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風力發電機組使用油液在線監測係統的意義與前景

風力發電機組使用油液在線監測係統的意義與前景

發布日期:2017-01-14 作者: 點擊:

2006年我國開始大力發展風力發電產業,2011年中國風電裝機容量已經超過美國,躍居世界第一位。新機組的不斷投運,舊機組的不斷老化,如何提高風機的利用率,降低設備的故障率和故障時間,避免設備的突發故障的發生,已經成為風電運營商日常設備維護與檢修工作的主要目標。采用合適的設備維護方式是已經成為風電運營商日常設備維護與檢修工作的主要問題[1]。所以在風電機組出質保期後,如何監測並預防齒輪箱故障成為緊迫的問題。

  現在的風電運營業主一般都在使用的齒輪箱故障監測方式為振動測量或者是內窺鏡檢查,通過監測設備的振動是否超標來確定是不是發生了故障。這些方式都隻集中在了設備出現故障後的表象上,無法觸及到引起故障發生的深層原因[2]。

  2 引起故障最深層的原因

  一般的設備故障演變過程需要以下幾個階段:


  上圖是齒輪箱故障演變的典型過程,設備在投入使用後,隨著潤滑油的品質不斷劣化,潤滑油的潤滑能力不斷下降,油液的各項理化指標變差,就會到達一個油液分析潛在故障點。在這個故障點以後,設備在劣化的潤滑油下加劇磨損,磨損顆粒逐漸變多變大,而增多的顆粒又會使潤滑油品質再次下降,反過來再次增大磨損。在這個趨勢下,設備性能呈指數下降,直到設備由於磨損過度產生振動超標時,設備功能故障已經無法避免。

  那到底是什麽造成齒輪箱故障的根本呢?答案是齒輪箱的內部磨損。運營業主往往采用高效高質量的潤滑油來解決這一問題。但是,再好的潤滑油都不能避免磨損,隻能是緩解[3]。通過以上的分析可以得出:第一,如果潤滑油的質量在齒輪箱中慢慢的變質,勢必會增大磨損速度。第二,齒輪箱中齒輪磨損下來的鐵屑隨著時間的增長,慢慢的逐漸積累,趨勢是向大的磨損顆粒發展。第三,油液分析潛在故障點都發生在其他故障之前,是最早能夠預測到設備故障的時間點,但是由於油液變化屬於設備內部變化,不同於振動等指標給人直觀的感覺,所以往往被維護人員所忽視[4]。

  3 基於油液在線監測的案例分析

  這是在對節能某風場6號風機齒輪箱的近一年的油液品質監測數據,發現在1號點處(進行監測後的86天)齒輪箱潤滑油液品質有較大幅度的下降,而通過查詢齒輪油中磨損顆粒的監測曲線發現在該點小尺寸的非鐵磁性磨損顆粒和鐵磁性磨損顆粒有明顯的增長,並且非鐵磁性磨損顆粒的增長速度較快,這些異常變化引起了筆者的關注。

  在齒輪箱設計中,齒輪箱的高速軸一般會采用非鐵磁性的材料(銅等物質)進行研製,而齒輪箱的齒輪一般采用鐵磁性材料(鐵以及鐵的合金)進行研製。通過分析,筆者認為導致非鐵磁性顆粒磨損速度高於鐵磁性顆粒磨損速度的原因為齒輪箱的高速軸密封出現問題,空氣進入高速軸,從而引起潤滑油的品質降低,進而導致高速軸磨損超標。而油液品質的變化對齒輪的影響低於對高速軸的影響,所以鐵磁性顆粒的磨損速度緩於非鐵磁性顆粒。確定問題以後,筆者實地對該齒輪箱進行了檢查,確實發現齒輪箱高速軸存在少量漏油故障。

  由於該故障相對於風電場來說屬於普遍現象(75%以上風電機組齒輪箱高速軸都會漏油),維護人員僅更換了潤滑油過濾裝置(過濾掉磨損的大顆粒)進行維護。維護過後,可以看到齒輪箱油液的監測數據(油液品質)又回到了正常的水平,但是該情況僅持續了不到半個月,上述問題再一次出現,如2點(第97天)。筆者再次實地檢查了齒輪箱,發現該齒輪箱的高速軸的漏油現象已經很嚴重,並且齒輪箱內的潤滑油麵已經下降到低於正常水平。為此,研究人員建議工作人員做計劃停機,對設備進行高速軸的密封操作,以便避免由於風電機組急停造成的發電量損失以及齒輪箱的損壞。

  在第145天時(3點),工作人員對該齒輪箱進行了計劃停機維修工作,密封了齒輪箱高速軸(在維護當天,工人的維護工作導致了油液品質的下降)。經過維護過後,通過監測數據可以觀測到油液品質沒有出現急劇下降,並且鐵磁性和非鐵磁性磨損顆粒的數量在穩步增加,齒輪箱進入了穩定的磨損工作狀態。



