DQZHAN技術(shù)訊：基于多技術(shù)融合的風(fēng)電大部件健康狀態(tài)大數(shù)據(jù)分析

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向著智能化方向發(fā)展，對(duì)風(fēng)機(jī)大部件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)提出了實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程、靈活、智能的要求。本文分析了風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，并提出了基于多技術(shù)融合的風(fēng)電大部件健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)方案?；谙嗤浖脚_(tái)的風(fēng)機(jī)大部件狀態(tài)監(jiān)測(cè)，促進(jìn)了多種狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)融合，有利于風(fēng)機(jī)早期故障預(yù)測(cè)和風(fēng)機(jī)健康狀態(tài)大數(shù)據(jù)分析。

引言

風(fēng)電機(jī)組的大部件包括塔筒、機(jī)艙和風(fēng)機(jī)主傳動(dòng)鏈等。風(fēng)電機(jī)組大部件的可靠性是機(jī)組**運(yùn)行的保證，也是保證設(shè)備可利用率，提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益的前提。根據(jù)業(yè)內(nèi)調(diào)查統(tǒng)計(jì)顯示[1]，風(fēng)機(jī)故障率*高的依次是箱變系統(tǒng)，變槳系統(tǒng)，偏航系統(tǒng)和齒輪箱。而故障引起的停機(jī)時(shí)間統(tǒng)計(jì)中，引起停機(jī)時(shí)間*長(zhǎng)的依次是齒輪箱故障、葉片故障和主傳動(dòng)鏈故障。綜合來(lái)看 75%的故障引起了 5%的停機(jī)時(shí)間，而 25%的故障引起了95%的停機(jī)時(shí)間。另外從風(fēng)電機(jī)組的維修成本上來(lái)看，大部件維修和更換成本高昂，占風(fēng)機(jī)整機(jī)價(jià)格和發(fā)電成本的比例較高。 在風(fēng)電的運(yùn)維成本構(gòu)成中， 定期維護(hù)成本占比遠(yuǎn)低于事后維修成本。因此如何有效減小風(fēng)電機(jī)組大部件事后維修成本成為關(guān)系風(fēng)電運(yùn)維服務(wù)重要課題，這就對(duì)風(fēng)電大部件狀態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)挖掘提出了很高的技術(shù)要求。風(fēng)電機(jī)組相比傳統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)，具有位置分散，機(jī)組臺(tái)數(shù)多，工況復(fù)雜性和隨機(jī)性強(qiáng)，面對(duì)的環(huán)境沖擊大等特點(diǎn)。這就為風(fēng)機(jī)大部件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)提出了實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程、靈活、智能的要求。

主傳動(dòng)鏈震動(dòng)檢測(cè)發(fā)展趨勢(shì)

目前對(duì)風(fēng)機(jī)大部件的監(jiān)測(cè)手段主要有針對(duì)主傳動(dòng)鏈和機(jī)艙、塔筒的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)齒輪箱油液監(jiān)測(cè)和風(fēng)電葉片的目視檢查等。風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)目前應(yīng)用較為廣泛，一般采取在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備和離線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備相結(jié)合的方面進(jìn)行。風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)具有變速變載，柔性支撐的特點(diǎn)，受環(huán)境和風(fēng)況影響較大，因此趨勢(shì)分析對(duì)風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)至關(guān)重要，在線(xiàn)實(shí)時(shí)設(shè)備可以自動(dòng)長(zhǎng)時(shí)間采集振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。而風(fēng)機(jī)的振動(dòng)是與風(fēng)機(jī)運(yùn)行、維護(hù)的各個(gè)方面相互關(guān)聯(lián)的，為提高風(fēng)電振動(dòng)故障診斷的準(zhǔn)確性，必須要結(jié)合風(fēng)機(jī)的風(fēng)速、功率、維修記錄等多維信息。離線(xiàn)設(shè)備具有根據(jù)故障的初步診斷靈活布置測(cè)點(diǎn)，靈活數(shù)據(jù)采集的優(yōu)勢(shì)。

