振動監(jiān)測技術(shù)在風力發(fā)電機組的應(yīng)用

　　摘要 隨著風力發(fā)電機組投運規(guī)模的擴大和運行時間的增加，設(shè)備機械故障趨于常態(tài)化 在線狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)可對風機設(shè)備進行故障監(jiān)測和預(yù)防，有計劃地對其進行維護 提高利用率，神華國華能源投資有限公司在呼倫貝爾、東臺和榮成、個風電場安裝了振動監(jiān)測系統(tǒng)，對4種機型，11臺風機進行監(jiān)控，重點對主軸、齒輪箱、發(fā)電機等進行監(jiān)測分析，監(jiān)測結(jié)果，軸承情況良好，但在包絡(luò)時域波形中有弱的雜亂沖擊信號，應(yīng)為潤滑油中的雜質(zhì)所產(chǎn)生，暫不影響設(shè)備的運行，齒輪箱有輕微不對中征兆，通過對發(fā)電機振動的分析，認為不對中征兆是由發(fā)電機振動引起，需要進行后續(xù)跟蹤確認，發(fā)電機有機械松動的征兆，表明軸承存在一定的磨損可繼續(xù)運行，但要跟蹤振動變化趨勢。

　　1　風力發(fā)電機組運行現(xiàn)狀

　　神華國華能源投資有限公司，以下簡稱國華公司，是國內(nèi)規(guī)模較大的風電投資商之一，截至2009-12投運的風電場裝機容量已經(jīng)達到1.2GW，已安裝的風機容量超過1.40GW，投運風機達多臺850，出質(zhì)保期的有105臺合計120.9目前,國華公司以上的風機仍由廠家維護，一旦這些風機交由國華公司自行維護如何保證設(shè)備的正常運行將成為一大難題。

　　最近對風電機組的故障進行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果在停機次數(shù)上，風力發(fā)電機的變槳和變頻控制，電氣控制占62% 在故障次數(shù)上，發(fā)電機、主軸和齒輪箱占18%見圖1，但從停機的時間上統(tǒng)計已經(jīng)占到了68.7% 見圖2，2006-2008年國華公司風力發(fā)電機組的主要故障為變槳系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、逆變器以及發(fā)電機故障，從2009年開始，陸續(xù)出現(xiàn)了7個齒輪箱損壞其中6臺是國產(chǎn)1.5MW風機齒輪箱，1臺是750KW風機齒輪箱。齒輪箱的損壞對于風電場發(fā)電量和維護成本影響很大。如何保證齒輪箱、發(fā)電機等機械零部件的可靠性，做到預(yù)防性維護，已經(jīng)成為亟待解決的問題。
                   
                   

                  


　　2　安裝狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的必要性

　　2.1風力發(fā)電的特點

　　1）地理位置受限：受風資源分布的限制，風電，場主要位于人跡罕至的草原，荒山，沙漠或者海邊

　　2）維修力量薄弱：風力發(fā)電行業(yè)仍然處于起步階段,往往缺乏有經(jīng)驗的維修人員，運行維修技術(shù)還不成熟，有待進一步完善

　　3）發(fā)電效益低：受風況的限制，年可發(fā)電時間，往往比傳統(tǒng)火力發(fā)電少得多

　　4）運行和維修費用高：由于沒有成熟的運行和維修經(jīng)驗，運行和維修成本高，據(jù)國外資料統(tǒng)計，風力發(fā)電廠的運行和維修費用是傳統(tǒng)火力發(fā)電廠的3倍

　　2.2在線監(jiān)測的作用

　　隨著風力發(fā)電機組單機容量的增加和在線監(jiān)測技術(shù)的日益完善，在線監(jiān)測技術(shù)對提高風機設(shè)備的可利用率 有計劃地進行設(shè)備維護，提高風能利用率等起到重要的作用，使用在線監(jiān)測系統(tǒng)以后 能增加風電場的正常運行時間，優(yōu)化設(shè)備運行工況 降低風力發(fā)電設(shè)備的維修費用,提高風力發(fā)電機組的運行安全性。

　　具體表現(xiàn)如下

　　1）減少非計劃性軸承和齒輪的維修工作，可進行基于狀態(tài)監(jiān)測的維修

　　2）為制定維修計劃提供依據(jù)，可在無風或枯風期安排維修

　　3）減少現(xiàn)場日常巡視次數(shù)

　　4）降低生產(chǎn)成本 減少生產(chǎn)損失

　　5）減少故障部件的二次損傷

　　6）延長機組使用壽命

　　7）減少備件數(shù) 降低損耗率

　　2.3　國內(nèi)外使用監(jiān)測系統(tǒng)情況

　　由于兆瓦以上風電機組的大量安裝，國外風電場陸續(xù)開始安裝狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)特別是在年2002安聯(lián)大眾，等德國保險公司修改了保險條款，將安裝經(jīng)過認證的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)作為投保的前提條件，德國各大風電場都將狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)作為風電廠維修的重要組成部分、維斯塔斯、瑞能蘇司蘭等全球領(lǐng)先的各大風電設(shè)備供應(yīng)商也將狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)看作自身生存的保障，在出廠前就在風電設(shè)備上安裝了相應(yīng)的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，在國際上風力發(fā)電機組在線振動監(jiān)測系統(tǒng)已得到廣泛的應(yīng)用。

