風力發(fā)電機組振動監(jiān)測的超標問題研究

崔夕峰，王建梅，寧 可

(1.太原重工新能源裝備有限公司,太原 030024；2.太原科技大學 山西省冶金設(shè)備設(shè)計理論與技術(shù)重點實驗室，太原 030024)

近年來，隨著能源危機的日益突出。風能以其清潔性、可再生性，越來越受到世界各國的重視，風電機組裝機容量迅猛增長。[1]隨即導致風機設(shè)備市場競爭的激烈程度不斷加劇，廠商紛紛通過加大葉片、增高鐵架、提升風機體積的方式來提高經(jīng)濟效益；風機承受的風力載荷越來越大，發(fā)電機以及軸承、齒輪箱等設(shè)備的故障率不斷升高。[2-4]又由于風力發(fā)電機組大多處于環(huán)境惡劣的偏遠地區(qū)，設(shè)備維修成本較高，為最大限度減少維修支出，同時降低惡性故障發(fā)生的幾率，就必須在風電組件進入加劇磨損期前通過維護措施延長使用壽命，并在其即將損壞前及時更換維修[5]。

通過對近年來風電機組故障的統(tǒng)計分析可以得出：在故障次數(shù)上，雖然發(fā)電機、齒輪箱和主軸只占各類故障停機次數(shù)權(quán)重的18.1%， 但在停機時間上的統(tǒng)計已經(jīng)占到了68.7%[6]。因此，加強對發(fā)電機、主軸、齒輪箱等關(guān)鍵部件的狀態(tài)監(jiān)測，采用預(yù)知維修和故障診斷技術(shù)及時發(fā)現(xiàn)故障隱患、快速分析、診斷、處理故障，對保障風力發(fā)電機組安全運行有著重要意義。在此基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)的風電機組振動狀態(tài)監(jiān)測分析與故障診斷系統(tǒng)，使用集散式拓撲結(jié)構(gòu)，通過安裝于每臺風機機艙的數(shù)據(jù)采集裝置實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集，再利用設(shè)立在風場升壓站的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)完成分析功能。[7]而在設(shè)備監(jiān)測過程中，振動超標現(xiàn)象時有發(fā)生，隨即導致風機強制停機，嚴重影響發(fā)電效率，降低風機的使用壽命。本文以某廠2MW發(fā)電機振動測試為例，對振動超標問題進行初步的探索研究。

1 風力發(fā)電機組振動監(jiān)測介紹及超標原因分析

以2 WM風電機組作為研究對象，當風速達到3 m/s左右，以切入風速實現(xiàn)風機初次并網(wǎng)，風速達到9 m/s左右發(fā)出額定功率，當風速達到22 m/s時切出停機[8]。隨著風速的變化，風機狀態(tài)改變較大，且極不穩(wěn)定，因此，在監(jiān)測過程中機組本身固定一些永久性監(jiān)測點的難度較大，通常在機組外部加裝一些監(jiān)測點。振動監(jiān)測通常利用測量軸系各支撐點的瓦振，再借助速度傳感器得到瓦振的振動速度幅值、相位，或者進行積分得到瓦振的振動位移幅值、相位?；诖送瓿烧駝訑?shù)據(jù)的采集和振動標準的擬定。其中VDI3834標準是被國內(nèi)外大多數(shù)知名企業(yè)所接受的風機振動評測標準，見表1.其中，評估參數(shù)位于區(qū)域A為風電機組及其組件適合在其振動載荷下連續(xù)運行，區(qū)域B為不適合持久性地運行，區(qū)域C為危險區(qū)域，當機組各主要部件振動程度低于區(qū)域界線A/B標準值時，表示振動狀態(tài)良好；振動程度高于區(qū)域界線B/C標準值，表示振動處于危險區(qū)域；振動程度處于兩邊界值之間時，表示振動處于報警區(qū)，不宜長期連續(xù)運行。

表1 VDI3834-1振動烈度限幅表( mm/s)
Tab.1 Limited amplitude of VDI3834-1vibration intensity

