風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障診斷技術(shù)綜述

張津

摘要：近年來，我國對電能的需求不斷增加，風(fēng)電發(fā)電建設(shè)越來越多。利用風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電在我國電能供應(yīng)中占有一定的比例，對于優(yōu)化我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)具有重要意義。由于風(fēng)電場的運(yùn)行環(huán)境比較惡劣，所以增加了風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)生故障的幾率。為了保證風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定供應(yīng)，可對風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)，及時(shí)監(jiān)控發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，提高故障診斷和維修效率，確保電能的穩(wěn)定供應(yīng)。文章首先對風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)的必要性進(jìn)行分析，然后闡述了狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用，對于提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率具有重要意義。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī);狀態(tài)監(jiān)測;故障診斷;技術(shù)分析

引言

發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)對能源的損耗較小，不會對環(huán)境造成較大污染。該機(jī)組的燃料不僅有天然氣，還有多種有害氣體，運(yùn)行過程安全、環(huán)保，有效降低了污染物的排放，符合熱電聯(lián)產(chǎn)的要求，應(yīng)用前景極為廣闊。在發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行過程中，必須采取有效的措施予以防范，并做到發(fā)生故障及時(shí)處理與解決，盡量避免發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障問題。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組故障特性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的使用壽命一般為 20～25 年，大部分風(fēng)電機(jī)組安裝在草原牧區(qū)、高原地帶、沿海島嶼、山區(qū)等區(qū)域，這些區(qū)域的自然環(huán)境都非常惡劣。風(fēng)電機(jī)組長期在沙塵、低溫、冰雪、雷電、風(fēng)暴等惡劣環(huán)境中工作，加之荷載及風(fēng)速對其的影響，使得機(jī)組的實(shí)際工作狀況異常復(fù)雜，很容易造成風(fēng)電機(jī)組的相關(guān)零部件在實(shí)際的壽命期當(dāng)中產(chǎn)生損壞和發(fā)生故障。小的故障造成風(fēng)機(jī)停機(jī)，損失風(fēng)電場發(fā)電量;大的故障造成大部件（如發(fā)電機(jī)，齒輪箱，軸承，葉片等）損壞。一旦造成大部件的損壞，大部件的更換、運(yùn)輸、吊裝、長時(shí)間的停機(jī)會給風(fēng)機(jī)制造商和風(fēng)電場造成巨大的損失。由于風(fēng)電機(jī)組的高度一般在 70～90 m 之間，機(jī)組內(nèi)有大量的機(jī)械部件和電氣部件，還有油脂及其他化學(xué)制劑。大型故障甚至可能造成火災(zāi)、觸電、機(jī)械傷害和人員墜落等人員傷害，甚至死亡。

2 狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用

2.1 齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷

齒輪箱作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)中連接主軸和發(fā)電機(jī)的重要部件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和受力情況比較復(fù)雜，尤其是在運(yùn)行工況和載荷發(fā)生變化的情況下，發(fā)生故障的幾率會有所增加。由于齒輪箱故障而導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障的占比較大，不僅維修成本高，且因?yàn)橥C(jī)所造成的發(fā)電量損失巨大，所以對齒輪箱進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷非常重要。齒輪和軸承是齒輪箱比較常見的故障部位，斷齒、齒面疲勞、膠合是齒輪常見故障類型，磨損、點(diǎn)蝕、裂紋、表面剝落是軸承常見故障類型，任何一種故障類型都會影響到齒輪箱的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)規(guī)模的擴(kuò)大，對齒輪箱的性能要求也越來越高，所以要保證齒輪箱的安全可靠運(yùn)行。振動監(jiān)測和溫度監(jiān)測在齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測中比較常用，振動監(jiān)測主要是利用振動測量儀器對齒輪箱的振動頻率進(jìn)行檢測紀(jì)錄，然后將測得的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，從而發(fā)現(xiàn)齒輪箱中各部件的運(yùn)行狀態(tài)。故障特征頻率是判斷齒輪和軸承健康狀態(tài)的重要指標(biāo)，所以通過時(shí)域信號統(tǒng)計(jì)能夠初步診斷出齒輪箱故障點(diǎn)及原因，然后再利用快速傅里葉變換和功率譜對初步診斷的結(jié)果進(jìn)行再次確認(rèn)。溫度測量法主要是通過溫度傳感器對齒輪箱零部件運(yùn)行過程中的溫度變化進(jìn)行識別和診斷，通過與常態(tài)進(jìn)行對比，能夠及時(shí)獲知齒輪箱零部件的狀態(tài)信息。

