风电机组在线振动监测系统开发与应用Word格式文档下载.docx
《风电机组在线振动监测系统开发与应用Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《风电机组在线振动监测系统开发与应用Word格式文档下载.docx（40页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
Abstract II
第1章绪论 1
1.1课题研究的背景和意义 1
1.2风电机组在线振动监测的应用情况 2
1.3主要研究内容 3
1.4本章小结 3
第2章风电机组振动故障原因分析 4
2.1风电机组总体结构 4
2.2传动系统设备振动原因分析 4
2.3非传动链系统引起振动的原因分析 10
2.4本章小结 11
第3章风电机组振动信号分析方法 12
3.1时域分析方法 12
3.2频域分析法 13
3.3包络谱分析法 14
3.4时频分析方法 15
3.5基于实际运行参数的振动故障辅助分析 15
3.6本章小结 16
第4章在线振动监测系统结构设计 18
4.1振动监测整体设计 18
4.2振动传感器的选型 19
4.3振动传感器的布局 19
4.4振动数据采集器 21
4.5振动分析现场服务器 21
4.6振动监控通讯方案 21
4.7振动分析中心服务器 22
4.8本章小结 23
第5章监控数据分析系统研制及应用 24
5.1网络数据传输 24
5.2振动信号特征分析 25
5.3振动信号算法库 27
5.4振动诊断参数 28
5.5设备基础信息库 29
5.6系统应用 29
5.7本章小结 34
第6章结论与展望 35
参考文献 36
ITT
攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果 39
致谢 40
作者简介 41
第1章绪论
1.1课题研究的背景和意义
（1）风电发展迅猛，已经成为能源的重要组成部分
随着上世界70年代石油危机的爆发，各国都纷纷寻找替代能源。
经过多年的探索和发展，风力发电已经成为技术最成熟、最具规模开发和商业发展前景的可再生能源发电方式。
目前全球能源供应仍以煤炭、石油、天然气等化石能源为主，但从长远来看，必将向以清洁能源为主的转变，欧洲一些国家都纷纷将提高风能等可再生能源占总能源消耗的比例作为未来能源的发展转型重点，如欧洲的丹麦目前风电的电量已经占全国电能消耗量的35%,并计划在未来提高到50%0在德国北部和丹麦全境可以到处看到树立的大型风电机组，目前海上风电场的开发建设也正在兴起。
根据全球风能理事会（GWEC）《2014全球风电装机统计数据》，2014年全球新增风电装机容量首次超过5000万千瓦，达到5148万千瓦，累计装机容量达到3.70亿千瓦，并持续保持高速发展。
在中国，随着《可再生能源法》的实施以及一系列鼓励政策的落地，我国风力发电从2005年开始进入了高速发展期，至2014年底已经成为全球风电装机最大的国家，稳居世界第一并遥遥领先，风电机组数量超过了5万台，约占世界风电新增总装机容量的45.2%,累计装机容量达到1.15亿千瓦，约占世界风电累计装机容量的31%o
据我国《能源发展战略行动计划（2014-2020）》，到“十三五”末，我国非化石能源占一次能源消费比重将达到15%0风电到2020年规划将达到2.8亿千瓦，比目前装机还要增加一倍，风电已经从我国能源结构中的一种补充性质的能源转变为重要的组成部分。
（2）风电机组可靠性不高，维修成本高
虽然我国风电快速发展，但是风电机组的健康水平并没有相应提高，飞车、倒塔、火灾等重大故障频发。
风力发电机组由风轮、主轴、齿轮箱、发电机、主梁、偏航系统、塔架、变频系统、控制系统等组成，其中风轮、主轴、齿轮箱和发电机组成了传动系统。
由于风电机组一般安装在高山、戈壁、海岛、高原等地，风湍流强度一般均较大且部分地区风切变指数偏高，造成风电机组风力瞬时载荷波动大，风电机组传动系统长期处于变工况的恶劣运行状态下。
从历年来风电机组故障情况看，传动系统中的主轴、齿轮箱、发电机故障率偏高。
从维修费用看，传动系统维修往往动用大型吊装，往往维修时间长，在总体设备维修费用中占绝大部分比例。
（3）风电机组机载振动监测不能满足实际运行需要
目前我国风电机组设计主要参照IEC61400系列标准制定，在相关标准中振动监测主要作为一种安全保护⑴，在设计时一般都安装一个振动传感器⑵。
但是早期一般安装振动球，加速度超过一定数值时，振动球掉落，通过行程开关触发振动报警，后期安装专用传感器可以数字化检测机舱的横向和纵向加速度值，但是这两种振动传感器都只能检测机舱整体振动，而且其灵敏性差，不能满足实际运行需求。
（4）设备维修理念不断更新，状态监测成为重要方向
设备的维修分故障维修、预防性维修和状态检修，状态检修已经成为火电厂、核电厂设备检修的重要方式，而风电场目前总体上仍处于故障后维修及预防性维修阶段。
