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- 風(fēng)力發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)研究
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2010/6/29
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)電場的關(guān)鍵設(shè)備,長期以來一直采用計劃維修的方式,即一般風(fēng)力機(jī)運行2500 h或5000 h后進(jìn)行例行維護(hù)。這種維修方式無法全面的、及時的了解設(shè)備的運行狀況;而事后維修則由于事先的準(zhǔn)備不夠充分,造成維修工作的耗時太長、損失嚴(yán)重。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)是集合了信號采集、在線監(jiān)測以及信號分析于一體的多功能在線監(jiān)測診斷分析系統(tǒng),對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的振動、溫度、壓力和電氣參數(shù)等進(jìn)行在線的監(jiān)測,將監(jiān)測結(jié)果與事先設(shè)定的值進(jìn)行比較,在線監(jiān)測和診斷系統(tǒng)能夠及時地發(fā)現(xiàn)運行異常并報警,可對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析處理,從而可以準(zhǔn)確地確定設(shè)備故障。目前,對狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究還處在初始階段。
本文對風(fēng)力發(fā)電機(jī)的在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了初步的研究。
一、風(fēng)力發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測的必要性
目前大多數(shù)風(fēng)機(jī)上運用的通用監(jiān)測程序為風(fēng)場監(jiān)測。這種方法主要監(jiān)測輸出電量,同時也包含部分故障信息的存儲。通�？刂葡到y(tǒng)的狀態(tài)信息、輸出電量以及風(fēng)速情況將被存儲,并將這些信息發(fā)送給制造商和運營商。但該方式只有在具有詳細(xì)記錄的前提下才有可能觀察到故障。在大多數(shù)情況下,當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出警報時故障已經(jīng)發(fā)生。
然而,整個系統(tǒng)能做的只是自動的使風(fēng)力發(fā)電機(jī)停機(jī),以防止故障的進(jìn)一步惡化。風(fēng)場監(jiān)測通常與周期測試點相連,這些周期測試點基本能反映整機(jī)的特性,例如監(jiān)測旋轉(zhuǎn)葉片和基座的裂紋、齒輪箱的振動或者機(jī)械部分的磨損等情況。但是這些監(jiān)測不能揭示其產(chǎn)生的時間和原因,所能確認(rèn)的是風(fēng)機(jī)運行的狀況。就算將監(jiān)測的結(jié)果與以前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對照比較,也很難提供故障產(chǎn)生的原因。由于在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)能夠克服上述的缺點,使得在線監(jiān)測系統(tǒng)被廣泛的推廣,在實際風(fēng)力發(fā)電機(jī)監(jiān)測的運用中一般分為以下兩個步驟:
(1) 連續(xù)的在線監(jiān)控設(shè)備(在線診斷儀)選擇合適的傳感器與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)相連,當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時控制系統(tǒng)發(fā)出警報,故障包含齒輪箱、主軸及電機(jī)定子等部件的振動。
自動評估其頻率范圍并與所設(shè)定的頻率譜圖相比較,當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)給出超出系統(tǒng)設(shè)定異常值時,風(fēng)力發(fā)電機(jī)自動停機(jī)并且通過網(wǎng)絡(luò)把警報值傳送到維修中心。這樣可以在早期狀態(tài),探測到潛在的危險并能使生產(chǎn)商提出一個有針對性的維護(hù)和修復(fù)方案。通過零距離、不間斷地觀測其零部件,可以設(shè)計一個專門的維護(hù)計劃方案,從而避免災(zāi)難性的結(jié)果。
