風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)電場(chǎng)的關(guān)鍵設(shè)備,長(zhǎng)期以來(lái)一直采用計(jì)劃維修的方式,即一般風(fēng)力機(jī)運(yùn)行2500 h或5000 h后進(jìn)行例行維護(hù)。這種維修方式無(wú)法全面的、及時(shí)的了解設(shè)備的運(yùn)行狀況;而事后維修則由于事先的準(zhǔn)備不夠充分,造成維修工作的耗時(shí)太長(zhǎng)、損失嚴(yán)重。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)是集合了信號(hào)采集、在線監(jiān)測(cè)以及信號(hào)分析于一體的多功能在線監(jiān)測(cè)診斷分析系統(tǒng),對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動(dòng)、溫度、壓力和電氣參數(shù)等進(jìn)行在線的監(jiān)測(cè),將監(jiān)測(cè)結(jié)果與事先設(shè)定的值進(jìn)行比較,在線監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)運(yùn)行異常并報(bào)警,可對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析處理,從而可以準(zhǔn)確地確定設(shè)備故障。目前,對(duì)狀態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究還處在初始階段。

　　本文對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了初步的研究。

　　一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)的必要性

　　目前大多數(shù)風(fēng)機(jī)上運(yùn)用的通用監(jiān)測(cè)程序?yàn)轱L(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。這種方法主要監(jiān)測(cè)輸出電量,同時(shí)也包含部分故障信息的存儲(chǔ)。通�？刂葡到y(tǒng)的狀態(tài)信息、輸出電量以及風(fēng)速情況將被存儲(chǔ),并將這些信息發(fā)送給制造商和運(yùn)營(yíng)商。但該方式只有在具有詳細(xì)記錄的前提下才有可能觀察到故障。在大多數(shù)情況下,當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)時(shí)故障已經(jīng)發(fā)生。
然而,整個(gè)系統(tǒng)能做的只是自動(dòng)的使風(fēng)力發(fā)電機(jī)停機(jī),以防止故障的進(jìn)一步惡化。風(fēng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)通常與周期測(cè)試點(diǎn)相連,這些周期測(cè)試點(diǎn)基本能反映整機(jī)的特性,例如監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)葉片和基座的裂紋、齒輪箱的振動(dòng)或者機(jī)械部分的磨損等情況。但是這些監(jiān)測(cè)不能揭示其產(chǎn)生的時(shí)間和原因,所能確認(rèn)的是風(fēng)機(jī)運(yùn)行的狀況。就算將監(jiān)測(cè)的結(jié)果與以前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照比較,也很難提供故障產(chǎn)生的原因。由于在線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)能夠克服上述的缺點(diǎn),使得在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被廣泛的推廣,在實(shí)際風(fēng)力發(fā)電機(jī)監(jiān)測(cè)的運(yùn)用中一般分為以下兩個(gè)步驟:
　　
　　(1) 連續(xù)的在線監(jiān)控設(shè)備(在線診斷儀)選擇合適的傳感器與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)相連,當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)控制系統(tǒng)發(fā)出警報(bào),故障包含齒輪箱、主軸及電機(jī)定子等部件的振動(dòng)。

　　自動(dòng)評(píng)估其頻率范圍并與所設(shè)定的頻率譜圖相比較,當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)給出超出系統(tǒng)設(shè)定異常值時(shí),風(fēng)力發(fā)電機(jī)自動(dòng)停機(jī)并且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把警報(bào)值傳送到維修中心。這樣可以在早期狀態(tài),探測(cè)到潛在的危險(xiǎn)并能使生產(chǎn)商提出一個(gè)有針對(duì)性的維護(hù)和修復(fù)方案。通過(guò)零距離、不間斷地觀測(cè)其零部件,可以設(shè)計(jì)一個(gè)專門(mén)的維護(hù)計(jì)劃方案,從而避免災(zāi)難性的結(jié)果。

　　(2) 周期性機(jī)械診斷(手持式診斷儀)是為對(duì)在線診斷儀發(fā)出有預(yù)警值或異常值的零部件上進(jìn)行進(jìn)一步的監(jiān)測(cè)。在周期性的檢查過(guò)程中,可將移動(dòng)測(cè)量設(shè)備安裝在齒輪箱、發(fā)電機(jī)及軸承等機(jī)械零部件上,記錄其頻譜圖并與以前確定的頻譜圖相比較。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)的頻譜特性曲線比較,最終判斷出其產(chǎn)生故障的原因。

