風力發(fā)電機組是風電場的關(guān)鍵設(shè)備,長期以來一直采用計劃維修的方式,即一般風力機運行2500 h或5000 h后進行例行維護。這種維修方式無法全面的、及時的了解設(shè)備的運行狀況;而事后維修則由于事先的準備不夠充分,造成維修工作的耗時太長、損失嚴重。風力發(fā)電機在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)是集合了信號采集、在線監(jiān)測以及信號分析于一體的多功能在線監(jiān)測診斷分析系統(tǒng),對風力發(fā)電機的振動、溫度、壓力和電氣參數(shù)等進行在線的監(jiān)測,將監(jiān)測結(jié)果與事先設(shè)定的值進行比較,在線監(jiān)測和診斷系統(tǒng)能夠及時地發(fā)現(xiàn)運行異常并報警,可對采集到的數(shù)據(jù)進行各種分析處理,從而可以準確地確定設(shè)備故障。目前,對狀態(tài)監(jiān)測應用在風力發(fā)電機的研究還處在初始階段。

　　本文對風力發(fā)電機的在線監(jiān)測系統(tǒng)進行了初步的研究。

　　一、風力發(fā)電機在線監(jiān)測的必要性

　　目前大多數(shù)風機上運用的通用監(jiān)測程序為風場監(jiān)測。這種方法主要監(jiān)測輸出電量,同時也包含部分故障信息的存儲。通常控制系統(tǒng)的狀態(tài)信息、輸出電量以及風速情況將被存儲,并將這些信息發(fā)送給制造商和運營商。但該方式只有在具有詳細記錄的前提下才有可能觀察到故障。在大多數(shù)情況下,當控制系統(tǒng)發(fā)出警報時故障已經(jīng)發(fā)生。
然而,整個系統(tǒng)能做的只是自動的使風力發(fā)電機停機,以防止故障的進一步惡化。風場監(jiān)測通常與周期測試點相連,這些周期測試點基本能反映整機的特性,例如監(jiān)測旋轉(zhuǎn)葉片和基座的裂紋、齒輪箱的振動或者機械部分的磨損等情況。但是這些監(jiān)測不能揭示其產(chǎn)生的時間和原因,所能確認的是風機運行的狀況。就算將監(jiān)測的結(jié)果與以前的數(shù)據(jù)進行對照比較,也很難提供故障產(chǎn)生的原因。由于在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)能夠克服上述的缺點,使得在線監(jiān)測系統(tǒng)被廣泛的推廣,在實際風力發(fā)電機監(jiān)測的運用中一般分為以下兩個步驟:
　　
　　(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力發(fā)電機的控制系統(tǒng)相連,當風力發(fā)電機發(fā)生故障時控制系統(tǒng)發(fā)出警報,故障包含齒輪箱、主軸及電機定子等部件的振動。

　　自動評估其頻率范圍并與所設(shè)定的頻率譜圖相比較,當監(jiān)控系統(tǒng)給出超出系統(tǒng)設(shè)定異常值時,風力發(fā)電機自動停機并且通過網(wǎng)絡把警報值傳送到維修中心。這樣可以在早期狀態(tài),探測到潛在的危險并能使生產(chǎn)商提出一個有針對性的維護和修復方案。通過零距離、不間斷地觀測其零部件,可以設(shè)計一個專門的維護計劃方案,從而避免災難性的結(jié)果。

　　(2) 周期性機械診斷(手持式診斷儀)是為對在線診斷儀發(fā)出有預警值或異常值的零部件上進行進一步的監(jiān)測。在周期性的檢查過程中,可將移動測量設(shè)備安裝在齒輪箱、發(fā)電機及軸承等機械零部件上,記錄其頻譜圖并與以前確定的頻譜圖相比較。通過與標準的頻譜特性曲線比較,最終判斷出其產(chǎn)生故障的原因。

　　二、風力機在線監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成：

　　風力發(fā)電機組是將風能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電設(shè)備,風能先后通過葉輪、主軸、齒輪箱、發(fā)電機后轉(zhuǎn)換成電能。在風力發(fā)電機組各個部件中,風力機葉片是彈性體,在風載荷的作用下,作用在風力機葉片結(jié)構(gòu)上的空氣動力、彈性力、慣性力等具有交變性和隨機性力的耦合將會引起與某些振型共振的自激共振,即顫振。該振動是發(fā)散的,嚴重時會導致風力機結(jié)構(gòu)破壞。另外,風力發(fā)電機組在運行時會由于多種原因,使機艙在各個方向有較大的振動,振動的頻率、幅度超過風機設(shè)計要求時會對風機的正常運行產(chǎn)生危害。在線監(jiān)測系統(tǒng)就是要將風力機的故障監(jiān)測出來,并發(fā)出警報從而可以及時的進行維修。

　　2. 1　硬件結(jié)構(gòu)