风电机组设备缺陷主要通过人员巡检或定检等方式查找设备异常，劳动强度大、对人员技术要求高。
在我国风电快速发展及信息化高速发展的情况下。
采用状态监测设备可以及时分析设备状态，及时发现传动系统存在的异常，在还未发展成故障或事故时，及时制定维修方案，选择在小风、无风时进行，可大大节省成本，减少发电量损失。
（5）无人值班少人值守将成为未来风电场重要运行检修模式
风电场地处偏远地带，风电场无人值班，少人职守，减人增效已经成为风电业界开发商的共识，是未来风电场运营模式的重要方向。
通过在线监测手段，通过通讯链路及Internet将现场数据直接发送到诊断中心，通过分析，可以及时掌握故障趋势，制定维修计划，适应未来风电场运行检修模式。
综上所述，在风电快速发展背景下，风电机组在线状态监测具有较为广阔的市场前景，对于提高风电机组设备利用率、减少维修费用，降低风电场人员劳动强度等方面都具有积极意义。
1.2风电机组在线振动监测的应用情况
（1）国内在线振动监测系统现状
我国风电机组在线监测技术还处在初级发展阶段，大部分机组只安装单个机载振动传感器作为机组安全保护，属于最低等级的振动监测手段。
部分风电场维护公司或业主采购国外便携式离线检测设备，由现场人员定期采集数据，由仪器公司专业振动分析师分析诊断数据并出具报告，但是都不能满足实际状态检修方式的生产需求，目前国内绝大部分机组均未安装在线监测系统。
目前国内大学和研究机构，比如西北工业大学，西安交通大学，新疆大学，清华大学，华北电力大学，大连理工大学，沈阳工业大学，内蒙古大学等，对故障机理，测试系统等进行了相应的研究。
但是均处在发展和完善阶段，未真正进入商业化应用阶段。
（2）国外风电机组在线振动监测系统现状
目前，美国和欧洲一些国家机械轴与轴承方面的诊断技术等在国际上都处于领先地位，较多深层次的状态监测与故障诊断技术的研究，比较先进的研究技术主要包括：
小波神经网络、模糊自组织神经网络、人工智能、基于粗糙集的人工神经网络、基于模糊推理的专家系统在风力发电机组故障诊断上的应用。
已经有一些风电机组传动系统的监测系统实现了商业化⑵，如通用电气（GE）公司的BentlyNevada系统，SKF公司的SKFWindCon系统，Commutes的Tumingpoint系统等。
欧洲在线振动监测系统是电场业主对风力发电机组投保的必要条件⑶，第三方仪器供应商同时负责定期提供监测数据的分析报告。
一部分在线振动监测系统作为标配由风力发电机制造商集成提供，一部分在线监测系统的费用由电场业主支付。
国外厂家，比如本特利、SKF,Alstom阿海块、阿尔斯通创为实、申克、以色列WindSL等已经具有相应的产品，其中SKF在线振动监测市场占据较大份额。
我国己是风电大国，在未来我国风电仍将保持高速增长。
但是风电机组在线振动监测领域，我国研究开发及应用与发达国家仍有明显差距。
自主开发在线振动监测系统，符合我国国情和未来风电发展需求，有较为广阔的应用前景。
1.3主要研究内容
风电机组的在线振动监测系统主要是针对传统型风电机组开发的独立的监控系统，作为风电机组运行的重要辅助系统。
本课题主要研究：
（1） 分析不同机组引起振动的原因，从振动频率特性、故障模式等进行分析，找出风电机组相应的频谱特征。
（2） 根据风电机组的特点对比不同振动监测用传感器，分析比较适合风电机组用的传感器类型；
（3） 根据风电机组的特殊结构，确定振动传感器的布局方案，找出技术上、经济上的最佳布局方案。
（4） 对振动分析理论进行分析
根据风电机组的运行特性，找出适合风电机组分析方法，如时域指标分析方法、速度谱和包络谱分析法等进行分析，提高系统对振动信号分析的准确性和敏感性。
（5） 构建在线监控系统的系统构架
在确定测量方案的基础上，结合现有成熟的在线监控方案，确定在线监控系统通讯方案和系统构架，同时进行软件的编制和调试，确保系统能适合风电机组运行需求。
1.4本章小结
本章分析了目前风电发展现状，设备运行状况及未来风电机组检修模式等，说明了在线振动系统在风电行业的应用前景，明确了本课题的主要研究内容和方向。
第2章风电机组振动故障原因分析
2.1风电机组总体结构
经过多年的技术探索，风电机组设计理念逐步形成了以所谓的“丹麦设计”为基础的总体结构特点"
，即水平轴、三叶片、上风向和主动偏航。
实践证明具备上述特点的风电机组运行相对稳定、风能利用率、可维修性等指标都较好，是目前最主流的风电机组结构形式。
在我国绝大部分的机组，不论控制方式、容量大小普遍按上述结构为基础构架进行设计。
目前采用典型的“丹麦设计”风电机组由叶轮（三叶片及轮毂）、主轴轴承、齿轮箱、发电机、偏航系统、变频和控制系统、塔架和基础等系统组成，见图2-1所示。
从能量传递角度讲，风电机组的叶轮、主轴、齿轮箱、发电机组成了风电机组能量的传动链系统，其他如偏航、基座（主梁）、塔架等可统称为非传动链系统。
风电机组风能转换成机械能，机械能转换成电能的过程，正是由风电机组传动链系统完成的。
O
'
象站
散劣器
辑米
主染
维护用吊羊
齿粒箱
（!
