風(fēng)力發(fā)電機組旋轉(zhuǎn)機械的故障診斷技術(shù)

國華瑞豐（榮成）風(fēng)力發(fā)電有限公司 潘山坡

1 引言

隨著人類社會、各行各業(yè)對資源的需求量不斷增加，面對資源匱乏的生存與發(fā)展難題，水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等一些可再生的資源能源開始備受關(guān)注。在這種形勢下，風(fēng)力發(fā)電及其相關(guān)技術(shù)也變得更加成熟化。包括風(fēng)電機組的操作層面、系統(tǒng)設(shè)計層面、安全運行層面，界內(nèi)均加大了研發(fā)與設(shè)計，旨在更好地確保風(fēng)力發(fā)電機組能夠正常工作。但即便如此，風(fēng)力發(fā)電機組在運行工作中依然會很容易出現(xiàn)一些潛在的危險、事故等，需要充分重視起來。結(jié)合現(xiàn)實來看，最常見的故障、安全事故之一就是發(fā)電機組的旋轉(zhuǎn)機械的運行問題。

2 風(fēng)力發(fā)電機組的應(yīng)用概述

2.1 風(fēng)力發(fā)電機組的運行原理

關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機組，風(fēng)電機組的運行工作，實質(zhì)是利用風(fēng)輪上的葉片，順勢將風(fēng)的動能合理轉(zhuǎn)變成為機械能。隨著機組旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)動和運行工作，繼而為發(fā)電機的運轉(zhuǎn)提供了較為充足的能源。雖然風(fēng)力發(fā)電與水力發(fā)電、光伏發(fā)電相比，對再生資源的整體利用率很有限，但依然能夠為不少資源匱乏地區(qū)、生態(tài)環(huán)保重點建設(shè)地區(qū)提供較多的風(fēng)電資源。

風(fēng)電機組由多個不同部位結(jié)構(gòu)來構(gòu)成。包括發(fā)電機設(shè)備、高速軸、主軸、輪轂、主軸軸承、齒輪箱等。風(fēng)電機組主軸設(shè)備如圖1所示。

圖1 風(fēng)電機組主軸設(shè)備

葉片的作用是讓整個機械設(shè)備可以獲得風(fēng)能。其中，輪轂是主體轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)與葉片進行連接的基礎(chǔ)部件。主軸軸承所起到的作用就是負(fù)責(zé)風(fēng)輪、齒輪箱的工作，而發(fā)電機可以進一步將工作中的機械能順勢轉(zhuǎn)化成為電能。風(fēng)電機組風(fēng)機輪轂-葉片結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 風(fēng)電機組風(fēng)機輪轂-葉片結(jié)構(gòu)

風(fēng)電機組各個部位、部件彼此間相互銜接，起到著相互輔助和相互保護的作用。所以，確保各個部件、組件的質(zhì)量和性能，也就意味著提高了風(fēng)力發(fā)電機組的整體保障性、整體運行安全性。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)險要素分析

對于大型的風(fēng)力發(fā)電機組而言，安裝設(shè)計好之后并非一勞永逸的，而是需要做好監(jiān)督與性能監(jiān)測，防止出現(xiàn)意外或突發(fā)事故。結(jié)合風(fēng)能發(fā)電工程項目的實際應(yīng)用現(xiàn)狀，將影響風(fēng)力發(fā)電機組正常工作、安全運行的一些潛在風(fēng)險隱患，歸納為影響發(fā)電機組安全的風(fēng)險要素。對日常工作情況、故障診斷現(xiàn)狀、不同問題的出現(xiàn)頻率，歸納為三類不同的風(fēng)險要素。風(fēng)力發(fā)電機組常見的風(fēng)險要素詳見表1。

表1 風(fēng)力發(fā)電機組常見的風(fēng)險要素

第一類風(fēng)險要素：風(fēng)力發(fā)電機組中的傳動鏈。傳動鏈直接影響著整個風(fēng)力發(fā)電的效率。結(jié)合多地的大型風(fēng)力發(fā)電機組工程來看，傳動鏈主要是由主軸承、風(fēng)輪、齒輪箱和發(fā)電機等部件構(gòu)成。

