雷 陽,孔德同,張中泉

(1.杭州職業(yè)技術(shù)學院 特種設(shè)備學院,浙江 杭州 310018；2.華電電力科學研究院有限公司,浙江 杭州 310030；3.中國計量大學,浙江 杭州 310018)

引言

風能是全球最重要的清潔能源之一,近年來發(fā)展迅速,2020 年3 月25 日全球風能理事會發(fā)布了《全球風能報告》,《報告》指出2019 年全球新增風電裝機容量60.4GW,累計風電裝機容量已達到650GW,其中,中國新增風電裝機容量26.2GW 領(lǐng)跑全球[1]。

隨著風電的快速發(fā)展,機組存在的許多問題也開始凸顯,如機組故障頻發(fā)、發(fā)電量不高、電網(wǎng)接入等問題[2-3]。在風力發(fā)電機組中,葉輪、主軸、齒輪箱、發(fā)電機等是造成機組停機、故障和事故的主要部件[4-5]。

為對機組關(guān)鍵部件進行一次“健康體檢”,本文重點通過分析主軸、齒輪箱、發(fā)電機等主傳動鏈上的部件的振動特性,判斷故障類型,為機組出質(zhì)保驗收、健康運行維護策略等提供重要的技術(shù)支撐和參考。

1 風力發(fā)電機組主傳動鏈分析思路

1.1 總體分析思路

國內(nèi)外風電行業(yè)常采用的故障診斷方法是基于VDI 3834[6-7]分析的,該方法由德國風電公司制定；但僅僅基于此標準判斷機組是否存在故障存在一定的不準確性[8]。

本文首先依據(jù)VDI 3834 標準對機組主傳動鏈各部位的振動實測有效值進行統(tǒng)計分析,初步找到可能存在問題的部位,然后利用研制的離線式振動分析儀對主傳動鏈各測點進行振動測試,并采用MATLAB 專業(yè)軟件對各測點進行時域、頻域等分析,進一步找出原因所在,為機組健康運行、出質(zhì)保驗收作有力的技術(shù)支撐。

1.2 測點選擇原則

圖1 振動分析主要流程

圖2 待測機組主傳動鏈簡圖

表1 主傳動鏈各主要部件型號

為了能夠?qū)χ鱾鲃渔溸M行精準分析,在布置測點時,需要遵循以下原則[9]：(1)盡可能選擇能夠反映真實振動情況的位置；(2)盡可能選擇軸承的主要承載區(qū)。風電機組主傳動鏈主要包括主軸、齒輪箱和發(fā)電機組成；應在這些主要部件軸承位置放置加速度傳感器,在主軸的葉輪側(cè)放置轉(zhuǎn)速傳感器,通過數(shù)據(jù)采集儀采集加速度和轉(zhuǎn)速信號。

1.3 振動分析流程

主傳動鏈振動分析的主要流程如圖1 所示,主要包括基于VDI 3834 標準振動評估和基于時域分析、頻域分析、包絡(luò)分析等方法的詳細分析。

2 振動測試和分析

2.1 測試背景

內(nèi)蒙某風電場裝機33 臺均為某企業(yè)生產(chǎn)的雙饋式1.5MW 機組,風電場地形平坦,主風向為西北風。近年來,風電場部分風力發(fā)電機組如常年發(fā)電量不高、故障頻發(fā),需做一次“健康體檢”擬找出問題所在,為健康運行維護和后期出質(zhì)保驗收提供技術(shù)參考。本文選擇9#機組作為典型案例進行測試和分析。

表2 振動測試方案

2.2 主傳動鏈主要參數(shù)

待測機組主傳動鏈主要包括主軸、齒輪箱和發(fā)電機等,圖2 為機組傳動簡圖。

根據(jù)機組廠商提供的資料,主傳動鏈主要部件型號詳見表1。

2.3 測試設(shè)備和方案

本次采用的測試設(shè)備是自主研發(fā)的振動測試儀,該系統(tǒng)主要包括8 個加速度傳感器、1 個轉(zhuǎn)速傳感器、1 臺數(shù)據(jù)采集儀以及專業(yè)數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等組成。根據(jù)現(xiàn)場實際和設(shè)備特點,共布置8 個測點,八通道連續(xù)采樣；測試方案制定如表2。

2.4 數(shù)據(jù)分析

為了全面評估風電機組的主傳動鏈運行狀態(tài),首先依據(jù)VDI 3834 標準對機組進行初步分析,然后利用時域分析、頻域分析、包絡(luò)分析等方法對機組進行詳細分析,多角度評估機組的實際運行狀態(tài)。