主軸承齒輪發(fā)電機A/B邊界值2．03．56．0B/C邊界值3．25．610

風電機組在運轉(zhuǎn)中，產(chǎn)生振動過程的監(jiān)測超標問題，一是因為風機本身工作環(huán)境惡劣且結(jié)構(gòu)復(fù)雜使軸承和齒輪箱等關(guān)鍵部件極易受到破壞、產(chǎn)生故障；二是與電機彈性支撐的選定以及監(jiān)測標準的設(shè)定數(shù)值有關(guān)。

針對風機本身的問題，依據(jù)近年來的相關(guān)統(tǒng)計，在風電機組振動超標的所有故障中，齒輪箱和軸承的故障率占總權(quán)重的近80%[9]，分析其故障產(chǎn)生的可能性因素，首先是變載荷的重載狀態(tài)下，齒輪箱、軸承等關(guān)鍵部件在運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生大量熱量，容易造成潤滑劑溫度過高發(fā)生失效，進而導致軸承、齒輪箱等部件產(chǎn)生故障[10]。其次設(shè)計制造上的缺陷也是導致故障產(chǎn)生的重要因素，由于軸承、齒輪等部件在承載能力設(shè)計過程中，一般不是取實際運行的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，而是按照常規(guī)標準，造成廠商選用的應(yīng)用系數(shù)普遍偏低，再加上實際運行過程中風載荷的不穩(wěn)定性，使得理論設(shè)計值與實際要求值存在一定偏差，容易引發(fā)機組故障[11]。此外，油液泄漏、軸不對中、斷齒、斷軸等都會引起振動超標、機組故障，必須根據(jù)反饋數(shù)據(jù)，具體問題具體分析。

針對電機彈性支撐的選定以及超標標準的設(shè)定問題，主要是由于企業(yè)標準設(shè)定環(huán)節(jié)缺乏足夠的實驗檢驗，往往采用常規(guī)數(shù)據(jù)，沒有針對具體風場、溫度、氣候進行有效的數(shù)據(jù)規(guī)整。這些需要相關(guān)企業(yè)在設(shè)計制造、檢驗檢測環(huán)節(jié)進行大量的風機試驗、數(shù)據(jù)處理，而我國風電產(chǎn)業(yè)起步較晚，實驗檢測水平較低，相關(guān)制度仍不完善，風電廠商在這些方面還存在很大欠缺，再加上監(jiān)測設(shè)備主要依靠進口，在數(shù)據(jù)標準的設(shè)定上仍需要進行很深入的探究。

2 風力發(fā)電機組振動測點布置及傳感器選擇

通過對風力發(fā)電機組和振動監(jiān)測設(shè)備現(xiàn)場工作情況的具體分析，在前后軸承、齒輪箱齒輪和發(fā)電機等部位較容易出現(xiàn)振動超標，產(chǎn)生設(shè)備故障[10]?？紤]到風機運轉(zhuǎn)的具體情況及測試的方便性，將振動傳感器主要布置在主軸、齒輪箱和發(fā)電機上。

以2 MW風電機組作為研究對象，在主軸監(jiān)測布置中，因為機組整體一般為單主軸承結(jié)構(gòu)，主軸自身只承載少量的軸向推力，發(fā)生故障時的特征主要表現(xiàn)在徑向上，因此在主軸承上安裝一個徑向振動傳感器即可達到監(jiān)測目的。齒輪箱齒輪監(jiān)測主要考慮齒輪箱與高速軸聯(lián)接的斜齒齒輪結(jié)構(gòu)，在運行過程中會產(chǎn)生連續(xù)的軸向推力，因此，不僅要在高速軸軸向部位安裝傳感器實現(xiàn)對軸不對中問題的監(jiān)測，而且還應(yīng)在發(fā)電機驅(qū)動端軸向部位加裝一個傳感器提升監(jiān)測效率。除此之外，在發(fā)電機兩端徑向位置布置的傳感器監(jiān)測到明顯的轉(zhuǎn)頻信號后，驅(qū)動端軸向傳感器監(jiān)測的頻譜圖也可以有效地完成對轉(zhuǎn)子彎曲或者轉(zhuǎn)子不平衡故障的監(jiān)測[12]。根據(jù)以上監(jiān)測原理確定安裝布置方案如表2，振動傳感器的布置位置如圖1.