(2) 周期性機(jī)械診斷(手持式診斷儀)是為對在線診斷儀發(fā)出有預(yù)警值或異常值的零部件上進(jìn)行進(jìn)一步的監(jiān)測。在周期性的檢查過程中,可將移動測量設(shè)備安裝在齒輪箱、發(fā)電機(jī)及軸承等機(jī)械零部件上,記錄其頻譜圖并與以前確定的頻譜圖相比較。通過與標(biāo)準(zhǔn)的頻譜特性曲線比較,最終判斷出其產(chǎn)生故障的原因。
二、風(fēng)力機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成：
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電設(shè)備,風(fēng)能先后通過葉輪、主軸、齒輪箱、發(fā)電機(jī)后轉(zhuǎn)換成電能。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各個部件中,風(fēng)力機(jī)葉片是彈性體,在風(fēng)載荷的作用下,作用在風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)上的空氣動力、彈性力、慣性力等具有交變性和隨機(jī)性力的耦合將會引起與某些振型共振的自激共振,即顫振。該振動是發(fā)散的,嚴(yán)重時會導(dǎo)致風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)破壞。另外,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運行時會由于多種原因,使機(jī)艙在各個方向有較大的振動,振動的頻率、幅度超過風(fēng)機(jī)設(shè)計要求時會對風(fēng)機(jī)的正常運行產(chǎn)生危害。在線監(jiān)測系統(tǒng)就是要將風(fēng)力機(jī)的故障監(jiān)測出來,并發(fā)出警報從而可以及時的進(jìn)行維修。
2. 1 硬件結(jié)構(gòu)
本文介紹的風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)包括信號檢測、數(shù)據(jù)采集、工控主機(jī)、顯示打印和電源等5個模塊。
(1) 信號檢測模塊
信號檢測模塊由傳感器、信號變送器和信號預(yù)處理板三部分組成。傳感器采用壓電振動傳感器、鉑電阻溫度傳感器、壓力傳感器和電壓電流傳感器,分別采集電機(jī)風(fēng)機(jī)的振動量、關(guān)鍵部件或系統(tǒng)的溫度量、壓力值及電氣系統(tǒng)運行參數(shù)值。
推薦型號：8711-01-010加速度傳感器
信號變送器對采集到的微弱信號隔離、放大、補(bǔ)償、變換,有較強(qiáng)的抗干擾能力以及遠(yuǎn)距離的驅(qū)動能力。信號預(yù)處理板主要完成信號放大、噪聲濾波、信號隔離傳輸、類型變換等功能。
(2) 數(shù)據(jù)采集模塊
數(shù)據(jù)采集模塊安裝在工控主機(jī)內(nèi),實現(xiàn)對振動、溫度、壓力、電壓電流等參數(shù)的采集,并將采集到的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,便于系統(tǒng)分析處理。
(3) 工控主機(jī)模塊
工控主機(jī)是系統(tǒng)的核心,由工業(yè)級PC承擔(dān),完成與各接口模塊通信,實時數(shù)據(jù)處理、刷新、組態(tài)和邏輯控制等功能。
(4) 顯示打印模塊
顯示器和打印機(jī)是輸出設(shè)備,提供人機(jī)交互界面和記錄、分析結(jié)果的硬拷貝輸出等功能。
(5) 電源模塊
電源采用獨立供電的方式,向變送器和預(yù)處理板分別供電。
2. 2 軟件結(jié)構(gòu)
軟件功能包括:信號操作、狀態(tài)監(jiān)測、分析診斷、狀態(tài)顯示、報警及其它功能等。每項選擇下的子功能均采用下拉式菜單窗口,并以漢字形式提供各個功能的選擇。
(1) 信號操作功能
主要完成手動數(shù)據(jù)采集、計算機(jī)模擬信號的發(fā)生和監(jiān)測數(shù)據(jù)到分析數(shù)據(jù)的剪貼。手動數(shù)據(jù)采集功能完成單次的程序觸發(fā)采樣。
模擬信號發(fā)生器可以根據(jù)需要由計算機(jī)產(chǎn)生需要響應(yīng)的信號如正弦、方波、三角波等信號。信號的頻率、幅值、長度、采樣頻率、占空比等可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置,而且這些信號可以進(jìn)行組合。
