风电机组振动监测（一）
摘要
由于风场的环境恶劣加之自身结构等特点，风力发电机所受的外部激振力和振动自由度相对其他大型旋转机械要多。所以长期以来，振动是风电发电机组运行中最常见的主要故障之一，又是原因最复杂、最不容易解决的问题，严重时会形成振动事故，造成设备损害。风力发电机运行是否正常直接影响着风力发电的产量，风机故障可能会导致机组本身的损坏，甚至有可能造成更严重的后果。为了保证风力发电机组稳定运行和高效的利用风力资源，有必要对风力发电机组振动进行研究；为了保障风机的安全运行，对其运行状况进行振动状态监测与故障诊断非常重要。
本文重点研究了振动诊断和监测技术在风力发电机组状态监测，完成以下工作:
首先，由风力发电机组所受外部激振力及其自身结构特点，研究分析了风力发电机组整机系统、偏航系统、叶片、齿轮箱、主轴承、发电机的振动特征。
其次，根据风力发电机组的振动特征，总结了几种风力发电机组振动诊断方法。
最后，设计完成了风力发电机组振动监测系统。
关键词:风力发电机组；振动诊断；振动状态监测。



第一章绪论
1.1风力发电的现状
目前世界能源主要来自不可再生的能源，如:煤、石油、天然气和核能。这样的能源结构不仅导致能源的短缺，而且造成严重的环境问题。风能作为一种可再生清洁能源已越来越受到全世界各国政府的欢迎和重视。图1-1为各国的风机装机容量，全球的风能资源约为2.74x1012Kw，其中可利用的风能为2x1010KW，比地球上可开发利用的水能总量还要多10倍。2005年2月旨在限制温室气体排放量的《京都议定书》也已正式生效，这对世界风电行业的发展将会带来重大的影响。随着风电各项技术的成熟，风力发电在抑制二氧化碳排放可大大降低，稳定石油价格波动等能源问题上的优势将会越来越明显，在世界范围内风电行业正蓄势待发。

图1-1各国风机装机容量
1.1.1国外风电发展现状
到达地球表面的太阳辐射能量约有2%转化为风能。估计全球风能总量约2.74万亿千瓦，其中可利用的风能为200亿千瓦，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。目前风电已成为世界上增长最快的新能源，在过去的20年里，全球风电装机总量以28%的速度快速增长，截至2009年，全球风电装机容量已达159213MW，增长率为31.7%，是自2001年以来增长最快的一年。按照这种增长势头，全球风电装机容量每三年就会翻一番。美国装机总量保持世界第一，中国以微小的差距赶超德国位居第二位，德国排名第三。中德两国的总装机容量都在26000MW左右。全球新增装机容量的40%来自亚洲，位于各大洲之首，北美洲紧随其后为28%，欧洲是27.3%回落到第三位。如图1-2所示。


图1-2 2003-2009各地区装机容量
1.1.2国内风电发展现状
我国的风能资源丰富，储量居世界首位。可开发利用的风能储量约10亿kW，其中陆地上风能储量约2.53亿kW（陆地上离地10m高度资料计算），海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW。如果扩展到50~60m以上的高度，风力资源将有望增加到20亿~25亿kW。
十几年来，国家对风能资源状况做了深入的勘测调查，风能资源分布很广，在东南沿海、山东省、辽宁省沿海及其岛屿年平均风速达到6~9m/s，内陆地区，内蒙古自治区北部、甘肃省、新疆维吾尔自治区北部及松花江下游也属于风能资源较丰富的地区，风速达到6.3m/s，在这些地区均有很好的开发利用条件，如表1-1所示。
表1-1 我国风能储量分布表（单位：万kW）
省份    可开发量    省份    可开发量    身份    可开发量
内蒙自治区6180    辽宁省    610    黑龙江省    1720
吉林省    640    甘肃省    1140    河北省    610
山东省    390    江苏省    240    新疆    3430
海南省    64    江西省    290    浙江省    160
福建省    140    广东省    200        
2009年中国（不含台湾省）新增风电装机10129台，容量13803.2MW，年同比增长124%；累计风电装机21581台，容量25805.3MW，年同比增长114%。华北地区新增风电装机容量7457.3MW，连续四年位居各区域之首。其他地区新增风电装机容量：东北（3021.9MW），华东（1579.89MW），西北（1275.8MW），中南（359MW），西南（55.6MW）。截止到2009年12月31日，中国风电累计装机超过1000MW的省份超过9个，分别为内蒙古（9196.2MW）、河北（2788.1MW）、辽宁（2425.3MW）、吉林（2063.9MW）。内蒙古2009年当年新增装机5545.2MW，累计装机9196.2MW，实现150%的大幅度增长。如图1-3