表2 風電機組振動測點布置表
Tab.2 Measurement points layout of wind turbine group

測點名稱測點數(shù)量傳感器備注機組主軸承1低頻速度傳感器水平齒輪箱輸入軸2低頻速度傳感器徑向、軸向發(fā)電機前軸承2速度傳感器徑向、軸向發(fā)電機后軸承1速度傳感器徑向轉(zhuǎn)速1光電傳感器

圖1 風力發(fā)電機組振動測點布置示意圖
Fig.1 Diagram of vibration measurement

圖2 測量現(xiàn)場
Fig.2 Measurement scenepoint layout of wind turbine group

3 具體實例分析及問題解決

某型號2 MW發(fā)電機各項性能指標在廠內(nèi)試驗測試中均符合相關(guān)標準。但根據(jù)客戶反映，在某彈性支撐上轉(zhuǎn)速1 200 rpm 時振動超標問題嚴重，具體數(shù)據(jù)如表3.

由表3可知，電機在1 200 rpm時，底腳的振動接近甚至大于軸承的振動，經(jīng)過整機勘測，機組本身不存在設(shè)備故障，由此推斷電機在1 200 rpm時的振速幅值可能與安裝基礎(chǔ)和彈性支撐有關(guān)。針對該型號電機的超標問題，總結(jié)歸納可能的原因一是彈性支撐的選取問題，二是超標標準的設(shè)定問題。隨后通過試驗臺進行5種剛度為彈性支撐的全轉(zhuǎn)速振動試驗來驗證以上推論并通過試驗求取彈性支撐與電機的最佳匹配度。

實驗儀表選用光電轉(zhuǎn)速儀，加速度傳感器等，測量現(xiàn)場見圖2.被測電機為隨機抽取的兩臺2 MW發(fā)電機(按照測量順序標為1#機和2#機)，分別選擇某型號剛度為15 kN/mm、12.5 kN/mm、9 kN/mm、4 kN/mm的彈性支撐作為電機支撐。求取電機空載工況在剛性支撐和不同彈性支撐下的全轉(zhuǎn)速振速曲線(2～1 000 Hz).

表3 某型號電機1 200 rpm時振速數(shù)據(jù)( mm/s)
Tab.3 A model generator velocity data at 1 200 rpm

1#電機剛性基礎(chǔ)兩端軸承振動隨轉(zhuǎn)速變化曲線如圖3所示，電機振動數(shù)值隨著轉(zhuǎn)速的增加呈增大趨勢，但數(shù)值普遍較小，1 800 rpm 振速最大為1.55 mm/s.電機在彈性為15 kN/mm下兩端軸承的振動隨轉(zhuǎn)速的變化如圖4所示，電機全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)出現(xiàn)峰值轉(zhuǎn)速分別為760 rpm、920 rpm、1 320 rpm，現(xiàn)場測量的1 200 rpm 偏離峰值。12.5 kN/mm彈性支撐下兩端軸承振動隨轉(zhuǎn)速曲線如圖5所示，峰值轉(zhuǎn)速分別為1 180 rpm、1 240 rpm、1 620 rpm、1 760 rpm，現(xiàn)場測量的1 200 rpm接近峰值。9 kN/mm 彈性支撐下兩端軸承振動隨轉(zhuǎn)速曲線如圖6所示，峰值轉(zhuǎn)速分別為760 rpm、920 rpm、1 320 rpm，現(xiàn)場測量的1 200 rpm偏離峰值。4 kN/mm彈性支撐下兩端軸承振動隨轉(zhuǎn)速曲線如圖7所示，峰值轉(zhuǎn)速分別為600 rpm、780 rpm、1 140 rpm，現(xiàn)場測量的1 200 rpm在峰值回落區(qū)，1 200 rpm 以上至額定轉(zhuǎn)速無峰值。

2#電機僅對剛性基礎(chǔ)兩端軸承振動隨轉(zhuǎn)速變化進行試驗，曲線如圖8所示，電機在剛性支撐下，全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)振速最大1.7 mm/s，振動規(guī)律與1#電機相同。

