包樺

摘 要 風(fēng)電機(jī)組作為風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的核心裝置，通常由于地處沿海區(qū)域或惡劣環(huán)境、交通不便的偏遠(yuǎn)郊區(qū)，因此，給風(fēng)電機(jī)組日常運(yùn)行安全及控制造成了一定難度。為盡量避免風(fēng)電機(jī)組故障造成停機(jī)，迫切需要提高風(fēng)電機(jī)組尤其是核心設(shè)備風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性，控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行維護(hù)成本。本文在分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，具有針對(duì)性地提出運(yùn)行安全及控制策略。

關(guān)鍵詞 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行 參數(shù)分析 日常維護(hù)

中圖分類號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）07-0016-02

由于風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的艱難運(yùn)行條件，風(fēng)力發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障的可能性增加。風(fēng)能是自然界中常見的自然現(xiàn)象，特別是在經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)，風(fēng)能資源豐富的山地地區(qū)。增加本地風(fēng)力發(fā)電機(jī)的數(shù)量不僅可以增加我國(guó)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且可以提供本地能源供應(yīng)。[1]考慮到風(fēng)能對(duì)當(dāng)前社會(huì)結(jié)構(gòu)的重要性，加強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全及控制措施可以提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性，并允許在整個(gè)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行期間及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，使整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行更平穩(wěn)和安全。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)常見故障特點(diǎn)

1.1 葉片

風(fēng)電機(jī)組中葉片作為風(fēng)電機(jī)組感應(yīng)風(fēng)能的重要構(gòu)件，由于所處環(huán)境極其惡劣，所以時(shí)常導(dǎo)致會(huì)出現(xiàn)一些設(shè)備故障，如：長(zhǎng)期受到風(fēng)能應(yīng)力導(dǎo)致葉片變形、葉片結(jié)構(gòu)裂紋、槳距控制失效。風(fēng)電機(jī)組葉片損傷探測(cè)與評(píng)估，常使用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)，考慮到葉片故障引發(fā)的轉(zhuǎn)子葉片受力不均會(huì)傳導(dǎo)到機(jī)艙上而造成機(jī)艙晃動(dòng)，可在機(jī)艙主軸上安裝多個(gè)振動(dòng)傳感器，通過傳感器采集低頻振動(dòng)信號(hào)，分析葉片轉(zhuǎn)動(dòng)空氣動(dòng)力不平衡等故障。[2]

1.2 齒輪箱

齒輪箱通常通過齒輪結(jié)構(gòu)可使主軸上低轉(zhuǎn)速變?yōu)檩^高轉(zhuǎn)速。由于風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的工作運(yùn)行傳輸功率較大、工況較為復(fù)雜，齒輪箱的高速軸側(cè)軸承、行星齒輪、傳動(dòng)側(cè)軸承、中間軸軸承等發(fā)生故障的幾率較大。由于齒輪受沖擊載荷、交變應(yīng)力等作用影響，很容易出現(xiàn)齒面擦傷、磨損、斷齒等問題。[3]對(duì)此，可利用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法分析其振動(dòng)信號(hào)，還可檢測(cè)分析潤(rùn)滑油溫度、油液磨粒、軸承溫度等信息，對(duì)齒輪箱故障進(jìn)行診斷。

1.3 電動(dòng)機(jī)

現(xiàn)階段風(fēng)電機(jī)組中相對(duì)于永磁同步發(fā)電機(jī)技術(shù)，雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)較高，會(huì)存在一定的噪音污染，且風(fēng)電機(jī)組對(duì)應(yīng)需要增速齒輪箱，因此機(jī)組整體重量較重。雙饋發(fā)電機(jī)為異步發(fā)電機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，由于變流器連接轉(zhuǎn)子，可實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，確保發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速70-105%范圍內(nèi)的恒頻變速運(yùn)行，以此獲得穩(wěn)定的輸出功率。風(fēng)電機(jī)組風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的電動(dòng)機(jī)故障有機(jī)械故障、電氣故障，機(jī)械故障主要表現(xiàn)為軸承損壞、過熱，轉(zhuǎn)軸形變磨損、轉(zhuǎn)、定子間隙異常等;電氣故障主要表現(xiàn)為繞組斷路、短路、過熱等。電動(dòng)機(jī)故障通常分析電動(dòng)機(jī)的溫度、電流、振動(dòng)等信號(hào)完成相應(yīng)檢測(cè)。

1.4 變壓器和變流器

風(fēng)電機(jī)組的電氣系統(tǒng)故障反復(fù)維修造成過高的維修成本，特別是近年來風(fēng)電機(jī)組不斷擴(kuò)容，導(dǎo)致電氣系統(tǒng)故障時(shí)有發(fā)生，風(fēng)電機(jī)組的電氣系統(tǒng)故障主要由變壓器、變流器的過流、過壓、過熱、濕度過大等導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部電路板、電容、功率半導(dǎo)體器件等電子元器件無(wú)法發(fā)揮正常功能。[4]