　　本文介紹的風機在線監(jiān)測系統(tǒng)包括信號檢測、數(shù)據(jù)采集、工控主機、顯示打印和電源等5個模塊。

　　(1) 信號檢測模塊

　　信號檢測模塊由傳感器、信號變送器和信號預處理板三部分組成。傳感器采用壓電振動傳感器、鉑電阻溫度傳感器、壓力傳感器和電壓電流傳感器,分別采集電機風機的振動量、關(guān)鍵部件或系統(tǒng)的溫度量、壓力值及電氣系統(tǒng)運行參數(shù)值。

　　推薦型號：8711-01-010加速度傳感器

　　信號變送器對采集到的微弱信號隔離、放大、補償、變換,有較強的抗干擾能力以及遠距離的驅(qū)動能力。信號預處理板主要完成信號放大、噪聲濾波、信號隔離傳輸、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內(nèi),實現(xiàn)對振動、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) 工控主機模塊

　　工控主機是系統(tǒng)的核心,由工業(yè)級PC承擔,完成與各接口模塊通信,實時數(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

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

　　(5) 電源模塊

　　電源采用獨立供電的方式,向變送器和預處理板分別供電。

　　2. 2　軟件結(jié)構(gòu)

　　軟件功能包括:信號操作、狀態(tài)監(jiān)測、分析診斷、狀態(tài)顯示、報警及其它功能等。每項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功能的選擇。

　　(1) 信號操作功能

　　主要完成手動數(shù)據(jù)采集、計算機模擬信號的發(fā)生和監(jiān)測數(shù)據(jù)到分析數(shù)據(jù)的剪貼。手動數(shù)據(jù)采集功能完成單次的程序觸發(fā)采樣。

　　模擬信號發(fā)生器可以根據(jù)需要由計算機產(chǎn)生需要響應的信號如正弦、方波、三角波等信號。信號的頻率、幅值、長度、采樣頻率、占空比等可以根據(jù)需要進行設(shè)置,而且這些信號可以進行組合。

　　數(shù)據(jù)剪貼功能完成即時的監(jiān)測數(shù)據(jù)到分析數(shù)據(jù)的傳輸工作。該功能主要針對振動量信號的操作。

　　(2) 狀態(tài)監(jiān)測功能

　　主要包括初始化設(shè)置和狀態(tài)監(jiān)測。初始化設(shè)置完成以下量值的設(shè)置工作:振動量采樣頻率、采樣長度、濾波頻率、各測點報警值、傳感器安裝方向、定時存數(shù)間隔、定時數(shù)據(jù)追加間隔、定時報表時間間隔、分析數(shù)據(jù)長度、分析數(shù)據(jù)采集頻率、機器轉(zhuǎn)速、聲音報警開關(guān)。監(jiān)測任務主要完成兩部分工作:第一是啟動和停止系統(tǒng)的監(jiān)測工作;第二是選擇監(jiān)測方法。監(jiān)測功能有:時域信號波形監(jiān)測、軸心軌跡監(jiān)測、頻譜監(jiān)測、電氣量模擬表監(jiān)測和數(shù)字列表監(jiān)測等。

　　(3) 分析診斷功能

　　分析診斷功能包括常用的各種監(jiān)測診斷分析方法。具體包括:時域波形、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、時域分析、魏格納分布、逆譜分析、信號濾波、時域頻域聯(lián)合分析、自相關(guān)和互相關(guān)等分析方法。文獻[ 2 ]介紹了頻譜分析法在齒輪箱振動分析上的應用。

　　(4) 狀態(tài)顯示功能
監(jiān)測信息的表達采用了先進的數(shù)字表格、模擬儀表、機器結(jié)構(gòu)簡圖等多種顯示方法。通過機器結(jié)構(gòu)簡圖上傳感器圖標顏色的變化,可以清楚地反映目前設(shè)備的各個部件運行狀態(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)測系統(tǒng)

　　Marlin 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[ 2 ] 由狀態(tài)探測器(MCD) 、數(shù)據(jù)管理器(MDM)及PR ISM4 Surveyor應用軟件組成�？赏ㄟ^狀態(tài)探測器(MCD)讀出機器狀態(tài),即2個振動測量值(速度和包絡加速度)和1個溫度測量值。探測器自動把這些讀數(shù)與預設(shè)參數(shù)進行比較,當超出設(shè)定的門限值時,立即向操作人員發(fā)出警報。探測器測出的讀數(shù)可立即顯示和存儲在數(shù)據(jù)管理器(MDM)上,數(shù)據(jù)管理器的主要作用是輸入、存儲和對機器狀態(tài)進行檢查。PR ISM4 Surveyor應用軟件可簡化數(shù)據(jù)的搜集、存儲和分析,繪制出歷史趨勢曲線。

