风力发电机组关键部件检测的文献综述

风力发电机组关键部件检测的文献综述

作为一种清洁的可持续能源，该能源已成为许多国家可持续发展战略的重要组成部分。从2007年起,风力发电已成为继火电和水电之后的第3大新增发电电源。根据全球风能理事会的统计,过去10年全球风力发电产业平均增长达到25%。而我国的风能开发更是飞速发展,已经成为全球最大的风电市场。预计2009年,我国风电机组新增装机容量将首次超过美国,达到13GW,连续4年保持了装机容量比上一年度翻番的发展速度,总装机容量将超过26.27626GW,居世界第417-25。国内外风电场单机容量已增至兆瓦级,因此近年来我国大批兆瓦级新型风力发电机组匆忙投入规模化生产运行,质量和运行可靠性问题突出,增加了技术和经济风险。由于风资源分布的限制,风力发电场多分布在远离城市的荒漠、山区、牧场;随着海上风能的开发和利用,近海或滩涂风力发电场将成为未来风电的重要发展方向,这都给机组的运行管理和维护带来了极大的困难。为了合理地运营和完善地维护风电场,提高风力发电机组的运行效率和可靠性,对每台风力发电机组运行状况的监测必不可少。1风力发电机工作原理风力发电机组是利用风力发电设备把风能转化成电能,以满足用户的电力需求。就目前的技术水平而言,风力发电的基本原理就是通过风轮把风的动能转化为机械能带动发电机旋转发出电能。目前,市场上绝大部分大型兆瓦级风力发电机组都是双馈型的风力发电机组,它主要有风轮、机舱、塔筒3部分组成,如图1所示。风力发电机组都架设在70m以上的空中,其工作环境条件恶劣,机组的受力情况也非常复杂,风力发电机组的桨叶的转速随环境风况的变化而变化。对于风电场所在的区域,其风况变换一般比较多样,工作风速在2~30m/s之间;对于沿海区域和海上风机,当台风来临时,最高风速可达50m/s以上。在风力发电机组的工作过程中,其受到的风速也是不断变化的。当阵风袭来时,风轮和桨叶会受到短暂而频繁的冲击载荷,这个时变载荷会传递给传动链上的每个部件,并通过各部件的刚性连接,给其工作寿命造成极大的影响,使风机在运行过程中出现各种故障。2风能吸收部件机组风力发电机组在运行过程中,由于不断受到变化的冲击载荷作用,尤其是风能吸收部件——桨叶、轮毂以及与轮毂刚性连接驱动链上的部件——主轴、齿轮箱、高速轴和发电机都容易出现故障,造成机组停机。对此,国内外许多研究机构和组织都进行了长期的追踪和统计。2.1风力发电系统近10年内,西班牙纳瓦拉能源水电集团(EHN)公司负责运行和维护的风力发电机组超过2700台。它们分别安装在EHN或第3方所有的69个风电场。EHN公司对2001~2003年风力发电机组主要部件的故障比例统计如表1所示。2.2风电机组故障的估计结果瑞典皇家理工学院(KTH)的可靠性评估管理中心(RCAM)对分布于瑞典、芬兰、德国的2151台风发电机组的故障情况进行了统计,结果如表2所示。2.3风电场不同主要构件的故障在我国发展与改革委员会能源研究所与中国可再生能源学会风能专业委员会组织的调研中发现,各整机制造企业的产品在运行和试制过程中均出现过质量问题,典型问题及原因如表3所示。从国内外统计数据可知,大型兆瓦级风力发电机组的故障主要集中在齿轮箱、发电机、低速轴、高速轴、桨叶、电气系统、偏航系统、控制系统等关键部件。这些部件约占整个机组总成本的80%~90%,它们发生故障后,造成风力发电机组停机维修时间长达1~8d。由于风电场多建于远离城市的偏远地区或近海区域,交通不便;加上风力发电机组处于高空,对其维护非常困难;一旦某个机组出现故障造成停机,不计停止发电的损失,单是整个机组的重新吊装和部件更换,都需要极大的人力和物力,单次维护成本就可能超过百万元人民币。因此,必须在风力发电机组运行过程中实时监控各关键部件的运行状态,根据监测数据和状态类型,及时诊断各部件存在的隐患,预测将来可能会出现的故障,以便于及时采取措施,防止造成严重损失,提高风力发电机组运行的可靠性,延长其使用寿命。3不同部件故障的表现形式风力发电机组的故障多集中于若干个关键部件——齿轮箱、桨叶、轴系(高速轴和低速轴)和发电机。对于不同部件,其产生故障的原因和对应故障的表现形式各不相同。分析风力发电机组的内部结构和实际运行情况,可总结得到各关键部件的故障原因与现象。3.1润滑不当造成齿面磨损或断裂执齿轮箱故障的主要原因有:①由于安装或使用不当,产生输入/输出轴的不对中,与联轴器发生错位,造成输入/输出轴承的磨损;②由于齿轮箱内部润滑不良,造成齿面磨损,或输入/输出轴承润滑不好,造成轴承过早磨损;③由于大气温度过低,润滑脂未得到适当加热而形成凝固,从而影响润滑脂到达需要润滑的表面,造成表面磨损;④在高温环境下,若润滑脂散热不好,经常过热,使润滑脂提前失效,损坏机械表面。