1.5 控制系統(tǒng)和傳感器

風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)由控制器、傳感器、執(zhí)行裝置組成，經(jīng)傳感器傳輸采集信號(hào)到控制器。風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速儀、壓力傳感器等，由于惡劣的運(yùn)行環(huán)境，導(dǎo)致傳感器存在較高故障問題。控制系統(tǒng)故障除了傳感器故障外，還有軟硬件故障，如：電路故障、伺服裝置故障等，控制系統(tǒng)故障主要表現(xiàn)為不響應(yīng)、偶發(fā)性死機(jī)等。

2 維持風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行安全的技術(shù)和方法

2.1 計(jì)算參數(shù)異常監(jiān)測(cè)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的計(jì)算參數(shù)需要選擇適當(dāng)?shù)谋O(jiān)視技術(shù)和檢測(cè)方法。在實(shí)際操作中，請(qǐng)注意以下幾點(diǎn)：第一，在確定計(jì)算參數(shù)的過程中，有不同類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。在某些風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的許多地方都需要運(yùn)用不一樣的算法，并且每種類型的算法都有許多策略可供選擇。有必要針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的現(xiàn)狀和要求選擇合適的算法，由于不同的算法直接影響最后的計(jì)算結(jié)論，因此選擇正確的算法可以大大提高監(jiān)視計(jì)算參數(shù)的計(jì)算精度和效率。其次，選擇正確的硬件來運(yùn)行算法。所謂的工具適用于：（1）路由算法穩(wěn)定并且可以長(zhǎng)時(shí)間工作，設(shè)備的完整性需要硬件支持;（2）風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)配備可靠，穩(wěn)定的傳輸和測(cè)量設(shè)備，以計(jì)算和輸出數(shù)據(jù)的算法操作提供基本通道。

2.2 可測(cè)量參數(shù)異常監(jiān)測(cè)

對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，必須掌握一些方法和原理，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）風(fēng)扇的測(cè)量參數(shù)通常為電壓、電流、頻率、液壓、溫度等。應(yīng)根據(jù)類型選擇不同的測(cè)量?jī)x器和測(cè)量參數(shù)，選擇一起工作的眾多測(cè)量?jī)x器;（2）分析并確定測(cè)量參數(shù)的上限和下限，并根據(jù)該限度選擇適當(dāng)?shù)姆秶?（3）分析并確定測(cè)量值的正常/異常值的范圍，并根據(jù)測(cè)量參數(shù)采取相應(yīng)的措施和條件。[5]

2.3 故障診斷分析

在對(duì)風(fēng)力發(fā)電廠進(jìn)行故障排除時(shí)，需要根據(jù)設(shè)備的設(shè)計(jì)復(fù)雜性和設(shè)備運(yùn)行的特定條件來詳細(xì)分析許多因素，以提高診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有許多活動(dòng)部件，其設(shè)計(jì)的復(fù)雜性使其難以排除故障。傳統(tǒng)的診斷技術(shù)需要改進(jìn)，新的技術(shù)和概念已經(jīng)被引入，各種故障的準(zhǔn)確診斷已成為解決問題的基礎(chǔ)。為了診斷風(fēng)機(jī)故障，有必要準(zhǔn)確地捕捉各種故障現(xiàn)象，并根據(jù)風(fēng)機(jī)功率、振動(dòng)、壓力、變形、磨損和溫度等性能參數(shù)進(jìn)行綜合分析，以進(jìn)行故障判斷。

2.4 振動(dòng)分析

使用振動(dòng)分析的原理是將組件的振動(dòng)傳感器安裝在主要部件上（例如變速箱支架，發(fā)電機(jī)支架，主軸支架和車架）。這些傳感器可以準(zhǔn)確地測(cè)量主機(jī)部件的振動(dòng)，通過處理和分析來自傳感器的振動(dòng)反饋，可以快速而準(zhǔn)確地評(píng)估設(shè)備中每個(gè)組件的振動(dòng)狀況和運(yùn)行趨勢(shì)，由此可以分析振動(dòng)的原因，并確定設(shè)備是否有缺陷。

2.5熱力參數(shù)分析

大多數(shù)風(fēng)力渦輪機(jī)的溫度包括：主要組件的內(nèi)部溫度，機(jī)艙和控制箱的溫度與機(jī)油和液壓油的溫度。風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的大多數(shù)空氣濕度包括機(jī)艙中的濕度和控制箱中的濕度。通過監(jiān)視風(fēng)力發(fā)電機(jī)的熱參數(shù)，可以有效地監(jiān)視發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)。并且根據(jù)熱參數(shù)的趨勢(shì)和建議，能夠精準(zhǔn)地識(shí)別故障設(shè)備，并為故障原因分析提供足夠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行安全及控制策略

