关于风电机组振动监测与故障诊断探究李高征--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

关于风电机组振动监测与故障诊断探究李高征

发表时间：2020/5/6 来源：《基层建设》2020年第2期作者：李高征

[导读] 摘要：随着社会经济的发展，我国对电能的需求不断增加，风电厂建设越来越多。风力发电机组的使用,使得风能能够向着电能方向转换,从而实现对此种绿色能源的广泛应用。

        深能南京能源控股有限公司江苏南京 210000
        摘要：随着社会经济的发展，我国对电能的需求不断增加，风电厂建设越来越多。风力发电机组的使用,使得风能能够向着电能方向转换,从而实现对此种绿色能源的广泛应用。为确保风电机组能够正常、平稳地运行，需要采用科学的风电机组振动监测系统，对机组状态进行及时的监控，实现对各种故障的有效诊断。本项目主要对风电机组振动监测及故障诊断的相关内容进行分析，从而促进对风能的有效利用。
        关键词：风电机组；振动监测；故障诊断；探究
        引言
        现代风电机组为了更好地捕获风能、降低运行载荷，普遍采用变速变桨运行方式。而叶轮转速范围大可能导致叶轮旋转频率与其他部件如叶片、塔架、传动链的固有频率在某转速点重合，从而产生共振。为避免机组共振，设计阶段通常进行机组固有特性计算和引起共振及共振区域分析。
        1风电机组故障概述与诊断方法
        风电机组工作原理：叶片捕获风能，经过传动系统将机械能以扭矩和转速的形式传递给发电机产生电能。传动系统是指将风轮轴功率传递到发电机系统所需的机构。典型的双馈风力发电机组包括风轮主轴系统、增速传动机构（齿轮箱），以及轴系的支撑与连接（如轴承、联轴器）和制动装置等。主轴安装于风轮与齿轮箱之间，通过螺栓与轮毂和齿轮箱刚性连接，运行过程中承载力大且风载荷复杂，因此要求主轴具有较高的综合机械性能。因常年运行在酷暑、严寒和极端温差的自然环境条件，除了要求构件材料有低温状态下抗冷脆性等特性，还要具备适宜的加热与冷却措施。齿轮箱与主机架的连接应考虑减振和降噪，二者之间通常安装减振垫，最大程度上吸收齿轮箱运行中产生的振动，降低振动对机组的影响。风力发电机组的故障按照专业分为机械故障和电气故障，电气故障通常根据风电机组的主控系统所报的故障代码消缺处理，发生的数量多，备件的费用较低，主要集中在电气装置、电气回路和连接、电气和电子元器件、电路板、接插件所产生的故障，维修相对容易。机械故障主要发生在机组的传动链，维修成本较高，叶片、齿轮箱、主传动链及发电机等关键部位维修与更换均需要大型起重机械吊装，损失的发电量更是无法估计。双馈异步风力发电机组变速箱速比大、多轴系，叶轮轴低速重载，发电机轴高速轻载，传动系统还包含多个关系复杂的齿轮和轴承零部件。机组安装地理位置特殊，运行环境复杂多变，运行工况随着风载荷波动，使得反映机组健康状况的状态参量关联形式复杂，难以分析判定上述特征，决定了在线监测是其有效的监控方式。离线巡检检测方式在数据采集的频次、质量及关联性上无法满足风电机组的特殊性，在线监测方式在数据采集的实时、同步、可靠、参量多样性和完整性方面的优势，保证了运行维护人员可及时了解风电机组的运行状态，从而把握处理问题的最佳时机，为管理者决策提供科学依据。在线监测技术的日益完善，对提高风机设备的可利用率、有计划地进行设备维护、提高风能利用率等起到至关重要的作用。通过在线监测系统可以有效增加风电场的正常运行时间，优化设备运行工况、降低风力发电设备的维修费用。具体作用：①基于主传动系统主轴、减速机、发电机的振动数据，判断其发生的机械故障；②为制定维修计划提供依据，在无风期安排维修，增加风电场发电量；③减少现场日常巡检次数，降低运维人员工作量；④延长机组的使用寿命。
        2风电机组振动监测与故障诊断
        2.1选择和安装传感器
        进行风电机组监测系统运行期间，为了确保所得振动信号具备精准性，需要确保传感器具有良好的特性。选择传感器时，要严格的保障传感器相应参数是可以符合系统标准要求的。在对传感器的类别选择，应该建立在测量对象实际状态上。同时，需要采取最佳传感器量程，要确保选择的合理性，一旦不能科学的选用，也就是所选择的量程不佳，将会降低测量的准确性，同时会因测量值超出量程而导致传感器损毁等情况。

