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风电装备故障诊断与健康监测研究

北极星风力发电网  来源:中国机械工程 CMES会刊  作者:陈雪峰 郭艳婕 许才彬 商红兵  2020/6/28 9:38:20  我要投稿  

北极星风力发电网讯:摘要:针对风力发电机传动链中的三大部件——复合材料叶片、齿轮箱、发电机的故障诊断与健康监测的发展现状进行文献综述,总结该领域的研究现状及主要方法。综述风电装备中复合材料叶片、齿轮箱、发电机三大部件的主要故障特点、故障形式及诊断难点,并结合国内外相关文献系统地介绍并比较了现有的针对三大部件的故障诊断与健康监测方法,最后对该领域的发展方向进行了展望。

0、引言

得益于全球对清洁可再生能源的巨大需求及风电装备制造技术的长足进步,全球风电装机容量不断稳健攀升。据全球风能协会(GWEC)统计,截止至2018年底,全球风电装机容量达597 GW,其中中国成为第一个装机容量突破200 GW的国家,达216 GW,在全球总装机容量中占比超过36%,继续保持着全球风电龙头的地位,是名副其实的风电大国。

当前,阻碍风电行业继续健康发展的一个重要因素是风电装备与传统化石燃料相比,单位能源的产出需要更高的成本。诺贝尔物理学奖得主、美国前能源部部长朱棣文指出大型风电装备运行安全保障的严峻性和必要性,高昂的运行和维护成本是该领域需要解决的重要问题[1]。风电装备多服役在人迹罕至的偏远地区或近海地区,且随着技术的发展,风电装备不断朝着大型化的方向发展,风电叶片直径不断攀升,造成安装重要设备的机舱距离地面也随之升高,给风电装备的运行维护带来了极大困难,推高了机组的维护成本。由于风电装备整体技术状况和风场条件等与西方发达国家存在一定差异,中国风电装备的运维成本在收入中占比居高不下,对于服役年限为20年的陆上风电机组,其维护成本在风场总收入中占比达10%~15%;对于海上风场,占比更是高达20%~25%[2]。风电的运维成本居高不下主要是由风力发电装备的运维模式决定的,目前多数风场采用定时检修的方法,潜在的故障不能被及时发现,而完好设备的重复检修也会增加运维成本。除此之外,不能及时判断故障来源,只能通过多种手段逐一排查也会带来巨大的运维成本。解决该问题的一个方案是发展风电机组的结构健康监测(SHM)系统,在预防灾难性事故发生的同时,延长风电机组的服役寿命,从而降低风电单位能源的产出成本,因此,针对风电行业发展SHM系统势在必行。

1、风电装备监测系统现状

风电装备结构类型众多,主要包括:双馈异步式风力发电机(可变速变桨运行风轮)、直驱永磁式同步风力发电机以及半直驱式同步风力发电机等。与直驱型风力发电机相比,双馈异步式风力发电机含齿轮箱变速装备,其基本结构如图1所示,该类型风电装备占市场份额70%以上。因此,本文主要针对该类型风电装备的故障诊断与健康监测进行综述。

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图1 双馈型风力发电机基本结构

风电装备长期在阵风等复杂交变载荷作用下全天候运行,恶劣服役环境严重影响了风电装备的运行安全和维护保障。交变载荷作用于风电叶片上,并通过传动链中的轴承、轴、齿轮、发电机等部件进行传递,使得传动链在服役过程中极易出现故障。目前,广泛配备在风电装备上的监测系统为SCADA系统,可对风电装备的运行状态实现电流、电压、并网情况等多种情况监测,并具有报警和报告等功能;但该系统监测的状态参量有限,以电流、电压、功率等信号为主,尚缺乏针对关键零部件的振动监测与故障诊断功能[3-5]。国外特别是西方发达国家很早就开发了专门用于风电装备的状态监测设备及分析软件。国内的振动监测技术虽起步较晚,但在国内巨大风电远程运维市场需求的推动下,国产监测系统的开发也进入到快速发展阶段。风电装备的智能故障诊断及预警防护可实现风电运维的降本增效,已经获得了风电行业的一致共识。

2、风电装备主要故障特点

风电装备是一个复杂的机电系统,由转子(叶片、轮毂、变桨系统等)、轴承、主轴、齿轮箱、发电机、塔架、偏航系统、传感器等组成。风电机组各部件在服役过程中承受交变载荷,随着服役时间的增加,出现各种类型的损伤或故障在所难免。

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图2 风电装备各部件维修费用比率

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图3 风电装备各部件停机时间比率

从图2、图3[6]中可见,叶片、齿轮箱、发电机三者导致的停机时间在总体非计划停机时间中占比超过87%,且维修费用在总维修费用中占比超过3/4。因此,在风电机组的状态监测、故障诊断与健康管理中,叶片、齿轮箱、发电机是需要重点关注的三大部件。中国可再生能源学会风能专业委员会在2012年的一项针对全国风电设备运行质量的调查中指出[6],风电叶片的故障类型主要包括开裂、雷击、折断等,而产生故障的原因包括设计、生产、制造、运输过程引入以及服役阶段的自身及外部因素。齿轮箱的主要作用是将低转速风能稳定地用于发电,提高主轴转速。在风电机组运行期间,齿轮箱较易因受到交变应力及冲击荷载等影响而发生故障[7]。齿轮箱的常见故障包括齿轮故障和轴承故障,齿轮箱故障多始发于轴承。轴承作为齿轮箱的关键部件,其失效常常会引起齿轮箱灾难性的破坏。轴承故障主要包括疲劳剥落、磨损、断裂、胶合、保持架损坏等[8],其中疲劳剥落和磨损是滚动轴承最常见的两种故障形式。最常见的齿轮故障包括磨损、表面疲劳、破损和折断等。发电机系统的故障分为电机故障和机械故障[9]。机械故障主要包括转子故障和轴承故障。转子故障主要包括转子不平衡、转子破裂和胶套松动等。电机的故障类型可分为电气故障与机械故障,其中电气故障包括转子/定子线圈短路、转子断条导致的断路、发电机过热等;机械故障包括发电机振动过大、轴承过热、绝缘损坏、磨损严重等。

3、风电装备故障

诊断与健康监测

3.1 复合材料风电叶片

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图4 风电机组事故统计

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