风电机组在线故障诊断系统技术方案说明书(通用版)(2)—唐智

风电机组在线故障诊断系统 风电机组在线故障诊断系统 技术方案说明书 技术方案说明书
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2011 年 3 月

风电机组在线故障诊断系统技术方案说明书 （许继风电 2MW）
目
1 2
录
概述 ........................................................................................................................ 3 系统方案与部件说明 ............................................................................................ 3 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 系统功能 ...................................................................................................... 3 系统特点 ...................................................................................................... 4 系统结构 ...................................................................................................... 5 系统通讯方案 .............................................................................................. 5 机载设备安装 .............................................................................................. 6 传感器测点布置 .......................................................................................... 7 系统配置 ...................................................................................................... 9
3 4
双方工作划分 ...................................................................................................... 10 产品服务 .............................................................................................................. 11
附件一 风电机组故障诊断的典型案例 ................................................................. 12 附件二 产品检验报告 ............................................................................................. 18
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风电机组在线故障诊断系统技术方案说明书 （许继风电 2MW）
1 概述
针对风电公司 MW 级风电机组在线故障诊断的需求，北京唐智科技发展 有限公司提出了自主研发的 JK10460 风电机组在线故障诊断系统（以下简称 JK10460 风电诊断系统）的技术解决方案。 JK10460 风电诊断系统是针对风电机组关键机械部件的在线故障诊断与 安全监测需求而开发的。该系统以唐智科技自主研发的“广义共振\共振解调 故障诊断技术”为理论基础，实现对风电机组关键机械部件的在线自动诊断， 精确定位故障部件、准确识别故障类型和故障程度，并对将要危及安全的故障 零部件发出早期预警，提请视情维修，以防止故障扩大而引起事故和损失。
2 系统方案与部件说明 系统方案与部件说明
2.1 系统功能
风电机组在线故障诊断系统主要功能要求如下： 1） 能够连续监测风电机组运行过程中的冲击、振动、转速等参数，并自动 存储； 2） 在线监测风电机组运行时主传动链（主轴、齿轮箱、发电机）上各 轴承、齿轮的运行状态，发现轴承、齿箱故障的早期征兆，精确定位 故障部件、故障类型以及严重程度，并通过故障诊断专家系统软件 自动报警或提示； 3） 在线监测风电机组运行时主轴、齿轮箱、发电机等部件垂直与水平 方的振动，以及齿轮箱输出轴与发电机输入轴的动态不对中状态， 实时绘制振动的时域、频域数据波形和不对中轴心轨迹图； 4） 在线监测风电机组运行时联轴器的运行状态，发现联轴器的早期失 效征兆； 5） 具备冲击、振动原始和趋势数据分析功能； 6） 具备报警结果与统计分析、报表输出功能； 7） 具备轴承、齿轮参数配置以及查询功能；
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8） 具备机载系统的自检功能。自检内容主要包括机载系统的存储空间 信息、网络通信状态、串口通信状态、传感网络状态及内部硬件信 息。若自检存在异常，则给出提示信息； 9） 在具备 Internet 网络条件的情况下， 可实现远程监测、 数据分析等功能。