　　風力發(fā)電機組由風輪、齒輪箱及大電機等組成。為了捕獲風資源的需要,整個旋轉(zhuǎn)軸系安裝在幾十米高的塔架上,這就給機組各部位的測量帶來不便。而Marlin狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分狀態(tài)探測器(MCD)和數(shù)據(jù)管理器(MDM)便于隨身攜帶,且狀態(tài)探測器既可以單獨使用,也可與數(shù)據(jù)管理器聯(lián)合使用。因而十分適合對風電機組的重點部位進行狀態(tài)測量。另外系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)既包括振動速度,又包括包絡加速度,因此我們不但可以發(fā)現(xiàn)低頻到中頻的故障,如不平衡、不對中、轉(zhuǎn)子彎曲、松動等,又可監(jiān)測到齒輪的缺陷。

　　但是,Marlin狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對測量數(shù)據(jù)進行的趨勢分析,僅能看到其在一段時間內(nèi)的總體水平;如果發(fā)現(xiàn)了某些測量點的數(shù)值超出報警限值,也僅能做出一個早期故障的判斷,而對于故障的具體來源及原因便無從得知,這時就需要借助更為先進的工具來做進一步的分析,如FFT頻譜分析、頻譜趨勢分析、時間波形分析、小波分析等,以便對故障做出準確判斷。這是在線監(jiān)測和診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計時應該考慮的問題。

　　利用Marlin狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對某風電場NOE2DEX N43 /600KW 風電機組齒輪箱高速段的速度、加速度和溫度進行監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常,經(jīng)開箱后發(fā)現(xiàn)齒輪箱油已經(jīng)嚴重污染,齒輪面已經(jīng)有嚴重的損傷。盡管Marlin狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)存在一些不足,但研究結(jié)果表明該監(jiān)測系統(tǒng)對風電機組進行在線監(jiān)測具有重要的作用。這也正是研究風力發(fā)電機在線監(jiān)測和診斷的一個原因所在。

　　4 　狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場測量點的選擇

　　現(xiàn)場測量點的布置對于風力發(fā)電機在線監(jiān)測和診斷系統(tǒng)來說一直是個難題,至今也沒有得到很好的解決。現(xiàn)場測量點選擇的不同,對于監(jiān)測系統(tǒng)信號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)目前風電機組的實際運行情況,通常齒輪箱齒輪及其軸承、發(fā)電機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)測中,可將齒輪箱前后軸承、發(fā)電機前后軸承分別作為測量點[ 3 ] 。

　　這樣做是基于如下的考慮:

　　(1) 當機組的主要軸承失效時,機組必須停機。監(jiān)測軸承振動可以較早發(fā)現(xiàn)軸承故障,這為及早安排必要的維修提供了寶貴時間。

　　(2) 由于軸承承載著機器的負荷,許多典型的機械問題如不平衡、不對中、松動等都會將振動信號傳給軸承。因此通過監(jiān)視軸承的振動,就會同時發(fā)現(xiàn)上述典型機械故障及軸承缺陷。

　　在測軸承的振動時,測量點應盡量靠近軸承的承載區(qū);與被監(jiān)測的轉(zhuǎn)動部件最好只有一個界面,盡可能避免多層相隔以減少振動信號在傳遞過程中因中間環(huán)節(jié)造成的能量衰減;測量點必須要有足夠的剛度。

　　從信號頻段的角度來考慮,由于不同的故障、不同的頻段在測試方向上的敏感程度不同,故在旋轉(zhuǎn)機械振動信息的采集上,對于低頻信號(工頻5倍以上)分垂直、水平、軸向3個方向;對高頻信號對高頻信號( 1 kHz以上) ,由于對方向性不太敏感,故只測垂直或水平一個方向即可。這是因為低頻信號的方向性較強,而高頻信號對方向不敏感的緣故。為了保證所測數(shù)據(jù)的可比性,測點一經(jīng)選定就應做出相應標記,以使每次測量都在同一測點上進行,同時保證每次測量時設(shè)備的工況都相同。在選擇測點時還應考慮環(huán)境因素的影響,盡可能地避免選擇高溫、高濕、出風口和溫度變化劇烈的地方作為測量點,以保證測量結(jié)果的有效性。有研究結(jié)果表明,在測高頻振動時,由于測量點的微小偏移(幾毫米) ,就會造成測量值相差幾倍(高達6倍) 。

　　基于以上測點選取的原理,根據(jù)風力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)特點、性能參數(shù)和工作原理,同時根據(jù)積累的現(xiàn)場測試經(jīng)驗,大致確定風力發(fā)電機組的測試點如圖1所示。

　　5　結(jié)論

　　目前對風力發(fā)電機組在線狀態(tài)監(jiān)測的研究還十分有限。對于齒輪箱齒輪、軸承故障診斷的研究都還處在摸索階段。監(jiān)測系統(tǒng)所設(shè)定的報警限值還存在較大的困難,這些都需要一定的時間和實踐來研究。

　　
　　綜上所述：風力發(fā)電機在線監(jiān)測系統(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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