为了分析和找寻可能的监测方法,需要细剖风力电机的物理现象交互过程:风力(风速、风压)->叶片(应变、振动、转动)->轴(转速、振动、噪音)->齿轮箱(振动、摩擦、发热、噪音)->发电机(振动、摩擦、发热)->电线(发热)。
那么即可以从振动信号(振动、转速)、油液信号(摩擦时交换物质被带入润滑油/液压油中)、应变信号、红外信号(温度)、噪音信号和效能信号(风速、转速、电能质量)六大类进行监测。
(1)油液监测。油液监测是早期预警的重要手段。齿轮间的啮合摩擦会使金属颗粒被带入油液当中,随着时间的推移就会出现磨损、裂痕等状况。大多数的轴承与齿轮老化,都是因为使用润滑油不当而导致进一步损伤风机传动系统。这类监控包含油粒子( Oilparticle) 计数与温度测量。通过如粒子计数器等装置,即可了解润滑油的品质与可能的污染状态。而工业级用油中的水污染物,扮演了极重要的角色。水分过高可能导致元件过热、腐蚀,出现严重故障。
(2)振动监测。油液监测是中期预警的重要手段。通过振动监视可以了解旋转机械设备的状态,因此振动是风电机组监测zui重要的方面之一。风电机组都包括主轴承、齿轮箱与发电机,通过振动监测可以有效地了解这些设备的健康状态。根据有效的频率范围,可以使用位置传感器(低频段)、速度传感器(中频段) ,或加速度传感器(高频段)。振动传感器固定在待测部件之上,从而获取与瞬时本地运动相应的模拟信号。针对这类测量,采集设备应具备高采样率、高动态范围与抗混叠等功能。此外,还可以监测风机机舱与塔架的结构振动,从而了解结构弯曲,以及风力的气体动力效应。通过监视这些振动信号,就可以在关键部件发生重大故障之前,先发现部件是否产生任何问题,比如齿轮或轴承的老化/破损。而针对旋转机械,必须对传感器信号进行阶次分析以获取谐波信息。谐波(Harmonics)可以用来判断部件性能,进行早期诊断。
(3)应变监测。油液监测是中期预警的重要手段。应变监测常见于结构健康监测等应用中,且在风力发电领域逐渐凸显其重要性。实验室往往通过应力测量,测试风机叶片的使用寿命。这些测量通常使用金属馅(Metalfoil) 应变计,相应的数据采集装置则需要具备电压激励与桥路补偿等功能。应变计可安装于叶片的任何位置,但根据传感器数目的不同,其分布位置也有所差异。传感器应妥善安装于叶片之上,以同时测得"拍打方向上(Flapwise) "与"切口方向上(Edgewise) "的数据。
(4)噪音监测。油液监测是中晚期预警的重要手段。风电机组噪声影响( noiseimpact) 测量,常用于判定风力发电系统是否符合如DIN EN 61400-11-2007规范。声音监测主要是通过麦克风测量风机的内、外部噪声。针对这一类测量,采集装置应具备高采样率、高动态范围,与抗混迭功能。当监测设备内部噪声时,测量主体即为齿轮箱与主轴承; 外部监测则主要测量风机的整体噪声。通过噪声数据,可以找出高频部分而预测可能的故障。此外,还可以测量如声强信号,或通过Third - octave分析,检验风机的噪声。
(5)温度监测。油液监测是晚期预警的重要手段。预测维护也需要对温度进行测量。虽然有多款传感器可测量温度,但zui常见的仍是热电偶与RTD 。而适用的数据采集装置,则应具备较小的输入范围与冷端补偿(CJC) 功能。结构健康监测也常常监测内、外部温度。另外更应注意某些关键部件的温度,如发电机的转子(rotor) 与定子(stator) ,均为风机诊断的重要判据。
(6)效能。油液监测是趋势预警/晚期预警的重要手段。①风速风压一定时,情况良好的风机阻尼系数小,转速较高;润滑情况下降或出现异常时阻尼系数大,转速较小 ②由于电能质量将受风速、涡流,与风向变换所影响,因此电能质量是风电机组状态监测的重要领域。风力发电系统的运行必须达到特定的电压与电流要求。下面列出了一些常见的电能质量分析:峰值功率输出、无功功率、电压波动、谐波。测量无功功率(reactive power) 部分,可以帮助判定电压/ 电流是否相位一致。 通过谐波可进一步分析所有输出信号。同样的,风力的瞬间变化将可造成电压波动(voltage fluctuation) ,从而影响电力输出。
其中油液信号能进行早期预警,因为摩擦颗粒zui早在油液中体现,通过分析油液特征可以及早发现问题;磨损到一定的程度时才会出现明显的振动特征信号,因此振动为中期预警;到出现明显温度异常,表明事故即将发生了,因此红外监测为晚期预警;效能信号是关联风速与转速,运作良好时风速/转速比高,逐步老化时比率慢慢降低,出现故障前会出现临界值,可以通过分析历史数据进行趋势预警。
深圳亚泰的“多维度物联网式风机在线故障预警系统”,是国内外*的多参数关联具备专家诊断库的预警系统,能将油液、振动、红外和效能等信号进行高度关联分析,从早期预警、中期预警、晚期预警及趋势预警中捕捉早期故障特征,按风机运行状态建立专家诊断库给出维护建议。软件界面分三层,*层显示所有风电场和风机的基本状态,风机状态分三等,良好、正常、需维护(给出维护建议),分别用绿、黄、红指示;第二层显示风机各个部位的运行状况(轴承状态、齿轮箱状态);第三层显示风机的具体分析数据(振动频谱、油液数据、历史曲线等)。能通过Lan口或无线局域网直传数据,无线传输距离1.5km~10km。建设http及wap服务器,能通过B/S架构,利用手机、电脑等设备在内网/外网进行访问。
深圳亚泰研发部供稿
2012/6/15