风力发电机组使用油液在线监测系统的意义与前景

2006年我国开始大力发展风力发电产业，2011年中国风电装机容量已经超过美国，跃居世界第一位。新机组的不断投运，旧机组的不断老化，如何提高风机的利用率，降低设备的故障率和故障时间，避免设备的突发故障的发生，已经成为风电运营商日常设备维护与检修工作的主要目标。采用合适的设备维护方式是已经成为风电运营商日常设备维护与检修工作的主要问题[1]。所以在风电机组出质保期后，如何监测并预防齿轮箱故障成为紧迫的问题。

　　现在的风电运营业主一般都在使用的齿轮箱故障监测方式为振动测量或者是内窥镜检查，通过监测设备的振动是否超标来确定是不是发生了故障。这些方式都只集中在了设备出现故障后的表象上，无法触及到引起故障发生的深层原因[2]。

　　2 引起故障最深层的原因

　　一般的设备故障演变过程需要以下几个阶段：

　　上图是齿轮箱故障演变的典型过程，设备在投入使用后，随着润滑油的品质不断劣化，润滑油的润滑能力不断下降，油液的各项理化指标变差，就会到达一个油液分析潜在故障点。在这个故障点以后，设备在劣化的润滑油下加剧磨损，磨损颗粒逐渐变多变大，而增多的颗粒又会使润滑油品质再次下降，反过来再次增大磨损。在这个趋势下，设备性能呈指数下降，直到设备由于磨损过度产生振动超标时，设备功能故障已经无法避免。

　　那到底是什么造成齿轮箱故障的根本呢?答案是齿轮箱的内部磨损。运营业主往往采用高效高质量的润滑油来解决这一问题。但是，再好的润滑油都不能避免磨损，只能是缓解[3]。通过以上的分析可以得出：第一，如果润滑油的质量在齿轮箱中慢慢的变质，势必会增大磨损速度。第二，齿轮箱中齿轮磨损下来的铁屑随着时间的增长，慢慢的逐渐积累，趋势是向大的磨损颗粒发展。第三，油液分析潜在故障点都发生在其他故障之前，是最早能够预测到设备故障的时间点，但是由于油液变化属于设备内部变化，不同于振动等指标给人直观的感觉，所以往往被维护人员所忽视[4]。

　　3 基于油液在线监测的案例分析

　　这是在对节能某风场6号风机齿轮箱的近一年的油液品质监测数据，发现在1号点处(进行监测后的86天)齿轮箱润滑油液品质有较大幅度的下降，而通过查询齿轮油中磨损颗粒的监测曲线发现在该点小尺寸的非铁磁性磨损颗粒和铁磁性磨损颗粒有明显的增长，并且非铁磁性磨损颗粒的增长速度较快，这些异常变化引起了笔者的关注。

　　在齿轮箱设计中，齿轮箱的高速轴一般会采用非铁磁性的材料(铜等物质)进行研制，而齿轮箱的齿轮一般采用铁磁性材料(铁以及铁的合金)进行研制。通过分析，笔者认为导致非铁磁性颗粒磨损速度高于铁磁性颗粒磨损速度的原因为齿轮箱的高速轴密封出现问题，空气进入高速轴，从而引起润滑油的品质降低，进而导致高速轴磨损超标。而油液品质的变化对齿轮的影响低于对高速轴的影响，所以铁磁性颗粒的磨损速度缓于非铁磁性颗粒。确定问题以后，笔者实地对该齿轮箱进行了检查，确实发现齿轮箱高速轴存在少量漏油故障。

　　由于该故障相对于风电场来说属于普遍现象(75%以上风电机组齿轮箱高速轴都会漏油)，维护人员仅更换了润滑油过滤装置(过滤掉磨损的大颗粒)进行维护。维护过后，可以看到齿轮箱油液的监测数据(油液品质)又回到了正常的水平，但是该情况仅持续了不到半个月，上述问题再一次出现，如2点(第97天)。笔者再次实地检查了齿轮箱，发现该齿轮箱的高速轴的漏油现象已经很严重，并且齿轮箱内的润滑油面已经下降到低于正常水平。为此，研究人员建议工作人员做计划停机，对设备进行高速轴的密封操作，以便避免由于风电机组急停造成的发电量损失以及齿轮箱的损坏。

　　在第145天时(3点)，工作人员对该齿轮箱进行了计划停机维修工作，密封了齿轮箱高速轴(在维护当天，工人的维护工作导致了油液品质的下降)。经过维护过后，通过监测数据可以观测到油液品质没有出现急剧下降，并且铁磁性和非铁磁性磨损颗粒的数量在稳步增加，齿轮箱进入了稳定的磨损工作状态。