圖3 1#電機剛性基礎(chǔ)兩端軸承振動曲線
Fig.3 The vibration curves at the both ends of bearings on 1#wind turbines of rigid foundation

圖4 彈性支撐剛性為15 kN/mm時振動曲線
Fig.4 The vibration curves of elastic support stiffness 15 kN/mm

圖5 彈性支撐剛性為12.5 kN/mm時振動曲線
Fig.5 The vibration curves of elastic support stiffness 12.5 kN/mm

圖6 彈性支撐剛性為9 kN/mm時振動曲線
Fig.6 The vibration curves of elastic support stiffness 9 kN/mm

圖7 彈性支撐剛性為4 kN/mm時振動曲線
Fig.7 The vibration curves of elastic support stiffness 4 kN/mm

圖8 2#電機剛性基礎(chǔ)兩端軸承振動
Fig.8 The vibration curves at the both ends of bearings on 2#wind turbines of rigid foundation

通過以上測試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：(1)試驗電機剛性支撐下振動良好，振速均小于2.3 mm/s，符合GB/T10068-2008標準[13]對電機振動的要求；(2)電機在彈性支撐下，會出現(xiàn)多個由電機與彈性支撐共振造成的振動峰值；(3)隨著剛度的變化，電機振動峰值點也在發(fā)生變化。其中，剛度15 kN/mm、12.5 kN/mm、9 kN/mm均不同程度在發(fā)電機轉(zhuǎn)速1 200 rpm至1 755 rpm有共振較大的峰值點出現(xiàn)；剛度4 kN/mm在發(fā)電機轉(zhuǎn)速從1 200 rpm至1 755 rpm共振峰值較小。(4)系統(tǒng)共振轉(zhuǎn)速和彈性支撐剛度與電機的匹配密切相關(guān)，對于1#電機的多種彈性支撐，剛度4 kN/mm時振動曲線峰值最大轉(zhuǎn)速為1 140 rpm，1 200-1 750 rpm轉(zhuǎn)速區(qū)間再無峰值，彈性支撐與電機匹配度相對較好。

再結(jié)合該型號電機在風場的實際運行狀況，電機轉(zhuǎn)速達到1 200 rpm的切入轉(zhuǎn)速，并且滿足特定持續(xù)運轉(zhuǎn)時間條件后，發(fā)生并網(wǎng)；電機轉(zhuǎn)速達到1 750 r/min后達到額定功率，風機進入最佳出力狀態(tài)。為了降低風機振動損害，應(yīng)該盡量避免振動峰值出現(xiàn)在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。根據(jù)上述試驗結(jié)果，采用剛度4.0～6.0 kN/mm的彈性支撐作為推薦值。

結(jié)合圖7發(fā)電機的振速在6 mm/s以下時不會對發(fā)電機造成有害影響，由此將振動標準設(shè)定為6 mm/s，報警值設(shè)為7.5 mm/s，超過10 mm/s必須停機。選用合適彈性支持和振動標準后，該型號風機振動超標現(xiàn)象明顯減少。

4 結(jié) 論

(1)發(fā)電機組振動超標的原因一方面來自于機組故障本身，另一方面來自于彈性支持的選定或者振動標準值的設(shè)定問題。針對不同的風場、溫度，需要具體問題具體分析，通過大量試驗確定超標原因。

(2)根據(jù)2 MW風機以1 200 rpm作為切入轉(zhuǎn)速，在特定持續(xù)運轉(zhuǎn)時間條件下，發(fā)生并網(wǎng)；風機轉(zhuǎn)速達到1 750 rpm后達到額定功率，為了降低振動損害，應(yīng)盡量避免振動峰值出現(xiàn)在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。根據(jù)試驗結(jié)果，推薦采用剛度4.0～6.0 kN/mm的彈性支撐。

(3)風機的在線振動監(jiān)測時域指標分析方法簡單、快捷，是實現(xiàn)在線報警的良好選擇，但是振動量值的大小缺少參照標準[14]，本文基于風電機組試驗，推薦2 MW風機振動標準設(shè)定為6 mm/s，報警值設(shè)為7.5 mm/s，超過10 mm/s必須停機，同時通過風機風場試驗完全可靠，為相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)參考。

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