风力发电机轴承震动监测与预警技术.pdf

162研究与探索Research and Exploration 智能检测与诊断中国设备工程 2023.09（上）安装管理计划。石油化工机械设备具有高度自动化和机械化属性，能够有效加强石油开采工作效率，因此，要在进行设备安装前制定详细、科学的安装管理规范制度。以保证设备运行状况良好，持续性进行石油开采工作。要积极利用设备安装管理制度实现机械设备养护，全面提高机械设备安全隐患排查，让机械设备能够更好地投入石油开采工作中。第二，要制定人员规范操作管理制度。要确保管理人员在开展设备安装管理过程中，严格按照管理制度进行设备管理，保证规范性和操作性，最大限度地降低人为因素导致的机械设备安装故障。同时，要对安装人员进行专业培养，让机械设备零件从储存到运输再到安装，都能保持零件完整性，降低零件磨损与消耗。确保安装人员在进行设备安装前对零件进行详细检查，保证零件可用性。第三，要构建完善应急预案。应结合以往设备运行状态和故障出现评率，构建出符合实际设备运行状况的应急预案，保证应急措施能够解决突发状况。还应将设备规范安装管理制度与应急预案实现对接，保证安装流程时刻处于监控状况，确保机械设备运行态势完好。利用完善安装管理制度可以实现机械设备有效掌控，将机械设备故障概率降至最低。因为人们对风力发电机的基本设施以及几个主要的关键部件认识还不够，风力发电机组一旦出现了问题，就不得不根据制订好的规划修理，甚至是在出现问题后加以修复。为应对气候变暖、污染等挑战，世界燃料市场已逐渐进入以洁净燃料、可再生能源取代化石燃料的“第三次工业革命”时期。风电作为最主要的清洁再生能源之一，据世界风电委员会于 2020 年 3 月 25 日公布的全球风能报告中表示，2019 年全世界新增装机容量 60.4GW，累计装机容量将超过 650GW。1 风力发电机诊测时会出现的问题1.1 通过发电机振动、温度和转速等诊断机械故障利用震动、高温和频率变化等，发现了机械事故发电厂所产生的流量、压力和输出功率要是各不相同，与发电厂的机械设备问题有很大的关联。高频振动通常都是由轴承问题所造成的。由于高频问题的频率比较多，可以达到1000多，因此，要想获取轴承的故障特征信息，风力发电机轴承震动监测与预警技术刘冰1，刘昱萌2（1.安徽吉电新能源有限公司，安徽 合肥 231200；2.安庆高新吉电能源有限公司，安徽 安庆 246004）摘要：随着科技的快速进展，我国的风能发电工程的发展水平也有了提高。风能发电机作为风力发电机组的”核心”，其安全性将影响风力发电机组的安全与可靠运转。我国境内早期投运的风能发电机，受制于早期产品设计和生产技术水平，再加上运营期限较长，因此造成故障也时有发生。单纯的保养修理并无法从根本上解决故障隐患，且下塔维护改造的成本也较高，因此建造工期和停机时限都较长。关键词：风力发电；机组；轴承；故障预警中图分类号：TP277;TM315 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2023）09（上）-0162-03就要利用震动感应器来获取轴承的震动信息，进而根据这一信息加以分析，以处理机械故障中的轴承问题。对于轴承失效的检测，可采用峰值能量法、包络解调法、小波分析法和采用高速傅立叶变换的诊断法。振荡频率较低是因为轴系不准确、转子质量不均匀、机座容易松动等，为了得到上述信息，就必须先对振荡的信息进行过滤、放大等处理，继而实现傅立叶转换。在工作过程中，也会产生发动机转动偏心故障以及发电机定子与转动中间气隙不平衡的现象，这两种故障都是由于机械磨损以及环境温度增高等因素而引起的。谐波成分很关键，经过对发电机定子出口电流、电压、输出功率等信息中的谐波成分检测，将有助于判别电动机转子的偏心故障。在发电机定子和轴承都无法正常工作时，就可利用不断的大小波变换为发电机的输出功率发出信号。如果出现了一些不很明显的电气问题，气隙大小振动就可能由发电机定子的震动所引起，然后发电机转子和定子之间的5 结语综上所述，石油化工企业要在开展石油开采工作前保证设备运转正常，对机械设备进行故障排查和维护保养，以此来确保石油开采工作能够顺利进行。由于机械设备具有精密性、系统性特点，其工作运转流程会不可避免地产生故障，所以要保证设备养护水平提高，将故障概率降至最低。出现故障后要及时进行维修，以规范维修流程和管理方法来保证机械设备运行正常，保证石油化工企业生产经营状况良好。参考文献：1 李展,闫金龙.石油化工机械设备安装施工常见问题及措施 J.中国石油和化工标准与质量,2022,42(19):32-34.2 朱 旭.石 油 化 工 机 械 设 备 的 故 障 分 析 J.