　　4 基于在线油液监测的解决方案

　　油液分析就如同给设备“抽血检验”，哪项指标不合格马上就有体现，从而预测由于该指标引起的设备劣化以及预测故障。而通过油液监测的指标，就能够知道何时科学地加注新的齿轮油或者更换新的齿轮油，从而延长设备寿命，降低故障与损坏率，大大降低业主维护费用。

　　4.1 油液检测可以提高设备寿命

　　提高设备的使用寿命是风电业主最关心的问题，而油液监测便能满足这一要求。主要包含以下两点：

　　(1)从油液品质方面的监测与预警：

　　可以清楚的看到，随着润滑油的润滑性能的下降，设备的寿命将出现在黑色实线的曲线终点。而如果采用油液在线监测，设置主动维护控制指标(如图4-1中曲线A)，在设备的油液品质降低到了亚健康状态点(如图中B点)，采用及时有效的措施(如更换新油或者加注新油或者更换滤芯)，使油液品质一直保持在A点以上水平，经过几次的往复，设备的寿命将会出现在虚线的终点。如图所示，虚曲线末端和实曲线末端的时间差便是提升的设备寿命。

　　(2)从齿轮箱磨损程度方面延长设备寿命：

　　设备的磨损一般分为三个阶段，磨合阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段。磨合期是设备运转无法避免的一个阶段，稳定磨损期是设备正常运行的阶段，而剧烈磨损期是设备故障的频发阶段或者是故障积累期。所以对油液中的磨损颗粒的数量和大小的监测可以有效的发现正常磨损和剧烈磨损的分界点(如A点处)，及时预示故障并应及时维护。而如果从一开始进行有效地油液维护管理，稳定磨损阶段将延长，故障分界点将会出现在B点处，提高的设备使用寿命就是AB两点间的时长。

　　在线比离线油检更具优势

　　目前我国风电场采取的维护一般采用定期维护与定期实验室油检的方式。一方面会造成“过剩维修”和“过剩不足” ，增加维护成本，另一方面又不能预防由于随机因素引起的偶然性故障;而实验室离线油液分析也存在很多弊端，主要体现在：

　　① 检测时间长;

　　② 部分检测仪器价格昂贵，体积庞大，不适合在企业一级的推广使用;

　　③ 取样不具有代表性;

　　④ 送检周期太长;

　　⑤ 应用地域有限制;

　　油液在线监测恰恰能够解决这些问题，所以基于这种现状，中国航空工业集团公司建立“风电机组齿轮箱油液在线监测系统研究”项目解决上述定期油检的弊端。

　　降低设备总体维护成本

　　市面上很多的基于其他原理的在线监测系统，虽然价格相对便宜，但是业主往往忽略了两点：1，这些设备的安装往往需要改造，改造费用也比较昂贵;2，这些监测设备一般只能监测到设备发生故障后的表象，如振动，温度等等，一般无法避免风电机组的损坏甚至失灵，而这导致的吊装，运输，更换齿轮箱的费用是不能节约的。所以总体成本[5]还是会比较高。油液在线监测就可以在设备磨损早期及时发现问题并可以采取有效措施阻止设备不正常的磨损，从而变大修为小修，变小修为换油，总体成本必定低于其他原理监测方式。

　　有助于精确预测发电量以及制定停机计划

　　尽管基于电网调度和安全的需要，我国电厂的风电功率预测预报系统已经建立，但目前我国部分风电厂都忽略了非计划停机造成的发电功率损失，最终无法达到发电要求。油液监测本身的特点，使它能够在设备处于亚健康的状态下就能够预测未来的设备故障，这样不仅可以采取措施来补救故障的发生，也能够给业主提供恰当的维护时间和设备的剩余寿命。而这一点就能够帮助业主指定按计划停机维护的时间段，从而降低由于急停和非计划停机带来的发电损失。而故障预测的另一特点就是可以和企业ERP系统进行整合，根据预警及时合理的作出备件管理，在发生严重故障时便可以及时更换设备，无需等待修理和运输的时间。

　　5 总结

　　随着风力发电机组的故障频发，越来越多的风力发电业主开始关注齿轮箱的保养，油液在线监测方式也逐渐被广大业主接受。油液在线监测方式的使用，必将延长设备的使用寿命并大大降低业主的维护费用，降低风力发电的成本。油液在线监测能帮助企业精准预测发电量的同时还能及时做出计划停机的决策，助力风电运营企业的发展。所以，对风电机组进行油液在线监测必将是我国风力发电事业的发展趋势。