適的位置安裝振動傳感器，通過頻域分析可以偵測出葉片頻率的變化，從而對葉片進行早期預(yù)警和結(jié)冰預(yù)警等，避免運維的重大安全風(fēng)險。通過在葉根等位置安裝應(yīng)變傳感器可以實時的獲取葉片的載荷信息，與先進控制相結(jié)合，在遇到極限載荷等工況下進行相應(yīng)控制策略的應(yīng)對，可以極大的避免一些危險狀況的發(fā)生。

結(jié)束語

總的來說，風(fēng)力發(fā)電機的研發(fā)從上個世紀就開始了，在經(jīng)歷了半個世紀的辛苦研究過程之后，風(fēng)力發(fā)電機終于應(yīng)用于各行各業(yè)。風(fēng)力發(fā)電機的出現(xiàn)是一個從無到有的過程，依靠的是我國科學(xué)家的辛勤努力才擁有了今天各式各樣的風(fēng)力發(fā)電機。同樣的道理，風(fēng)力發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)也面臨著這樣的一個發(fā)展過程。任何一個新興行業(yè)的誕生都是通過不斷摸索，不斷推翻才能得到更好的成長。目前，我國很多的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)還在試驗階段，雖然沒有面向市場大力推廣，但是經(jīng)過我國科學(xué)家不斷地摸索改進，一定會有更多更先進的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)出現(xiàn)解決我國風(fēng)力發(fā)電機在工作過程中所面臨的種種問題。

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作者簡介：

劉世江（1972.08.30）男，籍貫：遼寧海城，學(xué)歷：本科，職稱：工程師，研究方向：風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)研發(fā)

劉作廣（1977.01.24）男，籍貫：遼寧大連，學(xué)歷：碩士研究生，研究方向：機械結(jié)構(gòu)

趙志磊（1988.01.13）男，籍貫：河南洛陽，學(xué)歷：碩士研究生，研究方向：風(fēng)電后市場

（作者單位：新天綠色能源股份有限公司）