大型風力發電機組主傳動鏈振動測試分析初探*

雷 陽,孔德同,張中泉

(1.杭州職業技術學院 特種設備學院,浙江 杭州 310018；2.華電電力科學研究院有限公司,浙江 杭州 310030；3.中國計量大學,浙江 杭州 310018)

引言

風能是全球最重要的清潔能源之一,近年來發展迅速,2020 年3 月25 日全球風能理事會發布了《全球風能報告》,《報告》指出2019 年全球新增風電裝機容量60.4GW,累計風電裝機容量已達到650GW,其中,中國新增風電裝機容量26.2GW 領跑全球[1]。

隨著風電的快速發展,機組存在的許多問題也開始凸顯,如機組故障頻發、發電量不高、電網接入等問題[2-3]。在風力發電機組中,葉輪、主軸、齒輪箱、發電機等是造成機組停機、故障和事故的主要部件[4-5]。

為對機組關鍵部件進行一次“健康體檢”,本文重點通過分析主軸、齒輪箱、發電機等主傳動鏈上的部件的振動特性,判斷故障類型,為機組出質保驗收、健康運行維護策略等提供重要的技術支撐和參考。

1 風力發電機組主傳動鏈分析思路

1.1 總體分析思路

國內外風電行業常采用的故障診斷方法是基于VDI 3834[6-7]分析的,該方法由德國風電公司制定；但僅僅基于此標準判斷機組是否存在故障存在一定的不準確性[8]。

本文首先依據VDI 3834 標準對機組主傳動鏈各部位的振動實測有效值進行統計分析,初步找到可能存在問題的部位,然后利用研制的離線式振動分析儀對主傳動鏈各測點進行振動測試,并采用MATLAB 專業軟件對各測點進行時域、頻域等分析,進一步找出原因所在,為機組健康運行、出質保驗收作有力的技術支撐。

1.2 測點選擇原則

圖1 振動分析主要流程

圖2 待測機組主傳動鏈簡圖

表1 主傳動鏈各主要部件型號

為了能夠對主傳動鏈進行精準分析,在布置測點時,需要遵循以下原則[9]：(1)盡可能選擇能夠反映真實振動情況的位置；(2)盡可能選擇軸承的主要承載區。風電機組主傳動鏈主要包括主軸、齒輪箱和發電機組成；應在這些主要部件軸承位置放置加速度傳感器,在主軸的葉輪側放置轉速傳感器,通過數據采集儀采集加速度和轉速信號。

1.3 振動分析流程

主傳動鏈振動分析的主要流程如圖1 所示,主要包括基于VDI 3834 標準振動評估和基于時域分析、頻域分析、包絡分析等方法的詳細分析。

2 振動測試和分析

2.1 測試背景

內蒙某風電場裝機33 臺均為某企業生產的雙饋式1.5MW 機組,風電場地形平坦,主風向為西北風。近年來,風電場部分風力發電機組如常年發電量不高、故障頻發,需做一次“健康體檢”擬找出問題所在,為健康運行維護和后期出質保驗收提供技術參考。本文選擇9#機組作為典型案例進行測試和分析。

表2 振動測試方案

2.2 主傳動鏈主要參數

待測機組主傳動鏈主要包括主軸、齒輪箱和發電機等,圖2 為機組傳動簡圖。

根據機組廠商提供的資料,主傳動鏈主要部件型號詳見表1。

2.3 測試設備和方案

本次采用的測試設備是自主研發的振動測試儀,該系統主要包括8 個加速度傳感器、1 個轉速傳感器、1 臺數據采集儀以及專業數據分析系統等組成。根據現場實際和設備特點,共布置8 個測點,八通道連續采樣；測試方案制定如表2。

2.4 數據分析

為了全面評估風電機組的主傳動鏈運行狀態,首先依據VDI 3834 標準對機組進行初步分析,然后利用時域分析、頻域分析、包絡分析等方法對機組進行詳細分析,多角度評估機組的實際運行狀態。

表3 9#機組時域統計分析

圖3 發電機驅動端軸承Z 向時域、頻譜分析

圖4 發電機自由端軸承Z 向時域、頻譜進一步分析

2.4.1 基于VDI 3834 標準振動評估

根據VDI 3834 標準對9# 機組8 個測點進行振動時域統計分析,結果如表3：

由表3 可知,根據VDI 3834 標準要求對各測點進行時域統計評估,9# 發電機驅動端徑向測點振動超過VDI 3834 第一限度1.86 倍,其余測點有效值均符合VDI 3834 標準第一限度要求,并且占標準第一限值比例為7.58%～20.09%之間。

2.4.2 詳細分析

將測得的數據利用風電機組主傳動鏈專業數據處理軟件對9#機組進行時域分析和頻譜分析(主軸承、齒輪箱均未發現明顯的周期性沖擊和相關故障頻率,此處僅列發電機測點的分析)。

表4 9#機組發電機對中測試數據

根據圖3 可知,時域中未發現明顯的周期性沖擊。頻譜圖中出現30Hz 的發電機轉軸轉頻及其2 倍頻,振動幅值處于中等水平位置。結合VDI 3834 分析判斷發電機存在一定的對中問題。

根據圖4 可知,時域中未發現明顯的周期性沖擊。頻譜圖中出現間隔頻率為30Hz,對應發電機轉頻,振動幅值處于中等水平位置；未發現發電機自由端的相關故障頻率。

表5 9#機組對中調整前后的發電機驅動端徑向時域統計

綜上分析,9# 機組主要存在一定的發電機對中問題。

2.4.3 發電機對中測試

為驗證上述分析的有效性,利用任意三點測量法采用E710 激光對中儀對9#機組進行對中測試。分別測量3 次取平均值,所測數據如表4。

根據該機組的安裝調試標準,要求機組對中誤差應控制角度偏差值在±0.08/100mm 內且徑向偏差在±0.2mm內。由表4 可知,9#機組的對中數據已超過允許值,存在一定的對中偏差。

2.4.4 發電機對中測試前后對比分析

利用激光對中儀對9#機組發電機實施對中調整,使機組的角度偏差值控制在0.08 內且徑向偏差在0.2mm內。再利用研制的振動測試儀對機組進行振動測試,并采用MATLAB 軟件參考VDI 3834 進行分析,具體數據詳見表5(其他測點位置和調整前數據相差較小,此次暫不列入)。

由表5 可知,9#機組發電機對中調整前發電機驅動端徑向測點振動超過VDI 3834 第一限度1.86 倍,對中調整后發電機驅動端徑向測點振動有效值符合VDI 3834 標準第一限度要求。同時,對發電機對中調整后9#機組發電機驅動端軸承Z 向進行時域、頻譜分析,也未發現明顯沖擊信號。

3 結束語

本文參考VDI 3834 標準對風力發電機組主傳動鏈進行統計分析,發現9#機組發電機驅動端徑向測點振動超過VDI 3834 第一限度1.86 倍,然后采用研制的離線式振動分析儀對機組主傳動鏈進行振動測試分析,利用時域、頻域等分析方法,得出造成振動超限的原因是發電機存在一定的對中問題,然后利用E710 激光對中儀發現機組確實存在一定的對中偏差,對機組實施發電機對中調整后,再對機組進行振動測試分析,不僅發現機組對中調整后的驅動端徑向測點振動未超限,而且通過時域、頻域分析也未發現明顯的沖擊信號。

綜上,認為9#機組存在發電量不高、故障頻發的原因之一是發電機存在一定對中問題；同時通過上述分析,也驗證了本文采用的振動分析方法是有效的。