表3 9#機組時域統(tǒng)計分析

圖3 發(fā)電機驅(qū)動端軸承Z 向時域、頻譜分析

圖4 發(fā)電機自由端軸承Z 向時域、頻譜進一步分析

2.4.1 基于VDI 3834 標準振動評估

根據(jù)VDI 3834 標準對9# 機組8 個測點進行振動時域統(tǒng)計分析,結(jié)果如表3：

由表3 可知,根據(jù)VDI 3834 標準要求對各測點進行時域統(tǒng)計評估,9# 發(fā)電機驅(qū)動端徑向測點振動超過VDI 3834 第一限度1.86 倍,其余測點有效值均符合VDI 3834 標準第一限度要求,并且占標準第一限值比例為7.58%～20.09%之間。

2.4.2 詳細分析

將測得的數(shù)據(jù)利用風電機組主傳動鏈專業(yè)數(shù)據(jù)處理軟件對9#機組進行時域分析和頻譜分析(主軸承、齒輪箱均未發(fā)現(xiàn)明顯的周期性沖擊和相關(guān)故障頻率,此處僅列發(fā)電機測點的分析)。

表4 9#機組發(fā)電機對中測試數(shù)據(jù)

根據(jù)圖3 可知,時域中未發(fā)現(xiàn)明顯的周期性沖擊。頻譜圖中出現(xiàn)30Hz 的發(fā)電機轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)頻及其2 倍頻,振動幅值處于中等水平位置。結(jié)合VDI 3834 分析判斷發(fā)電機存在一定的對中問題。

根據(jù)圖4 可知,時域中未發(fā)現(xiàn)明顯的周期性沖擊。頻譜圖中出現(xiàn)間隔頻率為30Hz,對應發(fā)電機轉(zhuǎn)頻,振動幅值處于中等水平位置；未發(fā)現(xiàn)發(fā)電機自由端的相關(guān)故障頻率。

表5 9#機組對中調(diào)整前后的發(fā)電機驅(qū)動端徑向時域統(tǒng)計

綜上分析,9# 機組主要存在一定的發(fā)電機對中問題。

2.4.3 發(fā)電機對中測試

為驗證上述分析的有效性,利用任意三點測量法采用E710 激光對中儀對9#機組進行對中測試。分別測量3 次取平均值,所測數(shù)據(jù)如表4。

根據(jù)該機組的安裝調(diào)試標準,要求機組對中誤差應控制角度偏差值在±0.08/100mm 內(nèi)且徑向偏差在±0.2mm內(nèi)。由表4 可知,9#機組的對中數(shù)據(jù)已超過允許值,存在一定的對中偏差。

2.4.4 發(fā)電機對中測試前后對比分析

利用激光對中儀對9#機組發(fā)電機實施對中調(diào)整,使機組的角度偏差值控制在0.08 內(nèi)且徑向偏差在0.2mm內(nèi)。再利用研制的振動測試儀對機組進行振動測試,并采用MATLAB 軟件參考VDI 3834 進行分析,具體數(shù)據(jù)詳見表5(其他測點位置和調(diào)整前數(shù)據(jù)相差較小,此次暫不列入)。

由表5 可知,9#機組發(fā)電機對中調(diào)整前發(fā)電機驅(qū)動端徑向測點振動超過VDI 3834 第一限度1.86 倍,對中調(diào)整后發(fā)電機驅(qū)動端徑向測點振動有效值符合VDI 3834 標準第一限度要求。同時,對發(fā)電機對中調(diào)整后9#機組發(fā)電機驅(qū)動端軸承Z 向進行時域、頻譜分析,也未發(fā)現(xiàn)明顯沖擊信號。

3 結(jié)束語

本文參考VDI 3834 標準對風力發(fā)電機組主傳動鏈進行統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)9#機組發(fā)電機驅(qū)動端徑向測點振動超過VDI 3834 第一限度1.86 倍,然后采用研制的離線式振動分析儀對機組主傳動鏈進行振動測試分析,利用時域、頻域等分析方法,得出造成振動超限的原因是發(fā)電機存在一定的對中問題,然后利用E710 激光對中儀發(fā)現(xiàn)機組確實存在一定的對中偏差,對機組實施發(fā)電機對中調(diào)整后,再對機組進行振動測試分析,不僅發(fā)現(xiàn)機組對中調(diào)整后的驅(qū)動端徑向測點振動未超限,而且通過時域、頻域分析也未發(fā)現(xiàn)明顯的沖擊信號。

綜上,認為9#機組存在發(fā)電量不高、故障頻發(fā)的原因之一是發(fā)電機存在一定對中問題；同時通過上述分析,也驗證了本文采用的振動分析方法是有效的。