風力發電機組旋轉機械的故障診斷技術

國華瑞豐（榮成）風力發電有限公司 潘山坡

1 引言

隨著人類社會、各行各業對資源的需求量不斷增加，面對資源匱乏的生存與發展難題，水力發電、風力發電等一些可再生的資源能源開始備受關注。在這種形勢下，風力發電及其相關技術也變得更加成熟化。包括風電機組的操作層面、系統設計層面、安全運行層面，界內均加大了研發與設計，旨在更好地確保風力發電機組能夠正常工作。但即便如此，風力發電機組在運行工作中依然會很容易出現一些潛在的危險、事故等，需要充分重視起來。結合現實來看，最常見的故障、安全事故之一就是發電機組的旋轉機械的運行問題。

2 風力發電機組的應用概述

2.1 風力發電機組的運行原理

關于風力發電機組，風電機組的運行工作，實質是利用風輪上的葉片，順勢將風的動能合理轉變成為機械能。隨著機組旋轉機械的轉動和運行工作，繼而為發電機的運轉提供了較為充足的能源。雖然風力發電與水力發電、光伏發電相比，對再生資源的整體利用率很有限，但依然能夠為不少資源匱乏地區、生態環保重點建設地區提供較多的風電資源。

風電機組由多個不同部位結構來構成。包括發電機設備、高速軸、主軸、輪轂、主軸軸承、齒輪箱等。風電機組主軸設備如圖1所示。

圖1 風電機組主軸設備

葉片的作用是讓整個機械設備可以獲得風能。其中，輪轂是主體轉軸結構與葉片進行連接的基礎部件。主軸軸承所起到的作用就是負責風輪、齒輪箱的工作，而發電機可以進一步將工作中的機械能順勢轉化成為電能。風電機組風機輪轂-葉片結構如圖2所示。

圖2 風電機組風機輪轂-葉片結構

風電機組各個部位、部件彼此間相互銜接，起到著相互輔助和相互保護的作用。所以，確保各個部件、組件的質量和性能，也就意味著提高了風力發電機組的整體保障性、整體運行安全性。

2.2 風力發電機組的風險要素分析

對于大型的風力發電機組而言，安裝設計好之后并非一勞永逸的，而是需要做好監督與性能監測，防止出現意外或突發事故。結合風能發電工程項目的實際應用現狀，將影響風力發電機組正常工作、安全運行的一些潛在風險隱患，歸納為影響發電機組安全的風險要素。對日常工作情況、故障診斷現狀、不同問題的出現頻率，歸納為三類不同的風險要素。風力發電機組常見的風險要素詳見表1。

表1 風力發電機組常見的風險要素

第一類風險要素：風力發電機組中的傳動鏈。傳動鏈直接影響著整個風力發電的效率。結合多地的大型風力發電機組工程來看，傳動鏈主要是由主軸承、風輪、齒輪箱和發電機等部件構成。

研究取證和查閱了本地以及周邊多個縣市地區大型風力發電機組的數據記錄、維修記錄。從中發現，傳動鏈的風險基本來源于“超速”，即風力發電機組在超速運行狀態下，會直接影響傳動鏈各零部件。風輪、葉片等在轉動過程中，長時間超速，脫離控制，會造成傳動鏈或者整個發電機組都發生損毀。

在風險的具體評估方面，技術人員一般直接選取傳動鏈上一個部件的轉速，來進行評判。正是出于該方面的考慮，所以在整個風力發電機組最初的功能設計層面，最關注的就是機組各系統的安全性能。當發現該部件出現了明顯的超速情況時，設置的安全系統會在第一時間上傳輸入。

第二類風險要素：重要子系統中包括變槳系統、偏航系統、變流器、振動監測系統。振動監測系統是近幾年界內技術研發投入與關注最多的技術板塊。振動監測系統的功能較多，尤其是在發電機組的各類故障診斷與分析層面，效果也比較理想。

重要子系統中的常見故障與風險隱患[1]，主要來源于各個系統部件的操作。以偏航系統為例，在偏航系統中有一個扭纜限位開關，開關的作用就是用來保護電纜不過度扭纜。但開關一旦出現一些意外情況，整個風電機組的電氣系統會直接被破壞，導致系統損毀與失效。再以變槳系統為例，變槳系統是風力發電機組的氣動剎車機構。如果氣動剎車失效，有可能會直接損毀整個機組。振動監測系統在工作運行中，也容易出現一些故障。如利用振動監測系統來檢查機組各部位、各個運行工作階段的振動情況、整體運行數據情況等。這也就意味著，無論是由于技術原因還是人為操作，使得振動監測系統失靈，所有的數據、指標也可能都是混亂的，一旦失靈失效，可能導致整個風電機組嚴重損毀。