2.2 轉(zhuǎn)子不對中故障診斷

風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為大型機(jī)械設(shè)備，發(fā)電機(jī)組通常放置在離地面幾十米的高空中，而且受到風(fēng)力的作用，安裝笨重的發(fā)電機(jī)組難度較大，無法保證轉(zhuǎn)子精準(zhǔn)的對中安裝。若轉(zhuǎn)子未能保持在對中狀態(tài)，此時(shí)，發(fā)電機(jī)組在長期運(yùn)行過程中，在風(fēng)力以及運(yùn)行高溫共同影響下，齒輪箱內(nèi)的阻尼器會出現(xiàn)變形，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和軸承無法保持在對中狀態(tài)，此時(shí)，發(fā)電站機(jī)組會出現(xiàn)不規(guī)律振動，致使前后旋轉(zhuǎn)裝置軸心無法保持在同一條直線狀態(tài)，從而引發(fā)軸承出現(xiàn)故障。轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不對中的故障，除了安裝難度較大以外，還由于以下原因?qū)е碌模旱谝?，運(yùn)動狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子，會由于該變量發(fā)生的變化，導(dǎo)致從動轉(zhuǎn)子與主動轉(zhuǎn)子間，產(chǎn)生不同的動態(tài)情況;第二，承載轉(zhuǎn)子軸承座出現(xiàn)不同的膨脹情況;第三，機(jī)殼出現(xiàn)變形或者位移情況;第四，發(fā)電機(jī)所處地基出現(xiàn)不均勻沉降;第四，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)彎曲情況，引發(fā)機(jī)組出現(xiàn)不平衡的旋轉(zhuǎn)情況。

2.3 線圈故障預(yù)防措施

線圈故障大多是由于絕緣層失效導(dǎo)致的，因此絕緣層就可以作為制定線圈故障預(yù)防措施的關(guān)鍵所在。首先，保證線圈的質(zhì)量是非常關(guān)鍵的，因此廠家需要在選擇線圈的材料上做綜合考慮。保障線圈的材質(zhì)會使線圈能忍受摩擦的時(shí)間加長，絕緣效果保持的時(shí)間也會變長。此外，維修人員還需要定期檢查線圈的磨損情況和絕緣效果以防止線圈有被電壓擊穿的可能。在發(fā)現(xiàn)線圈磨損嚴(yán)重時(shí)需要對線圈進(jìn)行及時(shí)的更換以避免出現(xiàn)安全隱患。其次，線圈的磨損情況和工作時(shí)間是成正相關(guān)的，發(fā)電廠可以增加發(fā)電機(jī)的數(shù)量來分擔(dān)每臺發(fā)電機(jī)的任務(wù)量。從而在使供電要求得到滿足的情況下增加線圈的使用壽命。

2.4 發(fā)電機(jī)故障診斷

發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障，可分為定子繞組故障和軸承故障。出現(xiàn)定子繞組故障時(shí)，繞組出現(xiàn)破壞、磨損以及裂紋等情況，此時(shí)繞組無法提供絕緣功能。出現(xiàn)軸承故障時(shí)，不同部分的故障會產(chǎn)生不同的振動信號，以轉(zhuǎn)子不對中為例，會將這類問題歸納為偏心故障。此外，轉(zhuǎn)子和定子是由軸承支撐，軸承會承受較大的徑向負(fù)荷，在較大的荷載作用下，導(dǎo)致軸承出現(xiàn)故障。通常情況下，軸承會出現(xiàn)內(nèi)外圈損壞、點(diǎn)蝕以及磨損等情況，而且軸承在振動狀態(tài)下，會提升出現(xiàn)故障的概率。

2.5 其他部件的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷

電氣系統(tǒng)也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的重要組成部分，通過變頻器等電氣設(shè)備向電網(wǎng)輸送電能，并且對電氣系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的控制。電氣系統(tǒng)中比較常見的故障主要有短路、過電壓、過電流及過溫等，任何故障的發(fā)生都可能造成發(fā)電機(jī)的損壞。根據(jù)電氣系統(tǒng)的故障特點(diǎn)，主要是采取性能參數(shù)檢測的方法，對輸出電壓、電流、功率及溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，然后與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，從而判斷電氣系統(tǒng)的健康狀態(tài)。對于液壓傳動系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷主要是通過油液監(jiān)測的方法來完成，對潤滑油及液壓油中的顆粒物進(jìn)行檢測，通過顆粒的形狀、粒徑、狀態(tài)等來判斷液壓系統(tǒng)中出現(xiàn)故障的部位，從而采取相應(yīng)的防控手段。對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)中各部件的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，主要是根據(jù)各部件的運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài)來決定采取哪種監(jiān)測方式，只有最適宜的方式才能夠確保獲取最佳的監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后通過對數(shù)據(jù)的分析和整理，再制定出相應(yīng)的防控措施。通過對狀態(tài)監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)分析，還能夠?yàn)轱L(fēng)機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供有力的參考依據(jù)，所以要保證數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語

綜上所述，為了保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)整體運(yùn)行狀態(tài)的順暢與穩(wěn)定電廠發(fā)電機(jī)的各個(gè)部位都需要保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，否則就無法保證生產(chǎn)效率的提高，同時(shí)還有可能會造成加劇用電量消耗的情況。因此，作為電廠的維修人員要將預(yù)防措施落到實(shí)處，并對發(fā)電機(jī)進(jìn)行及時(shí)的清潔、維護(hù)和監(jiān)控。

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