振動監(jiān)測技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用

　　摘要 隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組投運(yùn)規(guī)模的擴(kuò)大和運(yùn)行時間的增加，設(shè)備機(jī)械故障趨于常態(tài)化 在線狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)可對風(fēng)機(jī)設(shè)備進(jìn)行故障監(jiān)測和預(yù)防，有計(jì)劃地對其進(jìn)行維護(hù) 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(fēng)電場安裝了振動監(jiān)測系統(tǒng)，對4種機(jī)型，11臺風(fēng)機(jī)進(jìn)行監(jiān)控，重點(diǎn)對主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等進(jìn)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(yùn)行，齒輪箱有輕微不對中征兆，通過對發(fā)電機(jī)振動的分析，認(rèn)為不對中征兆是由發(fā)電機(jī)振動引起，需要進(jìn)行后續(xù)跟蹤確認(rèn)，發(fā)電機(jī)有機(jī)械松動的征兆，表明軸承存在一定的磨損可繼續(xù)運(yùn)行，但要跟蹤振動變化趨勢。

　　1　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)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(fēng)電投資商之一，截至2009-12投運(yùn)的風(fēng)電場裝機(jī)容量已經(jīng)達(dá)到1.2GW，已安裝的風(fēng)機(jī)容量超過1.40GW，投運(yùn)風(fēng)機(jī)達(dá)多臺850，出質(zhì)保期的有105臺合計(jì)120.9目前,國華公司以上的風(fēng)機(jī)仍由廠家維護(hù)，一旦這些風(fēng)機(jī)交由國華公司自行維護(hù)如何保證設(shè)備的正常運(yùn)行將成為一大難題。

　　最近對風(fēng)電機(jī)組的故障進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果在停機(jī)次數(shù)上，風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)、主軸和齒輪箱占18%見圖1，但從停機(jī)的時間上統(tǒng)計(jì)已經(jīng)占到了68.7% 見圖2，2006-2008年國華公司風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)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(fēng)機(jī)齒輪箱，1臺是750KW風(fēng)機(jī)齒輪箱。齒輪箱的損壞對于風(fēng)電場發(fā)電量和維護(hù)成本影響很大。如何保證齒輪箱、發(fā)電機(jī)等機(jī)械零部件的可靠性，做到預(yù)防性維護(hù)，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(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)

　　1）地理位置受限：受風(fēng)資源分布的限制，風(fēng)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(fēng)力發(fā)電行業(yè)仍然處于起步階段,往往缺乏有經(jīng)驗(yàn)的維修人員，運(yùn)行維修技術(shù)還不成熟，有待進(jìn)一步完善

　　3）發(fā)電效益低：受風(fēng)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(yùn)行和維修費(fèi)用高：由于沒有成熟的運(yùn)行和維修經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行和維修成本高，據(jù)國外資料統(tǒng)計(jì)，風(fēng)力發(fā)電廠的運(yùn)行和維修費(fèi)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)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(fēng)機(jī)設(shè)備的可利用率 有計(jì)劃地進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，提高風(fēng)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(fēng)電場的正常運(yùn)行時間，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行工況 降低風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的維修費(fèi)用,提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行安全性。

　　具體表現(xiàn)如下

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

　　2）為制定維修計(jì)劃提供依據(jù)，可在無風(fēng)或枯風(fēng)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(jī)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(fēng)電機(jī)組的大量安裝，國外風(fēng)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(rèn)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(fēng)電場都將狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)作為風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)機(jī)上的應(yīng)用還處于起步階段，目前各大風(fēng)機(jī)制造商開始在各自的風(fēng)機(jī)上試驗(yàn)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(fēng)機(jī)單機(jī)容量的增加和保險市場的成熟，在兆瓦機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)（主軸承座、齒輪箱、發(fā)電機(jī)） 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(jì)，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(yùn)行數(shù)據(jù)，以便進(jìn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)專用普通加速度傳感器5套，風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)機(jī)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(jī)械松動，塔筒振動，葉片振動，電氣故障，共振等風(fēng)機(jī)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(jì)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(fēng)機(jī)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(jìn)行統(tǒng)一的分析，拓寬了風(fēng)機(jī)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(dá)4h