JK10460 风电诊断系统实现的可选功能如下： 1） 在线监测发电机接地电刷接触异常以及电刷、滑环的磨损情况； 2） 在线监测齿轮箱高速轴的轴向窜动或齿轮箱整体的轴向位移； 3） 在能够获取偏航角的前提下，在线监测塔筒顶部的晃度以及倾斜角 度，并通过故障诊断专家系统软件自动报警或提示。在能够获取风 速或功率的前提下， 具备塔架晃度与风速或功率的相关趋势分析功能； 4） 在线监测塔架紧固螺栓松动、裂纹等重大故障； 5） 在线监测叶轮、叶片重大破损故障； 6） 具备轴向位移原始和趋势数据分析功能。
2.2 系统特点
1） 采用在线故障诊断和基于综合决策的故障诊断专家系统，自动、实时 地采集、分析数据，能够准确识别故障类型、故障程度和精确定位故 障部件。 2） 实现故障早期预警，提前制定维修决策和做好维修准备，减少停机损 失和多次维修带多的更多费用；通过精确定位故障，提高维修效率、 减少维修损失。 3） 系统自动智能报警， 减轻运维人员大量繁琐、复杂的数据分析、 比对、 统计和综合工作，减少人为失误。 4） 实现了故障自动诊断和实时的声光报警，对公网的依赖程度相对较 低，只要风场级系统局域网正常，系统就可以进行实时在线故障诊断 与安全监测。 5） 6） 自动生成诊断报告（结论、趋势图、预测、维修建议等） 基于故障和设备机理的故障诊断专家系统，无需学习、培训，只需被 监测的轴承、齿轮的参数，就能即装即用。
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7） 系统由多个子系统构成，客户可依据自身需求进行硬件和软件模块的 定制。 8） 拥有完整的自主知识产权、本地化的服务，完善的售后服务、技术支 持体系。
2.3 系统结构
JK10460 风电诊断系统的总体结构示意图如图 1：
系统总体结构 总体结构示意图 图 1 系统总体结构示意图
2.4
系统通讯方案
为保证机载监测数据能可靠的传送到中控数据服务器， 各风机上的机载主机
与中控数据服务器通讯采用光纤环网方案。 JK10460 诊断系统光纤环网组网是在利用每台风机机舱到塔底已有的光 纤或自行布设光纤， 将机载数据传送到塔底， 在塔底接入风场光纤环网交换机，
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到风场机房再通过光纤环网交换机接入中控数据服务器。 单台风机接入光纤环 网示意如图 2 所示。
机载主机
光电转换器
数据服务器
监控终端
光纤交换机
光纤环网交换机
风场中控
光纤环网
注：图中红色线段表示网线，蓝色线段表示光纤
系统网络连接示意图 图 2 系统网络连接示意图
JK10460风电诊断系统发送数据所占用带宽的计算： 每台机载主机10分钟左右发送一次监测数据，数据包的大小为400Kbyte。 假设在某一时刻，30台机载主机同时对中控发送数据，则占用的带宽为： 400K×30＝12Mbyte。 光纤的带宽至少为100Mbyte，则风电诊断系统占用光纤12％的带宽，这不 会对风机控制系统的实时控制造成影响。 若用户认为占用的光纤带宽过多或风机数量增加， 可采用每台机载主机分时 发送数据的方式，以减少占用的带宽。
2.5
机载设备安装
JK10460 风电诊断系统的机载设备安装在风机机舱与塔筒内，由机载主
机、传动链信息采集器、塔架叶轮信息采集器、各传感器和传输网络等组成。 安装示意图如图 3 所示。
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机载设备安装示意图 图 3 机载设备安装示意图
2.6
传感器测点布置
下面以 MW 级风常见的两级行星、一级平行结构的齿轮箱结构，说明振动
冲击传感器布点方案。该方案中,以某二级行星一级平行结构风电机组为例布示 意传感器布置方案，实际的测点布置需要对所监测与诊断风机进行实际调研确 认。对于二级行星一级平行结构的风电机组，总计有 18 个振动冲击复合传感器， 具体为主轴 3 个，增速齿轮箱 11 个，发电机 4 个，用来检测传动链上各部件的 振动冲击信号。传感器采用磁吸加胶粘的方式安装。下表为各传感器测点分布及 其检测对象、内容说明：
代号 Z1 Z2 Z2 F1 F2 F3 F4 C1 C2 C3 位置 主轴前端垂直 主轴前端水平 主轴后端垂直 发电机输入端垂直 发电机输入端水平 发电机输出端垂直 发电机输出端水平 齿轮箱输入端垂直 齿轮箱输入端水平 一级行星机匣 1 检测对象 主轴前端轴承 主轴后端轴承 发电机输入端 发电机输出端 一级行星架前端轴承 A、 一级行 星系行星轴承 B 一级行星系行星轴承 B、 内齿圈 CN1、行星齿轮 CY1 和太阳齿轮 检测内容 振动、冲击 振动、冲击 振动、冲击 振动、冲击 振动、冲击 冲击
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C4 C5 C6
一级行星机匣 2 二级行星机匣 1 二级行星机匣 2
CT1；一级行星架前端 B、后端 轴承 C 二级行星系行星轴承 F、 内齿圈 CN2、行星齿轮 CY2 和太阳 齿轮 CT2； 二级行星架前端 D、后端轴承 G 二级行星架后端轴承 G、 低速轴 输入端轴承 H 及平行大齿轮 CD、 小齿轮 CX 低速轴输出端轴承 I、 空心轴后 端轴承 E 低速轴输入端轴承 H、 高速轴前 端轴承 J 及平行大齿轮 CD、小 齿轮 CX 高速轴后端轴承 K、L
冲击
C7
低速轴输入端
冲击
C8
低速轴输出端
冲击
C9 C10 C11
高速轴前端 高速轴后端垂直 高速轴后端水平
冲击
振动、冲击