期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆

应该确保传感器具备较高的灵敏度，以满足相应的精准度需求。如果传感器具备越高的灵敏度，则可以更加精准的测量到微弱信号，尤其是应用于故障信号出现的早期阶段。但同时也应考虑到，在提升传感器灵敏度的同时，会增大对于外界的噪声的收集，这样一来势必会增加系统负担，影响到系统正常的分析。
        2.2预估风速控制
        为避免叶轮转速超调量过大，可以使叶轮转速不进入塔架共振带，从而避免其共振。在控制策略上可以将强阵风看作干扰，这样就可以通过补偿来抵消这种干扰。而机组风速计受叶轮尾流干扰，其测量结果不可靠且含有变桨系统无法响应的高频成分，将叶轮转速作为风速计反馈，则可以避免上述问题。
        2.3振动监测系统分析方法
        作为最基本的信号分析方法，通过查看时域信号的波形，分析信号的周期特性和冲击特性，系统也可以提取峰值、峰峰值、有效值等特征向量，结合时间、转速、风速、发电量的发展趋势，对比设置报警阈值以发现信号的异常。风电机组CMS振动测点的时域特征值随着风速、风向变化，同一风场相邻机组之间的振动数据可作为对比，发现异常及时分析并排除故障。在频域信号处理中，傅里叶变换将一个随机信号解析成不同频率的正弦波，使得频域分析成为可能。目前，大部分风电机组安装使用的振动检测系统的原理仍然是快速傅里叶变换，由于计算机技术的发展，微机上直接使用离散傅里叶变换技术变得非常方便。通过振动信号的频谱分析可以获取信号的主要频率成分和谐波成分，结合从SCADA（数据采集与监视控制系统）中引入的传动链转速和发电机的功率数据，计算相应部件的故障频率，分析确定故障信号的来源和缺陷的类型。为了便于现场技术人员方便、快速地理解数据，挖掘机组的状态信息，部分振动检测系统还提供了更为直观的图谱分析，全方位的展示数据之间的关系，例如由时间轴、频率轴和幅值轴组成的三维图谱，可直观地显示出所选测点的频率和幅值相对于时间轴的变化。
        2.4选择采集系统和进行软件设计
        数据采集系统主要是将各种传感器的信号通过A/D转换成可以接受的信号，并将信号发送回数据存储模块。采集板卡具有各异的工作方式，巡回采集、同步采集是常用的两种。前一种即采集卡遵循相应规则，针对性地采集各路信号。后一种即进行采集卡经多路通道，对于信号进行同时的收取。在实际应用中，采用同步采集的方式，可以更好地完成对风电机组的监测。在落实设计软件方面上，系统的软件模块关键性的构成部分就是故障诊断模块、信号预处理模块、特征提取模块、辅助功能模块。开发此软件时，需要采取面向对象的编程技术，以及建立在MFC的单文档多视图框架结构基础上，落实界面设计，确保具有良好的保密性、安全性。
        结语
        综上所述，风电机组运行期间，传动系统产生较高的振动故障概率，所以，加强振动监测及故障诊断工作尤为关键。振动监测系统经合理的采集以及分析各种振动监测点的振动信号，依照机组相应部件的振动信号特征参数，联系起诊断系统，及时的分析风电机组主轴以及齿轮箱、发电机组运行异常，并进行正确的诊断，提供给风电机组维护技术重要的依据，进而将机组运行的可靠性增强。
        参考文献
        ［1］汤宝平，罗雷，邓蕾，韩延.风电机组传动系统振动监测研究进展［J］.振动.测试与诊断，2017，37（3）：417-425，622.
        ［2］沈艳霞，李帆.风力发电系统故障诊断方法综述［J］.控制工程，2013，20（5）：789-795.
        ［3］陈雪峰，李继猛，程航，李兵，何正嘉.风力发电机状态监测和故障诊断技术的研究与进展［J］.机械工程学报，2011，47（9）：45-52.