隨著市場(chǎng)對(duì)風(fēng)電狀態(tài)監(jiān)測(cè)要求的不斷提高，不但要求準(zhǔn)確判斷目前設(shè)備的劣化程度，而且需要較為準(zhǔn)確的預(yù)判繼續(xù)劣化的速度和風(fēng)險(xiǎn)。只有狀態(tài)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為運(yùn)行、維修決策和行動(dòng)，才能*大程度為用戶(hù)創(chuàng)造價(jià)值。但目前僅僅依賴(lài)風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的振動(dòng)數(shù)據(jù)的方式還存在一定的局限性。因此融合風(fēng)機(jī)的環(huán)境參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)、維修事件記錄、設(shè)計(jì)參數(shù)的大數(shù)據(jù)分析對(duì)于提高風(fēng)機(jī)狀態(tài)評(píng)估的準(zhǔn)確性有重要意義。

風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)發(fā)展的另一個(gè)趨勢(shì)是對(duì)風(fēng)機(jī)早期故障診斷的重視越來(lái)越強(qiáng)。一般來(lái)講故障越往后期劣化速度越快，多數(shù)的早期故障通過(guò)加強(qiáng)維護(hù)，可以明顯減緩劣化速度。而對(duì)振動(dòng)檢測(cè)而言，一方面早期故障引起的振動(dòng)響應(yīng)較小，另一方面也存在的背景噪音干擾的影響，因此針對(duì)早期故障有必要研發(fā)新的測(cè)試技術(shù)。

葉片檢測(cè)發(fā)展趨勢(shì)

一家新能源設(shè)備保險(xiǎn)公司統(tǒng)計(jì)，根據(jù)美國(guó)市場(chǎng)出險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)，葉片損壞和齒輪箱損壞是風(fēng)機(jī)出險(xiǎn)的兩大原因，各占41.4%和 35.1%。葉片常見(jiàn)的故障類(lèi)型有葉片裂紋、開(kāi)裂分層、葉片積冰、不平衡和雷擊等。葉片由于生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量缺陷、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行磨損和葉片的振動(dòng)激勵(lì)，都可能引起葉片的開(kāi)裂分層和裂紋。帶有裂紋和開(kāi)裂分層的葉片長(zhǎng)期運(yùn)行嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)的葉片甚至整機(jī)的**，葉片事故帶來(lái)的二次事故危害巨大。目前對(duì)風(fēng)場(chǎng)條件下葉片的檢查主要通過(guò)望遠(yuǎn)鏡、無(wú)人機(jī)或者吊籃進(jìn)行目視檢查，輔以應(yīng)變測(cè)試法、加速度測(cè)試法、聲發(fā)射測(cè)試法和激光測(cè)距法等在線(xiàn)監(jiān)測(cè)方法。但由于風(fēng)電葉片惡劣的工作環(huán)境和復(fù)雜的材料特性，一款經(jīng)濟(jì)、可靠、易于安裝、能夠監(jiān)測(cè)多種葉片失效模式的葉片狀態(tài)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品成為葉片在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)。

油液檢測(cè)發(fā)展趨勢(shì)

良好的潤(rùn)滑油狀態(tài)可以明顯減小齒輪箱故障。齒輪箱潤(rùn)滑油運(yùn)維需要注意油液溫度，油液顆粒數(shù)，油液水分和油液添加劑含量和粘度等。潤(rùn)滑油的粘度影響油膜厚度，粘度隨著油溫變化。溫度升高，粘度降低，油膜厚度減小。由此接觸區(qū)域的疲勞損壞會(huì)有所增加，進(jìn)而減小齒輪箱的壽命。高油溫還會(huì)帶來(lái)油的加速氧化和使用壽命縮減。潤(rùn)滑油溫度應(yīng)該持續(xù)監(jiān)測(cè)，如果油溫超出報(bào)警值或者即使沒(méi)有超出報(bào)警值，但油溫不明原因在短時(shí)間內(nèi)異常波動(dòng)，也需要引起高度關(guān)注，查明起因。目前一般采用定期采樣離線(xiàn)試驗(yàn)室檢查潤(rùn)滑油的清潔度、水分含量、粘度和添加劑含量等，離線(xiàn)監(jiān)測(cè)覆蓋指標(biāo)全、檢測(cè)精度高，監(jiān)測(cè)結(jié)果相對(duì)于齒輪箱實(shí)時(shí)狀態(tài)具有一定的滯后性。目前有油液在線(xiàn)顆粒技術(shù)計(jì)等產(chǎn)品對(duì)進(jìn)行油液實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，便于現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)掌握齒輪箱的潤(rùn)滑和磨損狀態(tài)。離線(xiàn)和在線(xiàn)油液監(jiān)測(cè)相結(jié)合，一方面可以對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，另一方面可以利用油中磨損金屬顆粒分析，進(jìn)行磨損故障診斷。