　　二、風(fēng)力機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成：

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電設(shè)備,風(fēng)能先后通過(guò)葉輪、主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)后轉(zhuǎn)換成電能。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各個(gè)部件中,風(fēng)力機(jī)葉片是彈性體,在風(fēng)載荷的作用下,作用在風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)上的空氣動(dòng)力、彈性力、慣性力等具有交變性和隨機(jī)性力的耦合將會(huì)引起與某些振型共振的自激共振,即顫振。該振動(dòng)是發(fā)散的,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)破壞。另外,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)會(huì)由于多種原因,使機(jī)艙在各個(gè)方向有較大的振動(dòng),振動(dòng)的頻率、幅度超過(guò)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)要求時(shí)會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)行產(chǎn)生危害。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是要將風(fēng)力機(jī)的故障監(jiān)測(cè)出來(lái),并發(fā)出警報(bào)從而可以及時(shí)的進(jìn)行維修。

　　2. 1　硬件結(jié)構(gòu)

　　本文介紹的風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括信號(hào)檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集、工控主機(jī)、顯示打印和電源等5個(gè)模塊。

　　(1) 信號(hào)檢測(cè)模塊

　　信號(hào)檢測(cè)模塊由傳感器、信號(hào)變送器和信號(hào)預(yù)處理板三部分組成。傳感器采用壓電振動(dòng)傳感器、鉑電阻溫度傳感器、壓力傳感器和電壓電流傳感器,分別采集電機(jī)風(fēng)機(jī)的振動(dòng)量、關(guān)鍵部件或系統(tǒng)的溫度量、壓力值及電氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)值。

　　推薦型號(hào)：8711-01-010加速度傳感器

　　信號(hào)變送器對(duì)采集到的微弱信號(hào)隔離、放大、補(bǔ)償、變換,有較強(qiáng)的抗干擾能力以及遠(yuǎn)距離的驅(qū)動(dòng)能力。信號(hào)預(yù)處理板主要完成信號(hào)放大、噪聲濾波、信號(hào)隔離傳輸、類型變換等功能。

　　(2) 數(shù)據(jù)采集模塊

　　數(shù)據(jù)采集模塊安裝在工控主機(jī)內(nèi),實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)、溫度、壓力、電壓電流等參數(shù)的采集,并將采集到的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,便于系統(tǒng)分析處理。

　　(3) 工控主機(jī)模塊

　　工控主機(jī)是系統(tǒng)的核心,由工業(yè)級(jí)PC承擔(dān),完成與各接口模塊通信,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、刷新、組態(tài)和邏輯控制等功能。

　　(4) 顯示打印模塊

　　顯示器和打印機(jī)是輸出設(shè)備,提供人機(jī)交互界面和記錄、分析結(jié)果的硬拷貝輸出等功能。

　　(5) 電源模塊

　　電源采用獨(dú)立供電的方式,向變送器和預(yù)處理板分別供電。

　　2. 2　軟件結(jié)構(gòu)

　　軟件功能包括:信號(hào)操作、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、分析診斷、狀態(tài)顯示、報(bào)警及其它功能等。每項(xiàng)選擇下的子功能均采用下拉式菜單窗口,并以漢字形式提供各個(gè)功能的選擇。

　　(1) 信號(hào)操作功能

　　主要完成手動(dòng)數(shù)據(jù)采集、計(jì)算機(jī)模擬信號(hào)的發(fā)生和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)到分析數(shù)據(jù)的剪貼。手動(dòng)數(shù)據(jù)采集功能完成單次的程序觸發(fā)采樣。

　　模擬信號(hào)發(fā)生器可以根據(jù)需要由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生需要響應(yīng)的信號(hào)如正弦、方波、三角波等信號(hào)。信號(hào)的頻率、幅值、長(zhǎng)度、采樣頻率、占空比等可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置,而且這些信號(hào)可以進(jìn)行組合。

　　數(shù)據(jù)剪貼功能完成即時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)到分析數(shù)據(jù)的傳輸工作。該功能主要針對(duì)振動(dòng)量信號(hào)的操作。