數(shù)據(jù)剪貼功能完成即時的監(jiān)測數(shù)據(jù)到分析數(shù)據(jù)的傳輸工作。該功能主要針對振動量信號的操作。
(2) 狀態(tài)監(jiān)測功能
主要包括初始化設(shè)置和狀態(tài)監(jiān)測。初始化設(shè)置完成以下量值的設(shè)置工作:振動量采樣頻率、采樣長度、濾波頻率、各測點報警值、傳感器安裝方向、定時存數(shù)間隔、定時數(shù)據(jù)追加間隔、定時報表時間間隔、分析數(shù)據(jù)長度、分析數(shù)據(jù)采集頻率、機(jī)器轉(zhuǎn)速、聲音報警開關(guān)。監(jiān)測任務(wù)主要完成兩部分工作:第一是啟動和停止系統(tǒng)的監(jiān)測工作;第二是選擇監(jiān)測方法。監(jiān)測功能有:時域信號波形監(jiān)測、軸心軌跡監(jiān)測、頻譜監(jiān)測、電氣量模擬表監(jiān)測和數(shù)字列表監(jiān)測等。
(3) 分析診斷功能
分析診斷功能包括常用的各種監(jiān)測診斷分析方法。具體包括:時域波形、軸心軌跡、濾波軌跡、重構(gòu)軌跡、頻譜分析、平面軌跡譜分析、立體軌跡譜分析、時域分析、魏格納分布、逆譜分析、信號濾波、時域頻域聯(lián)合分析、自相關(guān)和互相關(guān)等分析方法。文獻(xiàn)[ 2 ]介紹了頻譜分析法在齒輪箱振動分析上的應(yīng)用。
(4) 狀態(tài)顯示功能
監(jiān)測信息的表達(dá)采用了先進(jìn)的數(shù)字表格、模擬儀表、機(jī)器結(jié)構(gòu)簡圖等多種顯示方法。通過機(jī)器結(jié)構(gòu)簡圖上傳感器圖標(biāo)顏色的變化,可以清楚地反映目前設(shè)備的各個部件運行狀態(tài)。
(5) 其它功能
包括文件操作、文件操作歷史、打印和系統(tǒng)幫助等。
3 Ma rlin狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)
Marlin 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[ 2 ] 由狀態(tài)探測器(MCD) 、數(shù)據(jù)管理器(MDM)及PR ISM4 Surveyor應(yīng)用軟件組成�？赏ㄟ^狀態(tài)探測器(MCD)讀出機(jī)器狀態(tài),即2個振動測量值(速度和包絡(luò)加速度)和1個溫度測量值。探測器自動把這些讀數(shù)與預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行比較,當(dāng)超出設(shè)定的門限值時,立即向操作人員發(fā)出警報。探測器測出的讀數(shù)可立即顯示和存儲在數(shù)據(jù)管理器(MDM)上,數(shù)據(jù)管理器的主要作用是輸入、存儲和對機(jī)器狀態(tài)進(jìn)行檢查。PR ISM4 Surveyor應(yīng)用軟件可簡化數(shù)據(jù)的搜集、存儲和分析,繪制出歷史趨勢曲線。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)輪、齒輪箱及大電機(jī)等組成。為了捕獲風(fēng)資源的需要,整個旋轉(zhuǎn)軸系安裝在幾十米高的塔架上,這就給機(jī)組各部位的測量帶來不便。而Marlin狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分狀態(tài)探測器(MCD)和數(shù)據(jù)管理器(MDM)便于隨身攜帶,且狀態(tài)探測器既可以單獨使用,也可與數(shù)據(jù)管理器聯(lián)合使用。因而十分適合對風(fēng)電機(jī)組的重點部位進(jìn)行狀態(tài)測量。另外系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)既包括振動速度,又包括包絡(luò)加速度,因此我們不但可以發(fā)現(xiàn)低頻到中頻的故障,如不平衡、不對中、轉(zhuǎn)子彎曲、松動等,又可監(jiān)測到齒輪的缺陷。
但是,Marlin狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行的趨勢分析,僅能看到其在一段時間內(nèi)的總體水平;如果發(fā)現(xiàn)了某些測量點的數(shù)值超出報警限值,也僅能做出一個早期故障的判斷,而對于故障的具體來源及原因便無從得知,這時就需要借助更為先進(jìn)的工具來做進(jìn)一步的分析,如FFT頻譜分析、頻譜趨勢分析、時間波形分析、小波分析等,以便對故障做出準(zhǔn)確判斷。這是在線監(jiān)測和診斷系統(tǒng)軟件設(shè)計時應(yīng)該考慮的問題。