图1-3 中国各省风电累计装机情况（单位：MW）
1.2风力发电机组存在的问题及振动监测与故障诊断必要性
1.2.1风力发电机组存在的问题
目前我国已建成的风电场的风力发电机组有相当部分是上世纪90年代中后期由国外购进的，其单机容量为250Kw、300Kw、500Kw、600Kw、660Kw、750Kw等几种机型。这些机组寿命一般为15-20年，保修期为2年，随着机组运行时间的延长，目前这些机组陆续出现了一些故障，包括风轮叶片、齿轮箱、发电机以及控制系统等故障，从而导致机组停止运行，严重影响发电量，造成经济损失。目前在我国运行的风力发电机组中，出现故障的概率己占了一定的比重，需认真分析研究。如图1-4所示。



图1-4各类型故障停机次数所占比例
比如对神华国华能源投资有限公司投运的风力发电机进行的一次故障统计，统计显示:虽然在停机次数上，风力发电机变桨系统、变频器、电气系统和电气控制占 61.9%，发电机、主轴承和齿轮箱占18.1%(如图1-4所示)，但从停机的时间上后者却占68.7%(如图1-5所示)。因此，保证发电机、齿轮箱、主轴承等机械零部件的安全运行至关重要，如图1-5所示。


图1-5各类型故障停机时间
1.2.2风电机组振动监测的必要性
风力发电机组是风电场的关键设备。长期以来, 风力发电机一直采用计划维修与事后维修方式。计划维修即运行 2 500h 和 5 000h 后的例行维护, 如检查螺栓力矩, 加注润滑脂等。该维修体制无法全面、及时地了解设备运行状况。事后维修则因事前准备不足, 往往造成维修工作旷日持久, 损失重大。以下两个实例可以看出对机组实施状态监测的必要性: (1) 一次某机组声音异常, 怀疑其传动齿轮箱有故障。用便携式测振仪采集振动数据, 经与其他机组比较后认为, 该机齿轮箱中间级和高速级存在异常, 开箱检查证实了该判断。由于发现及时, 故障没有进一步发展。类似这种声音异常是机械故障的重要特征, 只要留心就可及时发现。但 2 500h 和 5 000h 的例行维护都是在停机状态下进行, 无法反映机组运行时的状况, 况且时间间隔太长, 即便有问题也不能及时发现。(2) 某台进口风力发电机组, 现场人员反映振动较大。用便携式测振仪采集振动数据, 并与另一台同型机组比较后认为, 该机齿轮箱、发电机可能存在机械故障。由于该齿轮箱、发电机没有备件, 在检修期间该机组不得不停运, 影响了发电量。
风力发电机运行是否正常直接影响着风力发电的产量，风机故障可能会导致机组本身的损坏，甚至有可能造成更严重的后果。由于风场的环境恶劣加之自身结构等特点，风力发电机所受的外部激振力和振动自由度相对其他大型旋转机械要多，为了保障风机的安全运行，对其运行状况进行振动状态监测非常重要。
1.3风力发电机组振动监测的意义
风力发电机组振动状态监测与故障诊断技术在工程中应用的重大意义:
(l)提高机组运行的可靠性、安全性
振动状态监测与故障诊断技术能够及时、正确地对机组的各种异常状态或故障状态做出诊断，预防或消除故障，避免重大事故发生，保证风力发电机组安全，可靠地运行。
(2)给企业带来可观的经济效益
由于振动状态监测与故障诊断能避免因突发性故障发生造成的经济损失，延长机组使用寿命。还能为制定有计划的维修提供依据，可在无风期安排维修，缩短维修时间，减少备件数，降低风力发电设备的维修费用，能给企业带来巨大的经济效益。
1.4本文研究的主要内容
本文主要研究内容包括:
(1)风电的现状及存在的问题，风电机组振动监测的必要性，意义。
(2)风力发电机整机、偏航系统、叶片、齿轮箱、主轴承和发电机的振动。