　　在國內(nèi)，在線振動監(jiān)測技術(shù)在風機上的應(yīng)用還處于起步階段，目前各大風機制造商開始在各自的風機上試驗性地開展工作，但還沒有批量安裝在線振動監(jiān)測設(shè)備 隨著風機單機容量的增加和保險市場的成熟，在兆瓦機上配置振動監(jiān)測系統(tǒng)將成為一種必然趨勢

　　3　振動狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)介紹

　　3.1　在線振動監(jiān)測系統(tǒng)

　　在風力發(fā)電機（主軸承座、齒輪箱、發(fā)電機） 預(yù)先選定的位置共安裝8個振動加速度傳感器和1個轉(zhuǎn)速計，傳感器將采集的信號通過編織屏蔽電纜接入1臺智能采集單元iMU,iMU將處理后的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到裝有分析軟件@ptitude Observer的服務(wù)器,用戶可通過多種方式登錄服務(wù)器查看運行數(shù)據(jù)，以便進行深入分析。在線振動監(jiān)測系統(tǒng)連接示意圖見圖3

            

　　3.1.1  系統(tǒng)配置

　　1臺智能監(jiān)測單元iMU；1套SKF振動監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器和電纜等附件，包括風力發(fā)電機專用普通加速度傳感器5套，風力發(fā)電機專用低頻加速度傳感器3套，轉(zhuǎn)速傳感器IFMIG5533，1套，用于獲取風機的高速軸轉(zhuǎn)速。

　　3.1.2  監(jiān)測功能

　　可以監(jiān)測動平衡，對中情況，軸承、齒輪嚙合，軸彎曲，機械松動，塔筒振動，葉片振動，電氣故障，共振等風機故障。

　　3.2  SKF離線式振動監(jiān)測系統(tǒng)

　　IMX-P是SKF在線監(jiān)測系統(tǒng)IMX的便攜式系統(tǒng)（見圖4） 該設(shè)計適用于各種狀態(tài)監(jiān)測。Multilog IMx-P與SKF @ptitude Observer 軟件配套使用，適用于早期的故障檢測和預(yù)防。由于其多通道性和便攜性，通過一次傳感器的安裝，可以獲得整臺風機的振動參數(shù)，而且分析軟件與在線設(shè)備通用，有利于將在線和離線設(shè)備監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的分析，拓寬了風機監(jiān)測的范圍。
                   

　　3.2.1  主要特性

　　1）16通道模擬（動態(tài)或DC）輸入和8通字輸入

　　2）Multilog IMx-P可以連接網(wǎng)絡(luò)

　　3）所有通道同時測量

　　4)多參數(shù)門控制

　　5)數(shù)字包絡(luò)峰值（DPE)

　　6）設(shè)有自適應(yīng)報警設(shè)置

　　7）電池壽命長達4h

　　8）系統(tǒng)運行停止 數(shù)據(jù)緩沖存貯穩(wěn)定

　　9）輸出開關(guān)驅(qū)動量

　　10）全面支持 SKF @ptitude Observer

　　3.3 SKF振動監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點

　　1）基于趨勢分析，實現(xiàn)可靠的預(yù)測性維修。

　　2）對于低速部件的故障，實現(xiàn)更可靠準確的報警，減少錯誤報警

　　3）針對風機專門制造的傳感器，適用于所有的風機和現(xiàn)場情況

　　4）已經(jīng)獲得勞氏認證和安聯(lián)保險的認可。

　　4  國華公司風力發(fā)電機振動監(jiān)測系統(tǒng)實施方案

　　國華公司是國內(nèi)在風機上安裝振動監(jiān)測系統(tǒng)的第1家風電運營商，在呼倫貝爾、東臺和榮成3個風電場對4種機型、11臺風機實施在線監(jiān)控。

　　4.1  呼倫貝爾風電場實施方案

　　呼倫貝爾風電場安裝了33臺東方汽輪機廠生產(chǎn)的FB70B-1500型風力發(fā)電機組，發(fā)電機采用山西永濟發(fā)電機廠和蘭州電機廠電機，齒輪箱選用南高齒和重齒產(chǎn)品，主軸軸承選用SKF公司瓦軸軸承。為了能夠?qū)⒏鲝S家的產(chǎn)品均覆蓋在內(nèi)，在呼倫貝爾風電場3臺風機上安裝了在線振動監(jiān)測系統(tǒng)，同時選用1套便攜振動監(jiān)測設(shè)備。呼倫貝爾風電場風機配套明細見表1