重要子系統是大型風力發電機組安全系統的必須輸入，也是各地單位和技術檢修維護人員最需要重點考慮的風險要素。

第三類風險要素：風力發電機組中的控制系統[2]。控制系統是最后的防線，包括重要子系統、傳動鏈等，均受到總控制系統的保護。控制系統處于整個機組的邏輯控制保護層，也就是PLC（控制器）。在運行工作中，當PLC 失效，機組的控制系統為了確保整個機組的安全，會第一時間發出指令，命令機組停機。

3 風力發電機組旋轉機械故障分析

風電機組尤其是大型的風電機組在工作運行期間，無論是因何種原因所導致出現的故障和問題，如三大類風險要素，絕大多數情形下基本都是表現為“轉動問題”。因為風電機組得以實現發電，直接的作用就體現在機組通過風輪葉片等設備部件的轉動，將風能轉化為機械能、電能。所以，風力發電機組在工作運行中，無論是因何種風險要素，經常遇到的故障基本都是風輪轉動過程中的異常。比如，異常響聲，超速轉動、葉片結構破損或者出現裂縫、機艙罩晃動等。一旦出現以上各類情況，應第一時間及時監測和應對，否則很有可能造成不必要的人員傷亡、財產破壞。

究其根本，以上故障和異常情況，基本與旋轉機械的異常不可分離。

3.1 溫度檢測或油液檢測旋轉機械故障

如旋轉機械轉動速度在運行中，未能安全要求達到既定的標準，很大程度上是受到了剎車片的影響，即剎車片的作用被削弱了。這種情況下，結合以往的故障案例來看，很多情形下會進一步造成彈簧結構失效。一旦發現不夠及時，隨著工作運行的持續，會使得發電機組轉子和定子持續接觸摩擦，加劇風電機組的故障。極端情況下，發電機組停止工作后，風輪依然繼續轉動。再加上大型的機械設備本身靈活性也比較差一些，所以無法及時調向，包括風電機組的控制系統（安全系統），也有可能無法有效控制。之所以如此，很大程度上已經徹底表明旋轉機械已經失靈、失控。如調向裝盤軸承中的潤滑油效果很差，因超速轉動，還有可能引發火災等。這也是日常的檢修維護、系統檢查中，容易疏忽的細節問題。

在日常的維護管理中，建議合理利用溫度檢測技術、油液監測技術。如油液檢測，檢測油液的質量情報與數據分析[3]，可以幫助控制系統的后臺或者技術維護人員，及時針對與油液接觸的部件的運行情況加以綜合分析。運用有效的方法針對污染程度進行測試。當下，風力發電機組的油液分析往往都是利用離線檢查技術來進行的，而與早些年相比，近幾年界內的相關技術已經成熟，可以勝任和滿足這一點。比如像傳感器技術等，已經得到了全面的發展進步，從而為油液檢測工作的發展創造了良好的基礎。

3.2 振動檢測旋轉機械故障

眾所周知，機組中旋轉機械故障的發生類型還有很多，如摩擦問題[4]、機械松動問題、軸裂縫問題，如此種種。如上文中提到的風輪在轉動過程的異常響聲、摩擦聲等，一旦響聲異常、摩擦聲非常大的話，隨后一段時間內，機艙罩也會隨之晃動，葉片等結構也會出現裂縫的情況。關于這一點，大量的工程實例已經證明，主要原因是風輪軸承底部結構出現了破損，繼而導致這種故障的發生。同理，如果齒輪箱軸承也存在破損，同樣也會造成風輪葉片脫落、結構裂縫等故障的發生，因為這種運行狀態之下，葉片無法承受沖擊力，使得槳葉的轉動速度一直處于異常狀態。

對于此類故障的排除、檢修、診斷分析，還是建議要做好日常的巡護、系統數據監測報告。振動檢測技術應用其中，可以對軸承、齒輪、發電機軸承、主軸等[5]，對各個部件的振動情況與數據記錄，可以實現全過程監控與分析，幫助管理人員及時獲得較為準確的故障信息。

4 結語

目前風力發電技術、風力發電機組項目的建設，無論是技術保障、安全性能、穩定工作等各個方面，均得到了空前的提升。未來隨著風力發電技術的逐步成熟，將為中國經濟、為全球經濟的發展作出巨大貢獻。本文研究中，也結合當地的大型風力發電機組在過往的工作運行現狀，基于常見的一些故障問題，從技術保障、細節監測管理層面，提出了一些對策建議。