引起風力發電機組振動故障的原因及解決方法

崔玉彬

摘要：文章基于對風電機組運行安全以及振動分析，總結其運行中的常見故障以及相應的振動診斷方法，提出了一種在線振動狀態監測系統，以供參考。

關鍵詞：風力發電機組;振動故障;原因;解決

1、引言

目前隨著我國經濟社會的飛速發展，人們日常生活以及工農業生產中對電能的需求量與日俱增，與此同時，全球生態環境逐漸惡化，我國也因此提出了發展低碳經濟的戰略要求。風能作為一種清潔型能源，在發電行業中廣泛應用，近年來風電機組的裝機容量也有逐步快速增長的發展趨勢。但是此類風力發電機組運行中出現概率較高的故障就是振動故障，不僅會引發安全事故，而且還會耽誤正常生產，影響機組的發電效率等。為此就需要研究引發風電機組振動故障的原因并尋求相應的預防和解決方法。

2、風力發電機組的運行安全分析

風力發電機組在運行中采取主動對風的方式，也就是始終保證風機葉輪處于迎風狀態，將風能最大化轉換為機械能來驅動發電機運轉發電。而由于風機葉片的直徑較大，且處于環境惡劣的野外，在長時間的運行過程中，容易由于不可預見的自然因素以及其他外力等對機組造成影響或者破壞，進而會影響其運行安全。加之目前的風電機組采取全自動的運行方式，通過自動化系統的應用實現自我控制，結合狀態檢測系統來實現自動運行和無人值守的管理模式。為了實現上述目的，在其機組控制系統中采用的是基于PLC以及傳感器、執行機構、控制器等組成的控制系統。其主要原理就是通過傳感器來收集機組運行參數信號，在控制器監測到系統運行參數或者某項指標發生異常時則向執行機構發出相應的調整命令。總結其中容易出現的異常，主要以振動故障為主，且直接影響機組的運行安全，這也是本文討論的重點。

3、風力發電機組振動分析

在此機組中的機艙內部安裝有振動傳感器，可以監測超過允許幅值的最大振動信號，并將此信號發動給機組的主控制器并發出振動異常報警，或者根據情況決定是否要停機。這就是應用機組自我保護的主要方式，可以及時提醒工作人員來處理或者停機避免故障進一步擴大。但是這也會影響機組的正常運行而造成經濟損失。對機組運行中的故障進行總結可知，由于振動問題而引發的故障占到故障綜述的2/3左右，如果風速達到10～14m/s，由于振動原因而造成的機組停機概率會達到84.6%以上，而在風速處于其他范圍之內時的振動故障概率則較低。為此，此時段則成為風機發電的黃金區域。要重點分析此區域中的振動故障原因并加以控制，以大幅度提升風電機組發電效率，提升其發電經濟效益。

4、風力發電機組的振動故障類型

首先是塔筒和機艙振動故障。此部位的振動主要由自然風引起，且表現為低頻振動。其中由于風輪葉片受到扭矩和推力等因素而引起水平方向上的振動故障，或者是受到不平衡力以及塔影效應而引發振動。盡管在設計階段會特意避開葉片的激振頻率，但是由于自然風在不斷改變頻率，仍然可能會發生與塔筒和機艙的共振現象。針對此問題則需要應用變槳系統對速度、曲線進行調整并增加系統阻力，實現塔筒振動幅度的降低。

其次是軸承振動故障。作為機組傳動系統中最為精密的軸承類型，其一旦出現振動故障中通常會出現以下振動頻率：一是在故障初期的隨機超聲頻率，大概在5000～60000Hz的范圍之內。二是軸承零部件的自振頻率，此范圍為500～2000Hz，不會受到轉速的影響。三是軸承出現故障時會表現出外環故障、內環故障、滾珠體故障以及保持架故障等特征頻率，此頻率不會受到轉速影響，而且最早會出現內環故障，也不會因為基頻而引發保持架故障，但是在出現滾珠體故障時通常會同時出現保持架故障，外環故障的幅值在內環故障的幅值以上。四是內環或者外環故障頻率以及和頻、差頻等屬于軸承滾珠體的通過頻率。

最后是齒輪箱振動故障。此類故障主要表現出不同故障的齒輪振動頻率、振動特征以及振動頻譜線的表現不同，針對此類故障則需要采取在線監測的方式，將正常的振動頻譜作為基準來在線監測齒輪箱的運行情況，比較實際運行的振動頻譜與此基準來診斷和監測齒輪箱故障。引起此故障的原因可能是由于潤滑不當而造成軸承和吃面損壞，比如潤滑劑失效或者散熱不佳等原因。或者是在設計階段存在參數精度方面的設計問題，以及由于齒輪箱部件出現共振等原因而引發齒輪斷裂或者偏移故障等劇烈振動引發的危害等。

5、風力發電機組振動故障的診斷

在目前的振動故障診斷過程中，主要采取倒頻譜分析、沖擊脈沖技術、包絡譜分析技術、尖峰能量技術、小波分析技術、峭度、偏斜度和峰值因子分析方法等開展故障診斷，得出準確反映設備運行狀態的數據和結果。為了降低故障概率，需要對潤滑劑進行定期檢查，及時補充和更換潤滑劑。還要結合不同用戶的實際需求對設計數據進行調整，以應對不同地區的不同風力變化以及交變應力等。最后就是通過在線振動狀態監測系統的應用對風電機組傳動鏈運行狀態等進行評估和診斷，及時發現故障隱患并進行準確和快速的診斷與處理。

6、風電機組在線振動狀態監測系統

在風電機組中針對振動故障所采用的狀態監測系統主要是SCADA系統，主要用于對風電機組各部件以及子系統的狀態參數數據進行采集和記錄，經過對比分析來判斷設備和系統運行情況。此系統主要有振動傳感器和轉速傳感器、智能采集單元等組成，通常在傳動鏈的主軸、齒輪箱以及發電機等容易出現振動故障的部位設置振動監測點，將低頻加速度傳感器安裝在主軸承、一級行星輪大齒圈等轉速較低的位置，其他部位則需要安裝通用型加速度傳感器。此系統所采用的技術主要有頻譜分析、時域分析以及變速變載分析技術等，可以評估齒輪箱、發電機的平衡、對中、連接和齒輪嚙合等狀態，結合風速、轉速以及功率等參數對評估標準進行智能調整并作出歸一化的評估值。

7、結語

振動故障是風電機組運行中的常見故障，其會對機組的正常和安全運行產生直接影響。為此就需要基于其安全運行以及出現振動的原理，總結其常見故障，采取正確且有效的故障診斷技術以及應用在線振動狀態監測系統來預防和處理振動故障，保障機組的穩定運行。

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