3.1 定期維護(hù)

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組需要定期對(duì)風(fēng)力發(fā)電整機(jī)進(jìn)行維護(hù)，定期檢查惡劣環(huán)境中的雨水、塵土、雷電等因素所造成的風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行問題，維護(hù)人員一旦發(fā)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障問題，應(yīng)及時(shí)處理確保發(fā)電機(jī)清潔、干凈，降低發(fā)電機(jī)運(yùn)行故障發(fā)生率。同時(shí)，螺栓、墊圈等發(fā)電機(jī)緊固件需要及時(shí)檢查其連接情況、絕緣性能等，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)件可以滿足實(shí)際運(yùn)行需要，風(fēng)力發(fā)電機(jī)通?？赏ㄟ^干油潤(rùn)滑、稀油潤(rùn)滑來起到對(duì)內(nèi)部機(jī)械裝置的潤(rùn)滑作用，稀油潤(rùn)滑多用于齒輪箱的潤(rùn)滑維護(hù)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行維護(hù)人員應(yīng)及時(shí)更換潤(rùn)滑油，干潤(rùn)滑油則多用于軸承偏航齒輪，由于這類齒輪長(zhǎng)期運(yùn)行很容易造成潤(rùn)滑油溫度上升，因此存在變質(zhì)的可能性，發(fā)電機(jī)運(yùn)行維護(hù)人員則應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充、更換潤(rùn)滑油，并嚴(yán)格控制補(bǔ)充量，防止發(fā)電機(jī)電氣燒壞等后果。另外，運(yùn)行維護(hù)人員在維護(hù)軸承與潤(rùn)滑系統(tǒng)時(shí)，需要全面、認(rèn)真檢查潤(rùn)滑脂類型，并全面清潔油嘴及相關(guān)區(qū)域，確保潤(rùn)滑通道的通暢性，保證軸承用潤(rùn)滑油按照規(guī)定用量使用。運(yùn)行維護(hù)人員需要結(jié)合發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行規(guī)律，維護(hù)定、轉(zhuǎn)子繞組，通常情況下繞組干燥的新電機(jī)絕緣性能較好，只需在出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行檢測(cè)工作，絕緣電阻值減小不僅受繞組溫度的影響，而且在存儲(chǔ)或運(yùn)輸過程中受潮等也會(huì)降低電氣設(shè)備的絕緣電阻值。而對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)或者首次啟用的發(fā)電機(jī)，運(yùn)行維護(hù)人員應(yīng)至少每年開展一次絕緣電阻測(cè)試。[6]

3.2 日常維護(hù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)除了需要定期維護(hù)外，對(duì)于日常運(yùn)行過程中出現(xiàn)的各種故障問題，運(yùn)行維護(hù)人員也應(yīng)在最快時(shí)間內(nèi)解決，以免延誤風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行，在及時(shí)排除故障隱患后，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維人員需要結(jié)合故障特點(diǎn)，有針對(duì)性地進(jìn)行日常維護(hù)工作。

3.3 完善管理維護(hù)制度

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定期維護(hù)、日常維護(hù)工作以完善的管理維護(hù)制度為基礎(chǔ)，檢測(cè)維修制度可以確保發(fā)電機(jī)運(yùn)行維護(hù)的有序開展，運(yùn)行維護(hù)人員在管理發(fā)電機(jī)的過程中，應(yīng)按照管理維護(hù)制度，全面有序地檢測(cè)發(fā)電機(jī)的各個(gè)線路、元件，有針對(duì)性地測(cè)試線路承受能力，采用先局部檢測(cè)再整體檢測(cè)的順序，一旦元件、線路性能不達(dá)標(biāo)，應(yīng)及時(shí)對(duì)其進(jìn)行維修更換。另外，還要完善定期維護(hù)制度，利用制度約束運(yùn)行維護(hù)人員，規(guī)范維護(hù)流程，確保能夠順利開展風(fēng)力發(fā)電機(jī)維護(hù)工作，明確定期維護(hù)方案、維護(hù)時(shí)間，從根本上提高發(fā)電機(jī)運(yùn)行維護(hù)效率，降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行故障。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著我國(guó)能源部門出臺(tái)加快推進(jìn)風(fēng)電開發(fā)意見建議，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組擴(kuò)容需求不斷上升，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行持續(xù)時(shí)間也隨之增加，風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性問題日益突出，運(yùn)行維護(hù)人員應(yīng)根據(jù)發(fā)電機(jī)運(yùn)行故障特點(diǎn)，明確故障診斷技術(shù)方案，并有針對(duì)性地制定風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行維護(hù)策略，從而提高風(fēng)電機(jī)組中風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

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