设 备 管 理 与 维修,2021(18):47-49.3 钟镪.石油化工机械设备安装施工常见问题与优化 J.化工设计通讯,2021,47(08):52-53+92.4 赵时超.石油化工机械设备维护检修技术研究 J.中国石油和化工标准与质量,2020,40(14):39-40.5 姚尚彪.石油化工机械设备的故障与规范探讨 J.石化技术,2020,27(03):259+263.设备9上.indd 1622023/8/30 14:32:38163中 国 设 备 工 程C h i n a P l a n tE n g i n e e r i n g中国设备工程 2023.09（上）气隙磁通发生了不均匀。通过定子的输出磁场解析，就可以解决定子的小震动问题。1.2 电气设备事故发出信号的管理首先，对某些参量的信息进行检测，给出的主要信息有发电机定子的导线情况、定子的电流、定子和转子中间的电流、发动机输出功率和转子车速等，接着再对其加以处理，最后才加以确定。要想找出电气设备不运作的主要因素，可通过定子电压测量方法、一小部分放电法的检测方法、振动检测法等。转子或定子线圈短路故障可以通过研究，发现是由发电机转子、定子线圈之间绝缘隔离破裂所引起的，此外，还有匝间短接、之间短接、层间短接等现象，所以，短路故障检测与判断一直是科学研究的重点。用来检测发电机的工作状况，并能够对电压、电流以及转动力矩等做出测量。如图 1，普通的风力发电机。图 1 风力发动机2 风力发电机轴承振动在线监测技术应用2.1 在线监测技术目前，主要机种中以双馈式发电机组居多，并具有大量的市场份额。由于双馈式发电机组的类型问题，大多出现于主控装置、传动系统、发电装置、电气设备和偏航变桨等基础装置中，而由于发电机又是整个机组的基础装置，因此对其进行轴承的问题预判与诊断，对于保证设备安全可靠进行更加关键。因此，采用了在发电机驱动端和非驱动侧轴承座位处装设震动感应器，可检测轴承的径向和轴向震动等信息。并通过震动感应器收集轴承运转中的震动信息，再经过处理后得出轴承运转的特征频率数据，比较轴承种类及在相同转速情况下的各部分功能的不同特征频率，从而诊断轴承种类的运行情况。发动机零件构造与配置的复杂化，机组对中情况下轴承工作情况的干扰，以及振动检测中存在的偶然原因影响，导致现场检测故障判定具有相当的困难。因此，现阶段使用的振动现场监测技术在一定意义上仅是将检测的震动信息加以分析和提炼，并进一步提取反映问题性质的数据，以便对发动机轴承的工作情况、问题潜在处和爆发特点作出鉴定与判断。2.2 轴承状态异常判别发电机轴承失效特性是一种逐步增长的过程，它在初始失效阶段由于缺陷磨损的增加而逐步增大，直到轴承寿命的结束。在此故障渐变系统中，具有相应的振动渐变趋向，利用这种趋向特征值的改变，就可以判断轴承的工作情况，以实现及时维修更换的目的。通常在检测发动机轴承工作情况过程中，根据检测设备所提供的特征数据和特征值，将轴承的工作情况区分为正常、注意、警告、报警和危险等五个级别。3 基于频谱分析的轴承故障诊断当在工作过程中风力发动机轴承出现未受迫的部分磨损时，会随着轴承的正常运行，对被磨损结构件区域产生周期性冲击，该周期性冲击将形成周期性振动特征，并在通过观察得到的振动频率分析谱图上得到了反映。轴承振动的频数根据轴承构造类型、几何形状、配合比例、运动速度和故障位置情况等结合原因判断，故可通过检测分析出的故障数量来间接判断轴承故障位置。通过检测发电机轴承在工作时的振荡信息，使用传感器收集历史数据，并对振荡的历史数据进行分析，将某部分振荡数据分析得到了相应的频谱区间响应图谱信息，并与正常状况下的知识图像进行了比较分析，从而获取了频谱图中与轴承各结构件特征频率相符的异常状态频谱信息，并根据其信号幅值响应图与时域分析的振动变化趋势进行比较分析，以判断由故障所引起的轴承行业缺陷部位和破坏程度。4 发电机轴承振动在线监测技术应用4.1 在线监测技术由于风能产业的持续发展，单机输出功率正逐渐向大功率海上风能机转变，而目前的陆上主要机种中仍以双馈式发电机居多，并具有绝大部分的市场占有率。双馈式发电机组的典型故障，大多出现于主要控制体系、传动控制系统、发电控制系统、电气设备和偏航变桨等重要电气设备，而且发电机系统为整个发电机组的核心装置，因此对其开展轴承故障预判与检查对于保证发电机组安全可靠运转尤为重要。通过在发电机驱动端和非驱动端轴承座相对位置处装设的震动感应器，可以检测轴承径向和轴向震动信息。使用振荡感应器收集轴承工作时的振荡信息，经数据分析得出轴承工作的特性频率参数，通过比较在轴承工作转速条件下的各部分结构的反常特征频率，评价轴承的正常运行状态。