　　4.2  東臺風電場實施方案

　　東臺風電場安裝了41臺GE1.5S和51臺華銳風力發(fā)電機,GE公司的發(fā)電機、齒輪箱和主軸軸承都選用同一廠家的產(chǎn)品，華銳公司的風機齒輪箱由華銳公司生產(chǎn)，發(fā)電機采用山西永濟發(fā)電機廠和大連天元電機廠產(chǎn)品 為了覆蓋到所有部件廠家產(chǎn)品，東臺公司在GE和華銳的風機上各裝2套在線振動監(jiān)測系統(tǒng)（總共安裝4套）同時選用1套離線振動監(jiān)測設(shè)備。東臺風電場風機配套明細見表2

　　4.3榮成風電場實施意見

　　榮成風電場安裝有39臺Suzlon的1.25MW風機,其主軸軸承采用SKF公司雙列滾子球軸承，齒輪箱及發(fā)電機采用Winergy公司產(chǎn)品,在4臺風力發(fā)電機上安裝了在線振動監(jiān)測系統(tǒng)。

　　5　風力發(fā)電機振動監(jiān)測系統(tǒng)實施效果

　　目前，榮成、東臺、呼倫貝爾風電場在線振動監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)安裝調(diào)試完成，試運行近半年，完成了系統(tǒng)軟件的參數(shù)設(shè)置，如轉(zhuǎn)速觸發(fā)范圍，加速度包絡(luò)頻譜的頻寬范圍，趨勢數(shù)據(jù)和頻譜圖的保存時間間隔等，收集風機各部件（包括主軸、齒輪箱、發(fā)電機、振動）的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，了解風機在不同風況下運行時的振動數(shù)據(jù)趨勢，為風機量身定做了振動預(yù)警和報警標準，達到逐步實現(xiàn)智能監(jiān)測的目的。通過在線系統(tǒng)的監(jiān)測，目前已發(fā)現(xiàn)個別風機存在一定的機械故障隱患。下面針對榮成風電場30106號風機的振動監(jiān)測情況進行分析。

　　5.1  主軸承

　　主軸承加速度包絡(luò)頻譜見圖5所示。主軸承加速度包絡(luò)頻譜顯示運行時主軸承沖擊能量平緩，未發(fā)現(xiàn)有故障頻率，軸承情況良好，但在包絡(luò)時域波形中有很弱的雜亂的沖擊信號，應(yīng)為潤滑油中的雜質(zhì)所產(chǎn)生暫不影響設(shè)備的運行，應(yīng)注意潤滑維護。
               

　　5.2  齒輪箱

　　齒輪箱高速軸輸出端振動頻譜見圖6所示。分析振動速度頻譜，發(fā)現(xiàn)有輕微不對中征兆，徑向與軸向均存在較低1倍與2倍峰值，但通過對發(fā)電機振動的分析，認為高速軸不對中征兆是由發(fā)電機振動引起，需要進行后續(xù)跟蹤確認。不對中對軸承狀態(tài)影響較大，建議跟蹤查看軸承的振動值趨勢。

               

　　5.3  發(fā)電機

　　5.3.1  驅(qū)動端振動

　　發(fā)電機驅(qū)動端振動頻譜見圖7所示。從驅(qū)動端的振動頻譜來看，1~6倍發(fā)電機轉(zhuǎn)頻處均存在峰值，且峰值相對較高，符合機械松動的征兆，表明發(fā)電機驅(qū)動端軸承處存在一定的磨損，為軸磨損或者軸承座磨損。整體振動值處于黃色預(yù)警期，可繼續(xù)運行，但要經(jīng)常跟蹤振動變化趨勢，需要定期潤滑維護。

                 

　　5.3.2  非驅(qū)動端振動

　　發(fā)電機非驅(qū)動端振動頻譜見圖8所示。從非驅(qū)動端的振動頻譜來看，存在與驅(qū)動端相同的征兆1-6倍發(fā)電機轉(zhuǎn)頻處均存在峰值，符合機械松動的征兆，表明發(fā)電機驅(qū)動端軸承處存在一定的磨損，為軸磨損或者軸承座磨損。整體振動值處于黃色預(yù)警期，可繼續(xù)運行 但要經(jīng)常跟蹤振動變化趨勢，需要定期潤滑維護。

                 

　　6  結(jié)語

　　振動監(jiān)測是一項技術(shù)與經(jīng)驗相結(jié)合的設(shè)備故障診斷方法，通過對數(shù)據(jù)的分析，運行狀態(tài)的對比可提高狀態(tài)監(jiān)測的有效性，因此，建議從設(shè)備使用的初期開始，逐步做到熟練使用、培養(yǎng)人才、診斷分析 、形成標準、推廣使用，最終達到指導(dǎo)運行維護、提高設(shè)備可靠性和利用率的目的。

　　參考文獻

　　蘇杭，機械設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷[M]北京 機械工業(yè)出版社，1999

　　楊國安，機械設(shè)備故障診斷實用技術(shù)[M] 北京 中國石化出版社，1999

　　丁康 李巍華 朱小勇 等 齒輪及齒輪箱故障診斷實用技術(shù)[M] 北京 機械工業(yè)出版社，2005

　　轉(zhuǎn)載請注明來源：賽斯維傳感器網(wǎng)（www.jsxlzzp.com）