研究取證和查閱了本地以及周邊多個縣市地區(qū)大型風(fēng)力發(fā)電機組的數(shù)據(jù)記錄、維修記錄。從中發(fā)現(xiàn)，傳動鏈的風(fēng)險基本來源于“超速”，即風(fēng)力發(fā)電機組在超速運行狀態(tài)下，會直接影響傳動鏈各零部件。風(fēng)輪、葉片等在轉(zhuǎn)動過程中，長時間超速，脫離控制，會造成傳動鏈或者整個發(fā)電機組都發(fā)生損毀。

在風(fēng)險的具體評估方面，技術(shù)人員一般直接選取傳動鏈上一個部件的轉(zhuǎn)速，來進行評判。正是出于該方面的考慮，所以在整個風(fēng)力發(fā)電機組最初的功能設(shè)計層面，最關(guān)注的就是機組各系統(tǒng)的安全性能。當(dāng)發(fā)現(xiàn)該部件出現(xiàn)了明顯的超速情況時，設(shè)置的安全系統(tǒng)會在第一時間上傳輸入。

第二類風(fēng)險要素：重要子系統(tǒng)中包括變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、變流器、振動監(jiān)測系統(tǒng)。振動監(jiān)測系統(tǒng)是近幾年界內(nèi)技術(shù)研發(fā)投入與關(guān)注最多的技術(shù)板塊。振動監(jiān)測系統(tǒng)的功能較多，尤其是在發(fā)電機組的各類故障診斷與分析層面，效果也比較理想。

重要子系統(tǒng)中的常見故障與風(fēng)險隱患[1]，主要來源于各個系統(tǒng)部件的操作。以偏航系統(tǒng)為例，在偏航系統(tǒng)中有一個扭纜限位開關(guān)，開關(guān)的作用就是用來保護電纜不過度扭纜。但開關(guān)一旦出現(xiàn)一些意外情況，整個風(fēng)電機組的電氣系統(tǒng)會直接被破壞，導(dǎo)致系統(tǒng)損毀與失效。再以變槳系統(tǒng)為例，變槳系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機組的氣動剎車機構(gòu)。如果氣動剎車失效，有可能會直接損毀整個機組。振動監(jiān)測系統(tǒng)在工作運行中，也容易出現(xiàn)一些故障。如利用振動監(jiān)測系統(tǒng)來檢查機組各部位、各個運行工作階段的振動情況、整體運行數(shù)據(jù)情況等。這也就意味著，無論是由于技術(shù)原因還是人為操作，使得振動監(jiān)測系統(tǒng)失靈，所有的數(shù)據(jù)、指標(biāo)也可能都是混亂的，一旦失靈失效，可能導(dǎo)致整個風(fēng)電機組嚴(yán)重?fù)p毀。

重要子系統(tǒng)是大型風(fēng)力發(fā)電機組安全系統(tǒng)的必須輸入，也是各地單位和技術(shù)檢修維護人員最需要重點考慮的風(fēng)險要素。

第三類風(fēng)險要素：風(fēng)力發(fā)電機組中的控制系統(tǒng)[2]?？刂葡到y(tǒng)是最后的防線，包括重要子系統(tǒng)、傳動鏈等，均受到總控制系統(tǒng)的保護?？刂葡到y(tǒng)處于整個機組的邏輯控制保護層，也就是PLC（控制器）。在運行工作中，當(dāng)PLC 失效，機組的控制系統(tǒng)為了確保整個機組的安全，會第一時間發(fā)出指令，命令機組停機。

3 風(fēng)力發(fā)電機組旋轉(zhuǎn)機械故障分析

風(fēng)電機組尤其是大型的風(fēng)電機組在工作運行期間，無論是因何種原因所導(dǎo)致出現(xiàn)的故障和問題，如三大類風(fēng)險要素，絕大多數(shù)情形下基本都是表現(xiàn)為“轉(zhuǎn)動問題”。因為風(fēng)電機組得以實現(xiàn)發(fā)電，直接的作用就體現(xiàn)在機組通過風(fēng)輪葉片等設(shè)備部件的轉(zhuǎn)動，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能、電能。所以，風(fēng)力發(fā)電機組在工作運行中，無論是因何種風(fēng)險要素，經(jīng)常遇到的故障基本都是風(fēng)輪轉(zhuǎn)動過程中的異常。比如，異常響聲，超速轉(zhuǎn)動、葉片結(jié)構(gòu)破損或者出現(xiàn)裂縫、機艙罩晃動等。一旦出現(xiàn)以上各類情況，應(yīng)第一時間及時監(jiān)測和應(yīng)對，否則很有可能造成不必要的人員傷亡、財產(chǎn)破壞。