）
A片
机械舞车家琉
控制！
5
主触
发电机
©
滋压站
踮flSJ
丧柴澧压忖
e>
CD
齿轮箱支排件
图2-1风电机组结构图
2.2传动系统设备振动原因分析
本文所说的振动，是指因设备异常引起的非正常振动，这种非正常振动作为故障情况进行考虑和研究。
传动系统设备因转速高、运行工况差，是发生非正常振动的主要部件，非传动链系统的设备发生概率相对就小，但是有些异常振动会造成严重设备损坏，也必须加以重视【6刀。
如前所述，风电机组中的叶轮、主轴、齿轮箱、发电机组成了风电机组的传动链系统，风电机组传动链系统是风电机组中故障率较高系统。
位于塔架顶端的机舱受风湍流和风切边的影响在运行中机组塔架摆动较大，机组始终处在变工况运行情况下；
传动链系统本身结构较为复杂、部件多、技术要求高，齿轮箱和发电机转速较高。
由于机舱运行环境较为恶劣，引发风电机组重大故障的往往是传动系统。
齿轮箱、主轴和发电机等设备，如果轻微故障不及时发现和处理，严重的甚至会造成机组“飞车”、“倒塔”等重大设备事故。
控制传动系统的故障，提早发现故障、减少故障损失，一直风电场运行维护中探讨的重要内容。
2.2.1主轴振动原因分析
（1）主轴结构
风电机组主轴主要的作用是承担和接受轮毂处传来的各种载荷，并将扭矩传递给齿轮箱，由于主轴有较好的承受轴向和径向的突变负载能力，可以改善齿轮箱的运行工况，将轴向推力和气动弯矩传递到机舱和塔架。
风电机主轴有挑壁梁结构和悬臂梁结构主轴两种，如图2-2所示，挑壁梁结构和悬臂梁结构主要是轴承的数量不同。
（a）挑壁梁结构 （b）悬臂梁结构
图2-2风电机组主轴轴承结构形式
（2）引起振动的主要故障原因分析
主轴总体上运行较为稳定的设备，故障率不高，引起主轴振动的故障原因有：
轴承损坏：
主轴轴承由于交变载荷或轴承工艺问题、轴承使用寿命到期、或雷电电蚀或所加油品不当、润滑不充分、不及时等原因造成轴承磨损或损坏，引起振动。
轴劲磨损：
主轴轴颈由于在长期运行中，与轴承摩擦造成磨损、松动，引发传动链能量传递不畅，引起振动。
主轴固定螺栓断裂：
主轴轴承在风电机组在运行中存在偏向力，承受一定的平衡偏向力功能，造成主轴固定螺栓受力不均，长期疲劳导致断裂，引起振动。
2.2.2齿轮箱振动原因分析
（1）齿轮箱的结构
齿轮箱是风电机传动系统的重要组件，是风电机组中传动链中结构最复杂，工艺要求最高的部件。
除了直驱型风电机外，其它所有类型的并网型风电机组都有齿轮箱，齿轮箱也成为变速箱，将主轴的低转速通过N级加速使高速轴输出的转速达到或接近发电机的同步转速。
风力发电机组齿轮箱的种类很多，按照传统类型可分为圆柱齿轮箱、行星齿轮箱以及它们互相组合起来的齿轮箱；
按照传动的级数可分为单级和多级齿轮箱；
按照转动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式以及混合式等等。
根据不同容量齿轮箱传动方式也有很多不同，但是目前大型MW级风电机组齿轮箱一般采用一级行星+两极平行轴结构，传动比在60-80之间，见图2-3所示。
齿轮箱一般主要部件包括箱体、齿轮轴、齿轮、润滑系统、辅助监测系统、油密封等构成，图2-4所示是齿轮箱现场安装图。
从振动监测角度讲，主要是关注齿轮箱轴承数量、轴承转速、齿轮齿数和材质等参数。
图2-3常用的一级行星轴和二级平行轴齿轮箱剖面图
图2-4齿轮箱现场安装图
（2）齿轮箱振动的原因分析
由于齿轮箱结构复杂，承载载荷情况多变，从历年的故障统计来看，在几个主要的传动链系统部件（如叶片，发电机，主轴）的故障率统计中，齿轮箱是最高的Mo引起齿轮箱振动的原因有：
齿轮损伤:
齿轮损伤的影响因素很多，包括选材、设计计算、加工、热处理、安装调试、润滑和使用维护等，齿面的破损后运行中将造成啮合不良，引起振动。
轮齿折断（断齿）：
断齿常由细微裂纹逐步扩展而成。
根据裂纹扩展的情况和断齿原因，断齿可分为过载折断（包括冲击折断）、疲劳折断以及随机断裂等。
过载折断总是由于作用在轮齿上的应力超过其极限应力，导致裂纹迅速扩展，常见的原因有突然冲击超载、轴承损坏、轴弯曲或较大硬物挤入啮合区等。
疲劳折断发生的根本原因是轮齿在过高的交变应力重复作用下，从危险截面（如齿根）的疲劳源起始的疲劳裂纹不断扩展，使轮齿剩余截面上的应力超过其极限应力，造成瞬时折断。
随机断裂的原因通常是材料缺陷、点蚀、剥落或其他应力集中造成的局部应力过大,或较大的硬质异物落入啮合区引起。
这些断裂同样造成啮合不良的情况，齿轮箱在运行中发生振动。
轴承损坏:
轴承是齿轮箱中最为重要的零件，轴承在运转过程中，承受套圈与滚动体表面之间经受交变载荷的反复作用，容易产生点蚀、裂纹、表面剥落等缺陷，逐渐使轴承失效。
轴承损坏包括主要轴滚珠（柱）磨损、保持架的损坏、轴承内外圈磨损或开裂等，轴承出现异常将影响传动链能量传递，显著增加轴承的径向载荷和轴向载荷，造成振动。
断轴:
断轴是齿轮箱最严重的故障，一般是由于在过载或交变应力的作用下，超出了材料的疲劳极限所致。
断轴一旦发生将引起机组极大振动，报警停机。
从齿轮箱的振动故障原因分析中，我们可以看出，齿轮箱的振动监测可以通过监测齿轮箱轴承和齿面和本体来进行。
2.2.3发电机振动原因分析
（1）发电机结构
并网型风力发电机组采用的发电机有异步发电机和同步发电机两种。
异步发电机按转子结构分有鼠笼式异步发电机和绕线式异步发电机，目前广泛应用的双馈异步发电机就是一种绕线式异步发电机。
鼠笼式异步发电机主要用于定桨距风电机组,在1MW以下的机型应用较多，见图2-5所示；
绕线式的双馈异步发电机主要用于变桨变频风电机组，是目前MW级以上的机组广泛采用发电机类型，从振动分析看结构基本相同。
同步发电机按照励磁方式的不同，有永磁同步发电机和电励磁同步发电机两种。
本系统主要面向目前使用最广泛的双馈式和鼠笼式发电机，一般此类发电机都采用双轴承结构。
图2-5鼠笼式异步发电机结构图
（2）引起振动的主要故障原因分析
风电机组用发电机的引起的振动的主要原因包括：
不对中：
不对中是指齿轮箱和发电机之间的联轴器同心度超差，导致能量传动时轴承径向载荷过大，造成发电机振动；
发电机轴承损坏的机理和其它轴承损坏机理基本相识，但是发电机还存在电磁环流，可能导致轴承滚珠的电腐蚀现象，加速轴承损坏，引起振动。
固定螺栓松动或弹性支撑损坏：
主要是在长期运行中，由于紧固不当、长期在恶劣工况下运行导致螺栓松动，另外弹性支撑破损也会导致螺栓松动，进而造成发电机振动。
双馈电机滑环装置损坏：
对于绕线式发电机而言,滑环装置如果松动、损坏或不对中也会导致发电机振动发生。
从结构上讲，由于联轴器连接发电机前轴承，弹性支撑也与轴承总体连接，滑环装置直接连接后轴承，作为对发电机的监控，主要监测对象为发电机的轴承。
2.2.4叶片结构及引起振动的主要故障分析
目前绝大部分的并网型风电机采用了三叶片、上风向结构，见图2-6所示。
风电机叶轮主要有定桨距风电机叶轮和变桨距风电机叶轮两种。
定桨距叶轮的结构相对变桨距简单，比较大的区别是变桨距叶轮轮毂中增加了个一套变桨驱动装置。
图2-6风电机组叶轮
叶轮是风电机组中将风能转换为机械能的装置，叶轮的振动的因素较为，分为外部因素和内部因素：
（1） 外部因素
高湍流强度的来流：
高湍流强度来流时风电机组感受到的瞬时风速变化大，
升级会员 