  4 基於在線油液監測的解決方案

  油液分析就如同給設備“抽血檢驗”,哪項指標不合格馬上就有體現,從而預測由於該指標引起的設備劣化以及預測故障。而通過油液監測的指標,就能夠知道何時科學地加注新的齒輪油或者更換新的齒輪油,從而延長設備壽命,降低故障與損壞率,大大降低業主維護費用。

  4.1 油液檢測可以提高設備壽命

  提高設備的使用壽命是風電業主最關心的問題,而油液監測便能滿足這一要求。主要包含以下兩點:

  (1)從油液品質方麵的監測與預警:


  可以清楚的看到,隨著潤滑油的潤滑性能的下降,設備的壽命將出現在黑色實線的曲線終點。而如果采用油液在線監測,設置主動維護控製指標(如圖4-1中曲線A),在設備的油液品質降低到了亞健康狀態點(如圖中B點),采用及時有效的措施(如更換新油或者加注新油或者更換濾芯),使油液品質一直保持在A點以上水平,經過幾次的往複,設備的壽命將會出現在虛線的終點。如圖所示,虛曲線末端和實曲線末端的時間差便是提升的設備壽命。

  (2)從齒輪箱磨損程度方麵延長設備壽命:

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  設備的磨損一般分為三個階段,磨合階段、穩定磨損階段和劇烈磨損階段。磨合期是設備運轉無法避免的一個階段,穩定磨損期是設備正常運行的階段,而劇烈磨損期是設備故障的頻發階段或者是故障積累期。所以對油液中的磨損顆粒的數量和大小的監測可以有效的發現正常磨損和劇烈磨損的分界點(如A點處),及時預示故障並應及時維護。而如果從一開始進行有效地油液維護管理,穩定磨損階段將延長,故障分界點將會出現在B點處,提高的設備使用壽命就是AB兩點間的時長。

  在線比離線油檢更具優勢

  目前我國風電場采取的維護一般采用定期維護與定期實驗室油檢的方式。一方麵會造成“過剩維修”和“過剩不足” ,增加維護成本,另一方麵又不能預防由於隨機因素引起的偶然性故障;而實驗室離線油液分析也存在很多弊端,主要體現在:

  ① 檢測時間長;

  ② 部分檢測儀器價格昂貴,體積龐大,不適合在企業一級的推廣使用;

  ③ 取樣不具有代表性;

  ④ 送檢周期太長;

  ⑤ 應用地域有限製;

  油液在線監測恰恰能夠解決這些問題,所以基於這種現狀,中國航空工業集團公司建立“風電機組齒輪箱油液在線監測係統研究”項目解決上述定期油檢的弊端。

  降低設備總體維護成本

  市麵上很多的基於其他原理的在線監測係統,雖然價格相對便宜,但是業主往往忽略了兩點:1,這些設備的安裝往往需要改造,改造費用也比較昂貴;2,這些監測設備一般隻能監測到設備發生故障後的表象,如振動,溫度等等,一般無法避免風電機組的損壞甚至失靈,而這導致的吊裝,運輸,更換齒輪箱的費用是不能節約的。所以總體成本[5]還是會比較高。油液在線監測就可以在設備磨損早期及時發現問題並可以采取有效措施阻止設備不正常的磨損,從而變大修為小修,變小修為換油,總體成本必定低於其他原理監測方式。

  有助於精確預測發電量以及製定停機計劃

  盡管基於電網調度和安全的需要,我國電廠的風電功率預測預報係統已經建立,但目前我國部分風電廠都忽略了非計劃停機造成的發電功率損失,最終無法達到發電要求。油液監測本身的特點,使它能夠在設備處於亞健康的狀態下就能夠預測未來的設備故障,這樣不僅可以采取措施來補救故障的發生,也能夠給業主提供恰當的維護時間和設備的剩餘壽命。而這一點就能夠幫助業主指定按計劃停機維護的時間段,從而降低由於急停和非計劃停機帶來的發電損失。而故障預測的另一特點就是可以和企業ERP係統進行整合,根據預警及時合理的作出備件管理,在發生嚴重故障時便可以及時更換設備,無需等待修理和運輸的時間。

  5 總結

  隨著風力發電機組的故障頻發,越來越多的風力發電業主開始關注齒輪箱的保養,油液在線監測方式也逐漸被廣大業主接受。油液在線監測方式的使用,必將延長設備的使用壽命並大大降低業主的維護費用,降低風力發電的成本。油液在線監測能幫助企業精準預測發電量的同時還能及時做出計劃停機的決策,助力風電運營企業的發展。所以,對風電機組進行油液在線監測必將是我國風力發電事業的發展趨勢。


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