　　8）系統(tǒng)運(yùn)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(diǎn)

　　1）基于趨勢分析，實(shí)現(xiàn)可靠的預(yù)測性維修。

　　2）對于低速部件的故障，實(shí)現(xiàn)更可靠準(zhǔn)確的報警，減少錯誤報警

　　3）針對風(fēng)機(jī)專門制造的傳感器，適用于所有的風(fēng)機(jī)和現(xiàn)場情況

　　4）已經(jīng)獲得勞氏認(rèn)證和安聯(lián)保險的認(rèn)可。

　　4  國華公司風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)施方案

　　國華公司是國內(nèi)在風(fēng)機(jī)上安裝振動監(jiān)測系統(tǒng)的第1家風(fēng)電運(yùn)營商，在呼倫貝爾、東臺和榮成3個風(fēng)電場對4種機(jī)型、11臺風(fēng)機(jī)實(shí)施在線監(jiān)控。

　　4.1  呼倫貝爾風(fēng)電場實(shí)施方案

　　呼倫貝爾風(fēng)電場安裝了33臺東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的FB70B-1500型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)采用山西永濟(jì)發(fā)電機(jī)廠和蘭州電機(jī)廠電機(jī)，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(fēng)電場3臺風(fēng)機(jī)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(fēng)電場風(fēng)機(jī)配套明細(xì)見表1

　　4.2  東臺風(fēng)電場實(shí)施方案

　　東臺風(fēng)電場安裝了41臺GE1.5S和51臺華銳風(fēng)力發(fā)電機(jī),GE公司的發(fā)電機(jī)、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(fēng)機(jī)齒輪箱由華銳公司生產(chǎn)，發(fā)電機(jī)采用山西永濟(jì)發(fā)電機(jī)廠和大連天元電機(jī)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(fēng)機(jī)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(fēng)電場風(fēng)機(jī)配套明細(xì)見表2

　　4.3榮成風(fēng)電場實(shí)施意見

　　榮成風(fēng)電場安裝有39臺Suzlon的1.25MW風(fēng)機(jī),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(jī)采用Winergy公司產(chǎn)品,在4臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)上安裝了在線振動監(jiān)測系統(tǒng)。

　　5　風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)施效果

　　目前，榮成、東臺、呼倫貝爾風(fēng)電場在線振動監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)安裝調(diào)試完成，試運(yùn)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(fēng)機(jī)各部件（包括主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、振動）的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，了解風(fēng)機(jī)在不同風(fēng)況下運(yùn)行時的振動數(shù)據(jù)趨勢，為風(fēng)機(jī)量身定做了振動預(yù)警和報警標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到逐步實(shí)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(fēng)機(jī)存在一定的機(jī)械故障隱患。下面針對榮成風(fēng)電場30106號風(fēng)機(jī)的振動監(jiān)測情況進(jìn)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(yùn)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(yùn)行，應(yīng)注意潤滑維護(hù)。
               

　　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(jī)振動的分析，認(rèn)為高速軸不對中征兆是由發(fā)電機(jī)振動引起，需要進(jìn)行后續(xù)跟蹤確認(rèn)。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(jī)

　　5.3.1  驅(qū)動端振動

　　發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)頻處均存在峰值，且峰值相對較高，符合機(jī)械松動的征兆，表明發(fā)電機(jī)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(yùn)行，但要經(jīng)常跟蹤振動變化趨勢，需要定期潤滑維護(hù)。

                 

　　5.3.2  非驅(qū)動端振動

　　發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)頻處均存在峰值，符合機(jī)械松動的征兆，表明發(fā)電機(jī)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(yùn)行 但要經(jīng)常跟蹤振動變化趨勢，需要定期潤滑維護(hù)。

                 

　　6  結(jié)語

　　振動監(jiān)測是一項(xiàng)技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)、推廣使用，最終達(dá)到指導(dǎo)運(yùn)行維護(hù)、提高設(shè)備可靠性和利用率的目的。

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