風(fēng)機(jī)健康狀態(tài)大數(shù)據(jù)分析發(fā)展趨勢(shì)

風(fēng)電大部件健康狀態(tài)各種監(jiān)測(cè)技術(shù)，均從不同方面對(duì)風(fēng)機(jī)的健康狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)估，傳統(tǒng)上風(fēng)機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)挖掘中，因果分析和邏輯推理是*重要的研究方法。但由于風(fēng)電機(jī)組中從環(huán)境參數(shù)、工況參數(shù)到風(fēng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)均有一定的復(fù)雜、多變的特點(diǎn)，且各因素之間相互耦合，因此單純依賴(lài)某幾項(xiàng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行風(fēng)機(jī)健康狀態(tài)評(píng)估，始終存在一定的偏差。這就要求多種監(jiān)測(cè)技術(shù)的相互融合，利用大數(shù)據(jù)方法，從海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)性的搜索、比較，進(jìn)行風(fēng)機(jī)健康狀態(tài)的關(guān)聯(lián)分析。

目前風(fēng)機(jī)各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的設(shè)備信息，往往相互隔離，在設(shè)備故障診斷中容易成為信息的孤島。這一方面因?yàn)楦鱾€(gè)廠(chǎng)家的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)常常互不兼容，存在著信息壁壘。另外設(shè)備的健康狀況評(píng)估過(guò)程中，還存在著大量的事件記錄，圖片記錄等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。雖然這些信息對(duì)風(fēng)機(jī)狀態(tài)評(píng)估有重要的指導(dǎo)意義，但是這些數(shù)據(jù)如果未經(jīng)預(yù)處理，僅僅依靠人工方式處理，不能滿(mǎn)足風(fēng)電機(jī)組大數(shù)據(jù)分析的需求。適應(yīng)大數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)機(jī)健康狀態(tài)評(píng)估和劣化趨勢(shì)分析的要求，首先需要整合風(fēng)機(jī)健康狀態(tài)的核心運(yùn)行數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。只有在核心數(shù)據(jù)整合的基礎(chǔ)，才能逐漸延伸至外圍數(shù)據(jù)乃至非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)從有限樣本到云數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)從單純因果分析到關(guān)聯(lián)分析多種分析方式的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)回顧歷史到動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)分析的轉(zhuǎn)變。

基于同一平臺(tái)的多種風(fēng)電狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)融合

江蘇華創(chuàng)光電科技有限公司從風(fēng)機(jī)狀態(tài)大數(shù)據(jù)分析出發(fā)，利用統(tǒng)一軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了涵蓋風(fēng)機(jī)軸承、齒輪箱、機(jī)艙、塔筒、葉片和油液的監(jiān)測(cè)技術(shù)。風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)CMS 可采集軸承、齒輪箱、機(jī)艙、塔筒的振動(dòng)信息，并能采集風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)功率和軸承溫度等信息。遵循OPC標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)服務(wù)器及應(yīng)用軟件接口，采用 SOA（面向服務(wù)架構(gòu)）設(shè)計(jì)系統(tǒng)為與風(fēng)機(jī)SCADA系統(tǒng)的集成提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方案。該風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可獲取工況信息及控制狀態(tài)信息，并將機(jī)組變槳及偏航等信息作為狀態(tài)評(píng)估的重要依據(jù)，顯著提高了風(fēng)機(jī)狀態(tài)評(píng)估的準(zhǔn)確性。該風(fēng)機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為監(jiān)測(cè)平臺(tái)，具有模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，可以根據(jù)不同需求進(jìn)行個(gè)性化定制和擴(kuò)展。

