风力发电机组旋转机械的故障诊断技术

国华瑞丰（荣成）风力发电有限公司 潘山坡

1 引言

随着人类社会、各行各业对资源的需求量不断增加，面对资源匮乏的生存与发展难题，水力发电、风力发电等一些可再生的资源能源开始备受关注。在这种形势下，风力发电及其相关技术也变得更加成熟化。包括风电机组的操作层面、系统设计层面、安全运行层面，界内均加大了研发与设计，旨在更好地确保风力发电机组能够正常工作。但即便如此，风力发电机组在运行工作中依然会很容易出现一些潜在的危险、事故等，需要充分重视起来。结合现实来看，最常见的故障、安全事故之一就是发电机组的旋转机械的运行问题。

2 风力发电机组的应用概述

2.1 风力发电机组的运行原理

关于风力发电机组，风电机组的运行工作，实质是利用风轮上的叶片，顺势将风的动能合理转变成为机械能。随着机组旋转机械的转动和运行工作，继而为发电机的运转提供了较为充足的能源。虽然风力发电与水力发电、光伏发电相比，对再生资源的整体利用率很有限，但依然能够为不少资源匮乏地区、生态环保重点建设地区提供较多的风电资源。

风电机组由多个不同部位结构来构成。包括发电机设备、高速轴、主轴、轮毂、主轴轴承、齿轮箱等。风电机组主轴设备如图1所示。

图1 风电机组主轴设备

叶片的作用是让整个机械设备可以获得风能。其中，轮毂是主体转轴结构与叶片进行连接的基础部件。主轴轴承所起到的作用就是负责风轮、齿轮箱的工作，而发电机可以进一步将工作中的机械能顺势转化成为电能。风电机组风机轮毂-叶片结构如图2所示。

图2 风电机组风机轮毂-叶片结构

风电机组各个部位、部件彼此间相互衔接，起到着相互辅助和相互保护的作用。所以，确保各个部件、组件的质量和性能，也就意味着提高了风力发电机组的整体保障性、整体运行安全性。

2.2 风力发电机组的风险要素分析

对于大型的风力发电机组而言，安装设计好之后并非一劳永逸的，而是需要做好监督与性能监测，防止出现意外或突发事故。结合风能发电工程项目的实际应用现状，将影响风力发电机组正常工作、安全运行的一些潜在风险隐患，归纳为影响发电机组安全的风险要素。对日常工作情况、故障诊断现状、不同问题的出现频率，归纳为三类不同的风险要素。风力发电机组常见的风险要素详见表1。

表1 风力发电机组常见的风险要素

第一类风险要素：风力发电机组中的传动链。传动链直接影响着整个风力发电的效率。结合多地的大型风力发电机组工程来看，传动链主要是由主轴承、风轮、齿轮箱和发电机等部件构成。

研究取证和查阅了本地以及周边多个县市地区大型风力发电机组的数据记录、维修记录。从中发现，传动链的风险基本来源于“超速”，即风力发电机组在超速运行状态下，会直接影响传动链各零部件。风轮、叶片等在转动过程中，长时间超速，脱离控制，会造成传动链或者整个发电机组都发生损毁。

在风险的具体评估方面，技术人员一般直接选取传动链上一个部件的转速，来进行评判。正是出于该方面的考虑，所以在整个风力发电机组最初的功能设计层面，最关注的就是机组各系统的安全性能。当发现该部件出现了明显的超速情况时，设置的安全系统会在第一时间上传输入。

第二类风险要素：重要子系统中包括变桨系统、偏航系统、变流器、振动监测系统。振动监测系统是近几年界内技术研发投入与关注最多的技术板块。振动监测系统的功能较多，尤其是在发电机组的各类故障诊断与分析层面，效果也比较理想。

重要子系统中的常见故障与风险隐患[1]，主要来源于各个系统部件的操作。以偏航系统为例，在偏航系统中有一个扭缆限位开关，开关的作用就是用来保护电缆不过度扭缆。但开关一旦出现一些意外情况，整个风电机组的电气系统会直接被破坏，导致系统损毁与失效。再以变桨系统为例，变桨系统是风力发电机组的气动刹车机构。如果气动刹车失效，有可能会直接损毁整个机组。振动监测系统在工作运行中，也容易出现一些故障。如利用振动监测系统来检查机组各部位、各个运行工作阶段的振动情况、整体运行数据情况等。这也就意味着，无论是由于技术原因还是人为操作，使得振动监测系统失灵，所有的数据、指标也可能都是混乱的，一旦失灵失效，可能导致整个风电机组严重损毁。