　　(2) 狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能

　　主要包括初始化設(shè)置和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。初始化設(shè)置完成以下量值的設(shè)置工作:振動(dòng)量采樣頻率、采樣長(zhǎng)度、濾波頻率、各測(cè)點(diǎn)報(bào)警值、傳感器安裝方向、定時(shí)存數(shù)間隔、定時(shí)數(shù)據(jù)追加間隔、定時(shí)報(bào)表時(shí)間間隔、分析數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、分析數(shù)據(jù)采集頻率、機(jī)器轉(zhuǎn)速、聲音報(bào)警開(kāi)關(guān)。監(jiān)測(cè)任務(wù)主要完成兩部分工作:第一是啟動(dòng)和停止系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)工作;第二是選擇監(jiān)測(cè)方法。監(jiān)測(cè)功能有:時(shí)域信號(hào)波形監(jiān)測(cè)、軸心軌跡監(jiān)測(cè)、頻譜監(jiān)測(cè)、電氣量模擬表監(jiān)測(cè)和數(shù)字列表監(jiān)測(cè)等。

　　(3) 分析診斷功能

　　分析診斷功能包括常用的各種監(jiān)測(cè)診斷分析方法。具體包括:時(shí)域波形、軸心軌跡、濾波軌跡、重構(gòu)軌跡、頻譜分析、平面軌跡譜分析、立體軌跡譜分析、時(shí)域分析、魏格納分布、逆譜分析、信號(hào)濾波、時(shí)域頻域聯(lián)合分析、自相關(guān)和互相關(guān)等分析方法。文獻(xiàn)[ 2 ]介紹了頻譜分析法在齒輪箱振動(dòng)分析上的應(yīng)用。

　　(4) 狀態(tài)顯示功能
監(jiān)測(cè)信息的表達(dá)采用了先進(jìn)的數(shù)字表格、模擬儀表、機(jī)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖等多種顯示方法。通過(guò)機(jī)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖上傳感器圖標(biāo)顏色的變化,可以清楚地反映目前設(shè)備的各個(gè)部件運(yùn)行狀態(tài)。

　　(5) 其它功能

　　包括文件操作、文件操作歷史、打印和系統(tǒng)幫助等。

　　3　Ma rlin狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

　　Marlin 狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[ 2 ] 由狀態(tài)探測(cè)器(MCD) 、數(shù)據(jù)管理器(MDM)及PR ISM4 Surveyor應(yīng)用軟件組成�？赏ㄟ^(guò)狀態(tài)探測(cè)器(MCD)讀出機(jī)器狀態(tài),即2個(gè)振動(dòng)測(cè)量值(速度和包絡(luò)加速度)和1個(gè)溫度測(cè)量值。探測(cè)器自動(dòng)把這些讀數(shù)與預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行比較,當(dāng)超出設(shè)定的門(mén)限值時(shí),立即向操作人員發(fā)出警報(bào)。探測(cè)器測(cè)出的讀數(shù)可立即顯示和存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)管理器(MDM)上,數(shù)據(jù)管理器的主要作用是輸入、存儲(chǔ)和對(duì)機(jī)器狀態(tài)進(jìn)行檢查。PR ISM4 Surveyor應(yīng)用軟件可簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的搜集、存儲(chǔ)和分析,繪制出歷史趨勢(shì)曲線。

　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)輪、齒輪箱及大電機(jī)等組成。為了捕獲風(fēng)資源的需要,整個(gè)旋轉(zhuǎn)軸系安裝在幾十米高的塔架上,這就給機(jī)組各部位的測(cè)量帶來(lái)不便。而Marlin狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分狀態(tài)探測(cè)器(MCD)和數(shù)據(jù)管理器(MDM)便于隨身攜帶,且狀態(tài)探測(cè)器既可以單獨(dú)使用,也可與數(shù)據(jù)管理器聯(lián)合使用。因而十分適合對(duì)風(fēng)電機(jī)組的重點(diǎn)部位進(jìn)行狀態(tài)測(cè)量。另外系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)既包括振動(dòng)速度,又包括包絡(luò)加速度,因此我們不但可以發(fā)現(xiàn)低頻到中頻的故障,如不平衡、不對(duì)中、轉(zhuǎn)子彎曲、松動(dòng)等,又可監(jiān)測(cè)到齒輪的缺陷。

　　但是,Marlin狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行的趨勢(shì)分析,僅能看到其在一段時(shí)間內(nèi)的總體水平;如果發(fā)現(xiàn)了某些測(cè)量點(diǎn)的數(shù)值超出報(bào)警限值,也僅能做出一個(gè)早期故障的判斷,而對(duì)于故障的具體來(lái)源及原因便無(wú)從得知,這時(shí)就需要借助更為先進(jìn)的工具來(lái)做進(jìn)一步的分析,如FFT頻譜分析、頻譜趨勢(shì)分析、時(shí)間波形分析、小波分析等,以便對(duì)故障做出準(zhǔn)確判斷。這是在線監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮的問(wèn)題。