針對(duì)風(fēng)電軸承早期故障，采用“聲振一體傳感器”進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。材料在發(fā)生應(yīng)變時(shí)有應(yīng)變能釋放，其中一部分以應(yīng)力波的形式傳遞出來(lái)，這種以彈性應(yīng)力波的形式傳遞的現(xiàn)象叫做聲發(fā)射，也叫應(yīng)力波發(fā)射。滾動(dòng)軸承發(fā)生的碰撞摩擦現(xiàn)象時(shí)，軸承材料釋放聲發(fā)射信號(hào)。對(duì)該聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行采集監(jiān)測(cè)，不同于采用傳統(tǒng)加速度、速度和位移傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的監(jiān)測(cè)。相比而言，振動(dòng)信號(hào)屬于低頻信號(hào)，而聲發(fā)射本身屬于幾十千赫茲以上的信號(hào)。因此可以與一般沖擊引起的低頻信號(hào)相區(qū)分，因此在低轉(zhuǎn)速、早期故障的軸承診斷中具有一定的優(yōu)勢(shì)。

江蘇華創(chuàng)光電科技有限公司研發(fā)的“聲振一體傳感器” ，不僅可以采集振動(dòng)信號(hào)，還可以采集聲發(fā)射信號(hào)，結(jié)合了聲發(fā)射和振動(dòng)傳感器的優(yōu)點(diǎn)。傳感器采用特殊工藝加工而成，靈敏度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的加速度傳感器及聲發(fā)射傳感器，具有帶寬大，靈敏度高的特點(diǎn)。在軸承座支撐部位上安裝聲振一體傳感器可較為準(zhǔn)確的獲取軸承磨損、剝落、裂紋等故障信息。特別對(duì)于早期軸承故障監(jiān)測(cè)和劣化趨勢(shì)分析具有重要應(yīng)用價(jià)值。

基于相同軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)的風(fēng)電葉片監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以對(duì)葉片進(jìn)行動(dòng)平衡監(jiān)測(cè)、覆冰監(jiān)測(cè)、葉片損傷監(jiān)測(cè)，對(duì)葉片的早期故障進(jìn)行及時(shí)預(yù)警，提醒進(jìn)行必要修復(fù)。在葉片發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，可實(shí)施報(bào)警停機(jī)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)葉片的覆冰狀態(tài)，輔助風(fēng)機(jī)和除冰設(shè)備啟停機(jī)時(shí)機(jī)判斷。設(shè)備采用電容式加速度傳感器，有良好的低頻響應(yīng)特性。軟件的自學(xué)習(xí)功能，對(duì)葉片歷史振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，從而判定葉片在不平衡、裂紋和覆冰狀態(tài)下的模態(tài)異動(dòng)。

齒輪箱油液在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)油液水分含量、氧化值、粘度和顆粒量等。另有溫度傳感器對(duì)潤(rùn)滑油異常溫升進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。齒輪箱油液在線(xiàn)監(jiān)測(cè)不僅提供油液實(shí)時(shí)狀態(tài)和性能變化，而且對(duì)齒輪磨損狀況能實(shí)時(shí)提供故障診斷依據(jù)，及早發(fā)現(xiàn)并預(yù)報(bào)突發(fā)性故障，避免重大事故的發(fā)生。

結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)機(jī)狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)向著智能化方向發(fā)展，要求對(duì)風(fēng)機(jī)各主要部件均能**的監(jiān)測(cè)。故障診斷也在從事后故障診斷向早期故障預(yù)警方向發(fā)展，聲振一體傳感器為振動(dòng)監(jiān)測(cè)故障診斷提供了有效補(bǔ)充。風(fēng)機(jī)部件的劣化趨勢(shì)預(yù)報(bào)，要求綜合分析機(jī)組的軸承、機(jī)艙、塔筒、葉片振動(dòng)數(shù)據(jù)，并結(jié)合油液狀態(tài)和風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)、維護(hù)事件記錄等信息，提高預(yù)判的準(zhǔn)確度?；诮y(tǒng)一軟件平臺(tái)的多種監(jiān)測(cè)技術(shù)融合，為風(fēng)機(jī)健康狀態(tài)的大數(shù)據(jù)分析提供了技術(shù)基礎(chǔ)。