预测性维护与风力涡轮机效率

振动监测提升运行效率

基于振动监测的预测性维护可以通过防止灾难性故障和非计划停机来提高风力涡轮机的效率。.

风电行业的维护成本正在不断攀升，因为风力涡轮机的数量不断增加，其中包括许多需要更频繁维护的老旧涡轮机。对于海上风电场而言，约四分之一的总成本用于运营和维护。.

引入先进的状态监测技术有助于将这些成本控制在合理范围内。采用振动监测来跟踪涡轮机的旋转部件，有助于维护团队及早发现潜在问题并进行必要的维修，从而避免发生故障。.

在该技术中，轴承及其他运动部件的振动特征是通过振动传感器（也称为加速度计）进行监测的。任何偏离常态的情况都可能表明出现了早期的故障迹象，从而使得小问题在失控之前就能得到纠正。.

风能是工程学中一个迅速发展的领域。根据全球风能理事会的数据，2017年全球风力涡轮机装机容量达到539,581兆瓦（或：台，注：原文未写单位，根据常规理解，此处通常指兆瓦MW，但直译可省略单位或根据上下文），预计这一数字在未来十年将显著增长。.

尽管取得了这种增长，风电仍面临极高的要求。为了实现盈利，运营商必须在控制成本的同时提高产量，从而最大限度地提高效率。防止因灾难性部件故障等原因导致的非计划停机至关重要。.

风力涡轮机必须在严苛的条件下运行。近年来，大风造成的齿轮损坏导致了涡轮机故障。除了维修费用外，运营商还可能面临罚款和索赔。.

虽然用于风力涡轮机等高端规格应用的传感器是顶级的，但其成本已大幅降低，足以证明使用多个传感器的合理性。这增强了数据收集并改善了故障检测。.

使用多个传感器还支持诸如加速度包络等技术，该技术通过滤除其他部件的噪声来提取失效轴承的振动信号。.

非计划停机并不局限于风力发电行业。plantservices.com与ARC Advisory Group的一项联合调查估计，全球流程工业每年因非计划停机造成的损失约为200亿美元。.

调查发现，近90%采用预测性维护的公司旨在提高正常运行时间，而超过一半的公司则旨在降低维护和运营成本。.

调查建议将预测性维护系统与全厂控制系统集成，并将系统性能与财务激励挂钩。这种方法对风能行业尤为重要，因为在风能行业中，维护难度大、成本高，且效率至关重要。.

历史上，一些工程师认为继续使用磨损的设备比投资更换新设备更省钱。然而，当考虑到计划外停机的真实成本时，这种方法被证明是低效的。.

出现缺陷的机器发生故障和停机的风险更高。状态监测系统使工程师能够在故障发生前计划维护并更换有缺陷的部件。.

当振动传感器安装在机械设备的关键位置时，它们可以提供持续的监测和分析。虽然这需要投资，但与风力涡轮机停机可能带来的成本相比，这一成本微不足道。.

工业加速度计主要有两种类型：交流加速度计和4至20毫安加速度计。.

AC加速度计通常与数据采集器配合使用，用于对齿轮箱和汽轮机等关键或复杂机器进行振动监测，这使其成为风力涡轮机的首选。相比之下，4至20毫安传感器通常与PLC系统配合使用，用于监测价值较低的资产，如泵和电机。.

现代振动传感器在广阔的温度范围内工作，能够以高精度和低迟滞测量高频和低频。坚固的不锈钢外壳可防止水分、灰尘、油污和其他污染物的侵蚀。.

加速度计可以安装在机壳上，用于测量机壳振动以及旋转轴的径向和轴向振动。分析重点在于与机械部件或故障类型（如不平衡或不对中）相关的特定频率。例如，随着磨损的加剧，滚动轴承在特征频率处的振动会不断增加。.

正确选择振动加速度计需要考虑振动级别、频率范围、安装限制以及环境条件。建议与经验丰富的供应商紧密合作。.

对于风力涡轮机应用，低频加速度计是检测异常的理想选择。常用的型号包括每 g 100 毫伏的传感器，而对于发电机输出轴等低速部件，则可选择每 g 250 或 500 毫伏的高灵敏度选项。.

在许多涉及Hansford Sensors的风力涡轮机项目中，涡轮机顶部会安装一个本地接线盒，用于容纳加速度计电缆。信号通过多芯屏蔽双绞线电缆传输至地面，并连接到在线监测系统。.

这一布置允许操作人员使用能接入互联网的手持设备实时监测风力涡轮机的状况，从而能够在故障发生前识别出故障并采取纠正措施。.

尽管现代加速度计高度精密，但由于背景振动的干扰，要分离出风力涡轮机中故障轴承的信号仍然具有挑战性。.

加速度包络技术是一种有效的信号处理技术，它滤除低水平的重复振动以分离轴承的声音。它被广泛用于分离故障信号与背景噪声，从而检测轴承早期缺陷。.

滚动体中的缺陷会产生重复的冲击，从而激发出周围机械结构的共振频率。尽管这些信号在冲击之间会衰减，但它们会影响机器的整体振动响应。.

加速度包络通过一个两步过程增强加速度计信号。首先，带通滤波分离出存在缺陷信号的频率范围。这揭示了由滚动体接触缺陷引起的重复高频冲击。.

其次，对信号进行整流和解调，产生一个突出缺陷信号的包络。该包络使得规则间隔的故障信号从诸如轴擦伤等随机噪声中脱颖而出。.

过滤后，振动数据由专家进行收集和分析，他们可以确定是需要立即进行维护，还是可以安排时间进行修理。.