　　利用Marlin狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)NOE2DEX N43 /600KW 風(fēng)電機(jī)組齒輪箱高速段的速度、加速度和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常,經(jīng)開(kāi)箱后發(fā)現(xiàn)齒輪箱油已經(jīng)嚴(yán)重污染,齒輪面已經(jīng)有嚴(yán)重的損傷。盡管Marlin狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在一些不足,但研究結(jié)果表明該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)具有重要的作用。這也正是研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)和診斷的一個(gè)原因所在。

　　4 　狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)的選擇

　　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)的布置對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)來(lái)說(shuō)一直是個(gè)難題,至今也沒(méi)有得到很好的解決�，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)選擇的不同,對(duì)于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信號(hào)分析具有很大的影響。不同的布置方案,得到的結(jié)果不盡相同。

　　根據(jù)目前風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況,通常齒輪箱齒輪及其軸承、發(fā)電機(jī)及其軸承是較容易發(fā)生故障的部件,因此在常規(guī)的監(jiān)測(cè)中,可將齒輪箱前后軸承、發(fā)電機(jī)前后軸承分別作為測(cè)量點(diǎn)[ 3 ] 。

　　這樣做是基于如下的考慮:

　　(1) 當(dāng)機(jī)組的主要軸承失效時(shí),機(jī)組必須停機(jī)。監(jiān)測(cè)軸承振動(dòng)可以較早發(fā)現(xiàn)軸承故障,這為及早安排必要的維修提供了寶貴時(shí)間。

　　(2) 由于軸承承載著機(jī)器的負(fù)荷,許多典型的機(jī)械問(wèn)題如不平衡、不對(duì)中、松動(dòng)等都會(huì)將振動(dòng)信號(hào)傳給軸承。因此通過(guò)監(jiān)視軸承的振動(dòng),就會(huì)同時(shí)發(fā)現(xiàn)上述典型機(jī)械故障及軸承缺陷。

　　在測(cè)軸承的振動(dòng)時(shí),測(cè)量點(diǎn)應(yīng)盡量靠近軸承的承載區(qū);與被監(jiān)測(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件最好只有一個(gè)界面,盡可能避免多層相隔以減少振動(dòng)信號(hào)在傳遞過(guò)程中因中間環(huán)節(jié)造成的能量衰減;測(cè)量點(diǎn)必須要有足夠的剛度。

　　從信號(hào)頻段的角度來(lái)考慮,由于不同的故障、不同的頻段在測(cè)試方向上的敏感程度不同,故在旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信息的采集上,對(duì)于低頻信號(hào)(工頻5倍以上)分垂直、水平、軸向3個(gè)方向;對(duì)高頻信號(hào)對(duì)高頻信號(hào)( 1 kHz以上) ,由于對(duì)方向性不太敏感,故只測(cè)垂直或水平一個(gè)方向即可。這是因?yàn)榈皖l信號(hào)的方向性較強(qiáng),而高頻信號(hào)對(duì)方向不敏感的緣故。為了保證所測(cè)數(shù)據(jù)的可比性,測(cè)點(diǎn)一經(jīng)選定就應(yīng)做出相應(yīng)標(biāo)記,以使每次測(cè)量都在同一測(cè)點(diǎn)上進(jìn)行,同時(shí)保證每次測(cè)量時(shí)設(shè)備的工況都相同。在選擇測(cè)點(diǎn)時(shí)還應(yīng)考慮環(huán)境因素的影響,盡可能地避免選擇高溫、高濕、出風(fēng)口和溫度變化劇烈的地方作為測(cè)量點(diǎn),以保證測(cè)量結(jié)果的有效性。有研究結(jié)果表明,在測(cè)高頻振動(dòng)時(shí),由于測(cè)量點(diǎn)的微小偏移(幾毫米) ,就會(huì)造成測(cè)量值相差幾倍(高達(dá)6倍) 。

　　基于以上測(cè)點(diǎn)選取的原理,根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能參數(shù)和工作原理,同時(shí)根據(jù)積累的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試經(jīng)驗(yàn),大致確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的測(cè)試點(diǎn)如圖1所示。

　　5　結(jié)論

　　目前對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)的研究還十分有限。對(duì)于齒輪箱齒輪、軸承故障診斷的研究都還處在摸索階段。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所設(shè)定的報(bào)警限值還存在較大的困難,這些都需要一定的時(shí)間和實(shí)踐來(lái)研究。

　　
　　綜上所述：風(fēng)力發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用到加速度傳感器、 溫度傳感器、 傾角傳感器、 油品分析傳感器等。

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