这些都会影响齿轮箱正常工作,阻碍功率传递,产生噪声,造成齿面严重磨损或断裂、轴承内外圈或滚珠损坏,缩短齿轮箱的工作寿命,严重的将迫使风力发电机组出现停机故障。齿轮箱故障原因与现象如表4所示。3.2传动链的改变桨叶是风力发电机组的风能吸收装置,也是能量转化器。它通过自身的旋转把风能转化为机械能,带动轮毂转动,进而把机械能传递给机舱内的传动链系统。在风电场里,空中的风速是不断变换的,风速从0~30m/s;在沿海或山区,最大风速甚至可超过50m/s,因此,桨叶受到不断变化的冲击力的破坏,还有空气中盐分对其表面材料的腐蚀。冲击力造成桨叶刚性下降,形成应力损伤和结构疲劳;气体腐蚀则造成桨片表面材料的抗疲劳能力下降和表面裂纹。桨片故障原因和现象如表5所示。3.3生活发电机旋转轴系包括低速轴和高速轴。低速轴把轮毂的机械能传递给齿轮箱,由齿轮箱带动高速轴旋转,拖动发电机转子运动,发出电能。低速轴/高速轴采用轴承继承,通过联轴器与其他部件连接。若低速轴/高速轴在连接处的轴线不对中、产生偏差,其运转时会产生很大的扭力,迫使联轴器和低速轴/高速轴都发生形变,进而引起轴承受力疲劳甚至断裂。3.4发电机输入端存在严重故障风力发电机组利用发电机将机械能转化为生产、生活需要的电能,因此发电机输入端吸收机械能,通过转子的旋转输出电能,馈送到电网。发电机的输入端也存在对中问题;当发电机的运动超过额定转速,将会损坏其转子和定子线圈;而若转子和定子线圈的绝缘性不好,则会造成线圈的短路,影响发电的正常工作。发电机故障原因和现象如表6所示。4风力发电机关键部件的监测随着时间的积累在风力发电机组在运行过程中,由于受到外部环境的影响,或安装和使用不当,其各部件都会出现这样那样的问题,尤其是国产兆瓦级风力发电机组的问题尤为严重。如何及时发现风力发电机组故障发生的具体位置,进而及时判断将来可能会出现的故障,是每台风力发电机组在运行中亟待解决的问题。从上文对各部件故障原因与现象的分析中可看出,对于某一部件特定的故障可表征为特定的物理现象。①若齿轮箱轴承或齿面出现磨损,在运行中其振动频率会发生变化,产生的噪声也会有异常。因此,齿轮箱中不同零件的不同故障会产生不同的故障频率。通过分析齿轮箱的运行状态频率信号,可精确地判断出是哪个零件出现问题。通过测量齿轮箱的润滑脂的温度和压力,也能及时地了解其内轮滑情况。②当高速轴和低速轴的连接部位不对中或传递的力矩过大,同样可通过振动信号分析得到。而实时测量轴的转速,可避免机组的超速运转。③发电机的输入轴不对中,会造成其振动异常,噪声偏大,因而可在发电机输入轴侧实时监测振动和噪声这2个物理量,利用合适的分析方法获取发电机输入端的工作状态,一旦发现工作异常,可及时判断出现问题的位置,或判断将来可能会产生故障的位置;当发电机超过额定转速,会造成转子温度过高,因此可通过监测转子温度来间接获取转子转速信息。④桨叶直接受到风的作用,其振动和应变情况反映了桨叶实际受力情况和自身状态;控制桨叶的速度,也能保证风力发电机组不会超速运行。⑤机舱的整体振动反映了外部环境对机舱的冲击;温度信息控制着整机的运行,一旦机舱内温度过低,需启动机舱内加热器;温度过高则需启动机舱内风扇;若温度仍未能恢复到机舱内部件的工作温度,则整机必须停止运行,这有助于在严冬极低温度和夏季酷暑高温下保护机舱里的关键部件。综上所述,通过对风力发电机组各关键部件不同物理量的监测,可实时监测这些部件的工作状态。各部件的监测对象如表7所示。对于表7中各物理量测量,可选择合适的传感器来完成。而传感器的安装,即要考虑不同部件故障产生的具体位置,还要考虑该部件的物理空间。图2给出了某兆瓦级风力发电机组的部件监测所使用的部分传感器的类型和测量位置。这些传感器能及时地在线获取风力发电机组部件的运行状态。当某部件的某些功能不能正常运行或即将出现故障时,其振动、噪声、温度等会产生一定程度的外在反应,此时,机组运行人员或维护人员可通过传感器得到异常信息,及时对部件作相应维护处理,避免部件严重损坏,或发生大的故障。把这些传感器组合在一起,就形成了一套合理、完善的风力发电机组状态监测系统。该系统能实时监测风力发电机组各部件运行的变化,根据监测得到的信息分析部件的工作状态,判断部件是否存在问题,推断部件在何时会出现故障,为部件的维护和保养提供重要的信息,保障风力发电机组长期可靠地稳定运行。5风机部件状态监测系统的确定本文从目前国内外风能的实际发展出发,根据大型兆瓦级风力发电机组在运行中所产生的故障情况,分析了风力发电机组各部件的故障原因与现象,给出了风力发电机组状态监测系统具体监测的各部件的物