利用Marlin狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)對某風(fēng)電場NOE2DEX N43 /600KW 風(fēng)電機(jī)組齒輪箱高速段的速度、加速度和溫度進(jìn)行監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常,經(jīng)開箱后發(fā)現(xiàn)齒輪箱油已經(jīng)嚴(yán)重污染,齒輪面已經(jīng)有嚴(yán)重的損傷。盡管Marlin狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)存在一些不足,但研究結(jié)果表明該監(jiān)測系統(tǒng)對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行在線監(jiān)測具有重要的作用。這也正是研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測和診斷的一個原因所在。
4 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場測量點的選擇
現(xiàn)場測量點的布置對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測和診斷系統(tǒng)來說一直是個難題,至今也沒有得到很好的解決�，F(xiàn)場測量點選擇的不同,對于監(jiān)測系統(tǒng)信號分析具有很大的影響。不同的布置方案,得到的結(jié)果不盡相同。
根據(jù)目前風(fēng)電機(jī)組的實際運行情況,通常齒輪箱齒輪及其軸承、發(fā)電機(jī)及其軸承是較容易發(fā)生故障的部件,因此在常規(guī)的監(jiān)測中,可將齒輪箱前后軸承、發(fā)電機(jī)前后軸承分別作為測量點[ 3 ] 。
這樣做是基于如下的考慮:
(1) 當(dāng)機(jī)組的主要軸承失效時,機(jī)組必須停機(jī)。監(jiān)測軸承振動可以較早發(fā)現(xiàn)軸承故障,這為及早安排必要的維修提供了寶貴時間。
(2) 由于軸承承載著機(jī)器的負(fù)荷,許多典型的機(jī)械問題如不平衡、不對中、松動等都會將振動信號傳給軸承。因此通過監(jiān)視軸承的振動,就會同時發(fā)現(xiàn)上述典型機(jī)械故障及軸承缺陷。
在測軸承的振動時,測量點應(yīng)盡量靠近軸承的承載區(qū);與被監(jiān)測的轉(zhuǎn)動部件最好只有一個界面,盡可能避免多層相隔以減少振動信號在傳遞過程中因中間環(huán)節(jié)造成的能量衰減;測量點必須要有足夠的剛度。
從信號頻段的角度來考慮,由于不同的故障、不同的頻段在測試方向上的敏感程度不同,故在旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動信息的采集上,對于低頻信號(工頻5倍以上)分垂直、水平、軸向3個方向;對高頻信號對高頻信號( 1 kHz以上) ,由于對方向性不太敏感,故只測垂直或水平一個方向即可。這是因為低頻信號的方向性較強(qiáng),而高頻信號對方向不敏感的緣故。為了保證所測數(shù)據(jù)的可比性,測點一經(jīng)選定就應(yīng)做出相應(yīng)標(biāo)記,以使每次測量都在同一測點上進(jìn)行,同時保證每次測量時設(shè)備的工況都相同。在選擇測點時還應(yīng)考慮環(huán)境因素的影響,盡可能地避免選擇高溫、高濕、出風(fēng)口和溫度變化劇烈的地方作為測量點,以保證測量結(jié)果的有效性。有研究結(jié)果表明,在測高頻振動時,由于測量點的微小偏移(幾毫米) ,就會造成測量值相差幾倍(高達(dá)6倍) 。
基于以上測點選取的原理,根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點、性能參數(shù)和工作原理,同時根據(jù)積累的現(xiàn)場測試經(jīng)驗,大致確定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的測試點如圖1所示。
5 結(jié)論
目前對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在線狀態(tài)監(jiān)測的研究還十分有限。對于齒輪箱齒輪、軸承故障診斷的研究都還處在摸索階段。監(jiān)測系統(tǒng)所設(shè)定的報警限值還存在較大的困難,這些都需要一定的時間和實踐來研究。
綜上所述：風(fēng)力發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)主要用到加速度傳感器、 溫度傳感器、 傾角傳感器、 油品分析傳感器等。
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