重要子系统是大型风力发电机组安全系统的必须输入，也是各地单位和技术检修维护人员最需要重点考虑的风险要素。

第三类风险要素：风力发电机组中的控制系统[2]。控制系统是最后的防线，包括重要子系统、传动链等，均受到总控制系统的保护。控制系统处于整个机组的逻辑控制保护层，也就是PLC（控制器）。在运行工作中，当PLC 失效，机组的控制系统为了确保整个机组的安全，会第一时间发出指令，命令机组停机。

3 风力发电机组旋转机械故障分析

风电机组尤其是大型的风电机组在工作运行期间，无论是因何种原因所导致出现的故障和问题，如三大类风险要素，绝大多数情形下基本都是表现为“转动问题”。因为风电机组得以实现发电，直接的作用就体现在机组通过风轮叶片等设备部件的转动，将风能转化为机械能、电能。所以，风力发电机组在工作运行中，无论是因何种风险要素，经常遇到的故障基本都是风轮转动过程中的异常。比如，异常响声，超速转动、叶片结构破损或者出现裂缝、机舱罩晃动等。一旦出现以上各类情况，应第一时间及时监测和应对，否则很有可能造成不必要的人员伤亡、财产破坏。

究其根本，以上故障和异常情况，基本与旋转机械的异常不可分离。

3.1 温度检测或油液检测旋转机械故障

如旋转机械转动速度在运行中，未能安全要求达到既定的标准，很大程度上是受到了刹车片的影响，即刹车片的作用被削弱了。这种情况下，结合以往的故障案例来看，很多情形下会进一步造成弹簧结构失效。一旦发现不够及时，随着工作运行的持续，会使得发电机组转子和定子持续接触摩擦，加剧风电机组的故障。极端情况下，发电机组停止工作后，风轮依然继续转动。再加上大型的机械设备本身灵活性也比较差一些，所以无法及时调向，包括风电机组的控制系统（安全系统），也有可能无法有效控制。之所以如此，很大程度上已经彻底表明旋转机械已经失灵、失控。如调向装盘轴承中的润滑油效果很差，因超速转动，还有可能引发火灾等。这也是日常的检修维护、系统检查中，容易疏忽的细节问题。

在日常的维护管理中，建议合理利用温度检测技术、油液监测技术。如油液检测，检测油液的质量情报与数据分析[3]，可以帮助控制系统的后台或者技术维护人员，及时针对与油液接触的部件的运行情况加以综合分析。运用有效的方法针对污染程度进行测试。当下，风力发电机组的油液分析往往都是利用离线检查技术来进行的，而与早些年相比，近几年界内的相关技术已经成熟，可以胜任和满足这一点。比如像传感器技术等，已经得到了全面的发展进步，从而为油液检测工作的发展创造了良好的基础。

3.2 振动检测旋转机械故障

众所周知，机组中旋转机械故障的发生类型还有很多，如摩擦问题[4]、机械松动问题、轴裂缝问题，如此种种。如上文中提到的风轮在转动过程的异常响声、摩擦声等，一旦响声异常、摩擦声非常大的话，随后一段时间内，机舱罩也会随之晃动，叶片等结构也会出现裂缝的情况。关于这一点，大量的工程实例已经证明，主要原因是风轮轴承底部结构出现了破损，继而导致这种故障的发生。同理，如果齿轮箱轴承也存在破损，同样也会造成风轮叶片脱落、结构裂缝等故障的发生，因为这种运行状态之下，叶片无法承受冲击力，使得桨叶的转动速度一直处于异常状态。

对于此类故障的排除、检修、诊断分析，还是建议要做好日常的巡护、系统数据监测报告。振动检测技术应用其中，可以对轴承、齿轮、发电机轴承、主轴等[5]，对各个部件的振动情况与数据记录，可以实现全过程监控与分析，帮助管理人员及时获得较为准确的故障信息。

4 结语

目前风力发电技术、风力发电机组项目的建设，无论是技术保障、安全性能、稳定工作等各个方面，均得到了空前的提升。未来随着风力发电技术的逐步成熟，将为中国经济、为全球经济的发展作出巨大贡献。本文研究中，也结合当地的大型风力发电机组在过往的工作运行现状，基于常见的一些故障问题，从技术保障、细节监测管理层面，提出了一些对策建议。