发电机零件构造与配置的复杂化，机组对中情况对轴承工作情况的干扰，以及振动控制中存在的偶然原因影响，导致在线控制故障诊断具有相当的困难。因此，现阶段使用的振动现场监测技术在一定意义上仅是将检测到的震动信息加以分析和提炼，并进一步提取反映其特点的信息量，设备9上.indd 1632023/8/30 14:32:38164研究与探索Research and Exploration 智能检测与诊断中国设备工程 2023.09（上）以便对发电机轴承的工作情况、事故潜在特点和触发点作出鉴定与判断。4.2 震动信号分析快速诊断技术在轴承的检测诊断技术中应用最普遍的一个技术是震动信号分析快速诊断技术。当轴承的部分损坏后，轴承上将出现周期性的宽带脉冲激励频率。根据轴承振荡的频率方式，可以分成以下三种。（1）低频率（小于 1kHz）段，即在轴承的故障特性频谱和设计错误所导致的震动特性频谱之间。对较低频度段的频段谱线加以研究，将有助于检测滚动轴承的相应问题。（2）中频段（1 20kHz)，指轴承表面磨损时所产生的轴承的固有振荡频率。通常是指通过共振调制技术可以得到有信噪比的振荡信息，以便于轴承故障分析。（3）高频率（大于 20kHZ)，是指轴承磨损所带来的冲击大于 20kHZ 频段能力划分，一般涉及数据中含有的大于 20kHZ 高频能力部分。高频信号分析通常作为检测初期轴承故障时最常见的一个方式。4.3 轴承振荡信号特征频率轴承一般是由滑动体、保护架和内外圈构成件所制成。在轴承运行过程中，会引起各部分结构件的频率响应，当某部分出现局部问题时，在回转运动过程中也会产生一定的冲击信号。不同结构件的频率特性因其构造和材料特点而有所不同，以下即为轴承中各组成部分的特征频率。而轴承所的频率特性，根据其构造特点一般在较低频率的 1kHZ 内。通常，发电机在工作过程中通过检测轴承的抖动等信息，并将信号数据加以滤波分析，从而确定故障特征频率，对应于轴承运动的频率特性，以评估轴承工作状况。针对目前最主要的 2MW 发电机组，目前应用较多的是双馈式异步型风力发动机，其通常具有 2 个轴承构造形式，即三轴承构造和二轴承构造。三轴承构造是在驱动器端配备圆锥滚子轴承和深沟球轴承的各一种，在非驱动器端配备一套圆锥滚子轴承；二轴承构造则是指在发电机驱动器端和非驱动器端都使用深沟球轴承。一般驱动器端为位置端，而非驱动器端为浮动端。这两类轴承的构造型式，在 2MW 双馈异步风力发动机上都有使用，其中又以三滚动轴承的构造型式相对较多。如图 2，风力发电机机组。图 2 风力发电机机组5 滑动轴承的震动特征分析技术5.1 特点参数分析法特点参数分析法在轴承的震动特征研究中起着很关键的作用。因为特点参数分析法仅需要一些技术参数，便可研究出滑动轴承的实际工作情况，也因为这种分析方法使用方便，研究结果也简单，而且特点参数分析法还具有对滑动轴承状况的研究中没有历史记录的好处。轴承类型的特征参数研究和治疗过程中常使用的技术参数分为 RMS、峰值等各类大小波特点技术参数，以及中心频段和低频域技术参数。小波和高频区间技术参数大多作为一种最基础的诊断，而利用这一数据方法往往是没有确切的治疗效果。所以，在实践中就需要适当地运用，以达到最佳的疗效。5.2 包络线法包络技术具有可以同时鉴定一个轴承中多个问题的优点，大大地增强了检测的精度。当轴承的部分磨损后，在运动的进程中就会撞击接触面上，并形成撞击脉动力。而由于摩擦力产生了很广的频谱带，而这里面又很可能含有另外部分的固定频带，就会产生与震动检测设备的共鸣。所以，由于被测振动加速度信息中含有载波共振频率及其上的故障特征频率产生的谐波传动能量。所以一般都可以选取在谐振频率的中心，此时，细微的故障信息将可以通过更高频率的谐振频段传输出来，使得人们可以直接通过传感器捕捉到。不然，高频率或低幅轴承故障信息在通过多个界面的反射衰减后，将变得更加不易被获得。使用低通滤波器可获得调制频率的包络线信息，进而使用高速傅里叶变换（FFT）获得含有故障特征频率的倍频分量的低频包络线信息。包络数据的频率信息能够很方便地检测轴承的问题。这一步骤也被叫作共振解调。6 结语风力发电机的状态会直接影响人们的生活质量，希望未来风力发电机状态监测和故障诊断技术能够得到普及。参考文献：1 李亚蕊,曹玉玲,冀璐.风力发电机轴承震动监测与预警技术 J.中国信息学报道,2020(05).2 冷明祥,赵俊,唐晓东,李正关,胡月,王兴东.风力发电机轴承震动监测与预警技术 J.天津大学学报(社会科学版),2021(02).3 李亚男,曹继龙,张智杨.风力发电机轴承震动监测与预警技术J.中国地质学报道,2020(05).设备9上.indd 1642023/8/30 14:32:38