究其根本，以上故障和異常情況，基本與旋轉(zhuǎn)機械的異常不可分離。

3.1 溫度檢測或油液檢測旋轉(zhuǎn)機械故障

如旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)動速度在運行中，未能安全要求達(dá)到既定的標(biāo)準(zhǔn)，很大程度上是受到了剎車片的影響，即剎車片的作用被削弱了。這種情況下，結(jié)合以往的故障案例來看，很多情形下會進一步造成彈簧結(jié)構(gòu)失效。一旦發(fā)現(xiàn)不夠及時，隨著工作運行的持續(xù)，會使得發(fā)電機組轉(zhuǎn)子和定子持續(xù)接觸摩擦，加劇風(fēng)電機組的故障。極端情況下，發(fā)電機組停止工作后，風(fēng)輪依然繼續(xù)轉(zhuǎn)動。再加上大型的機械設(shè)備本身靈活性也比較差一些，所以無法及時調(diào)向，包括風(fēng)電機組的控制系統(tǒng)（安全系統(tǒng)），也有可能無法有效控制。之所以如此，很大程度上已經(jīng)徹底表明旋轉(zhuǎn)機械已經(jīng)失靈、失控。如調(diào)向裝盤軸承中的潤滑油效果很差，因超速轉(zhuǎn)動，還有可能引發(fā)火災(zāi)等。這也是日常的檢修維護、系統(tǒng)檢查中，容易疏忽的細(xì)節(jié)問題。

在日常的維護管理中，建議合理利用溫度檢測技術(shù)、油液監(jiān)測技術(shù)。如油液檢測，檢測油液的質(zhì)量情報與數(shù)據(jù)分析[3]，可以幫助控制系統(tǒng)的后臺或者技術(shù)維護人員，及時針對與油液接觸的部件的運行情況加以綜合分析。運用有效的方法針對污染程度進行測試。當(dāng)下，風(fēng)力發(fā)電機組的油液分析往往都是利用離線檢查技術(shù)來進行的，而與早些年相比，近幾年界內(nèi)的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟，可以勝任和滿足這一點。比如像傳感器技術(shù)等，已經(jīng)得到了全面的發(fā)展進步，從而為油液檢測工作的發(fā)展創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)。

3.2 振動檢測旋轉(zhuǎn)機械故障

眾所周知，機組中旋轉(zhuǎn)機械故障的發(fā)生類型還有很多，如摩擦問題[4]、機械松動問題、軸裂縫問題，如此種種。如上文中提到的風(fēng)輪在轉(zhuǎn)動過程的異常響聲、摩擦聲等，一旦響聲異常、摩擦聲非常大的話，隨后一段時間內(nèi)，機艙罩也會隨之晃動，葉片等結(jié)構(gòu)也會出現(xiàn)裂縫的情況。關(guān)于這一點，大量的工程實例已經(jīng)證明，主要原因是風(fēng)輪軸承底部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了破損，繼而導(dǎo)致這種故障的發(fā)生。同理，如果齒輪箱軸承也存在破損，同樣也會造成風(fēng)輪葉片脫落、結(jié)構(gòu)裂縫等故障的發(fā)生，因為這種運行狀態(tài)之下，葉片無法承受沖擊力，使得槳葉的轉(zhuǎn)動速度一直處于異常狀態(tài)。

對于此類故障的排除、檢修、診斷分析，還是建議要做好日常的巡護、系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測報告。振動檢測技術(shù)應(yīng)用其中，可以對軸承、齒輪、發(fā)電機軸承、主軸等[5]，對各個部件的振動情況與數(shù)據(jù)記錄，可以實現(xiàn)全過程監(jiān)控與分析，幫助管理人員及時獲得較為準(zhǔn)確的故障信息。

4 結(jié)語

目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電機組項目的建設(shè)，無論是技術(shù)保障、安全性能、穩(wěn)定工作等各個方面，均得到了空前的提升。未來隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的逐步成熟，將為中國經(jīng)濟、為全球經(jīng)濟的發(fā)展作出巨大貢獻。本文研究中，也結(jié)合當(dāng)?shù)氐拇笮惋L(fēng)力發(fā)電機組在過往的工作運行現(xiàn)狀，基于常見的一些故障問題，從技術(shù)保障、細(xì)節(jié)監(jiān)測管理層面，提出了一些對策建議。