图 4 为主轴、齿轮箱上传感器布点及其检测的各轴承、齿轮编号示意图，与 上表中在 Z1~Z3、C1～C11 对应。
Z1、 Z2
Z3
C3~C4
C5~C6
C7
C10、C11
C9
C8 C1~C2
主轴、齿轮箱上传感器布点示意图 图 4 主轴、齿轮箱上传感器布点示意图
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2.7
系统配置
以下配置是单套机载系统与单套中控系统的配置清单， 单套中控系统最多可
接入 100 套机载系统。 产品组成
机载主机 传动链信息采集器 振动冲击复合传感器 机载系统 连接线及相关安装辅件 必选 件 机载软件 （传动链模块） 光电转换器 数据服务器 终端计算机（带 19〞 LCD） 路由器 故障诊断专家系统软件 （传动链模块） 单模光纤 若干 1 2 1 1 1 1 唐智 唐智 外购 外购 外购 外购 唐智 从机舱到塔底的光 纤，若用户提供已有 的备用光纤，则不需 要该光纤。 用于监测主轴、电机 转速，若用户提供转 速编码器的模拟输出 信号，则不需要该转 速传感器。唐智科技 建议使用电机编码器 转速，以保证诊断的 稳定性和精度。 若用户需要轴向窜动 监测功能，则需要。 若用户需要监测塔架 晃度、倾斜角以及叶 轮重大故障监测等功 能，则需要。 唐智或用户按配置要 求购买。 若用户需要塔架叶轮 监测功能，则需要 由唐智提供 由唐智提供 唐智或用户按配置要 求购买。 由唐智提供 需现场调研确认。
数量
1 1 18
品牌
唐智 唐智 唐智
备注
中控系统
100
外购
主轴转速传感器
1
外购
机载系统 可选 件
电机转速传感器
1
外购
位移传感器 塔架叶轮信息采集器 双坐标振动传感器 机载软件（塔架叶轮模 块） 报表打印机 中控系统 故障诊断专家系统软件 （塔架叶轮模块）
1 1 2 1 1 1
唐智 唐智 唐智 唐智 外购 唐智
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注：风电企业中心的数据服务器、显示终端计算机由用户自行配置。
3 双方工作划分 双方工作划分
为了顺利地实施风电机组在线故障诊断项目， 需要唐智和用户双方密切合 作，在合作中双方各自承担的工作划分如下： 项目
系统所需参数： 系统所需参数： 齿轮箱结构简图 主轴轴承型号 齿轮箱各轴承型号 发机轴承型号 齿轮箱各齿轮齿数及总 传动比 齿轮箱行星轮个数 电机转速编码器信号 主轴转速编码器信号 √ √ √ √ √ √ √ √ 转速脉冲信号 0~10V 电压信号或 数字信号（选用塔 架叶轮子系统时需 要） 数字信号 若为非标轴承，则 需提供轴承的中 径、滚子数、滚径、 接触角等参数。
唐智
用户
备注
偏航角度
√
风速与功率信号 塔架高度 偏航平台直径 光纤环网及光纤接头类 型 中控因特网接入接口 安装： 安装： 机舱平面布局图 机舱走线图 振动冲击传感器安装 转速传感器支架安装位 置确认 转速传感器安装 位移传感器支架安装位 置确认 位移传感器安装 系统其它部件安装位置 √ √ √ √ √ √ 共 18 页 第 10 页
√ √ √ √ √
用于远程监测
√ √
√
若不能提供转速编 码器信号，则需自 行加装。 若需监测轴向窜 动，则加装。
√
√

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确认与安装 系统各部件接线关系图 现场接线端子确认（电 源、 转速、 网络、 接地等） 接线端子连接（电源、转 速、网络、接地等） 上电检查 软件操作 验收： 验收： 系统验收 软件使用说明书 系统维护手册 系统安装手册 验收报告 培训： 培训： 工厂与现场安装培训 系统应用操作培训（软、 硬件） 数据分析培训 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √
4 产品服务
唐智科技具备完善的产品服务，对 JK10460 风电机组在线故障诊断系统能 提供的服务与培训如下： 1） 提供 2 年质量保证期（从用户收到货物且确认开始） ； 2） 质保期内的本地化免费维护，48 小时内上门服务； 3） 提供一年免费每台风电机组每月 1 份的详细人工分析报告； 4） 产品生命周期内的软件免费升级； 5） 免费提供产品生命周期内的非现场的技术支持及指导。
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风电机组故障诊断 故障诊断的典型案例 附件一 风电机组故障诊断的典型案例
案例 1 风机发电机输入端轴承故障 风机发电机输入端轴承故障 输入端
在线故障诊断自动诊断发现某风机发电机输入端轴承的外环、 滚子等处存在 故障，如下图所示：
2008 年 8 月，在广东某电机修理厂，与用户一起对该风机的发电机进行了分 解检查，发现输入端轴承存在以下情况，如下图： 该轴承外环的滚道上存在数处明显的点蚀； 该轴承的两个滚子上存在明显的划伤或裂纹。
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案例 2 风电机组齿轮箱齿轮故障 风电机组齿轮箱齿轮故障 在线故障诊断系统自动报警并辅以人工分析认为： 行星齿系存在某齿轮或套 齿断齿、齿根裂纹或者严重磨损。
太阳齿轮存在整圈 磨损并有可能掉块、 以 致运行出现偏心方式 的整圈冲击调幅， 因为 转速不稳定， 还因为整 圈冲击导致高阶谱不 明显。
高速轴二级平行 小齿轮普遍存在其转 频的 1、2、3 阶谱，从 故障数据的上述特征 及自动报警值分析认 为该齿轮存在偏磨造 成齿轮磨损或划痕。
经分解后，发现故障发生源应是行星系太阳齿轮。由于行星系太阳齿轮的 某齿首先产生裂纹，然后该裂纹逐步扩展，最终导致整齿断裂或崩齿。 下图为分解现场拍摄的故障齿轮照片。
该齿整齿断裂
点蚀或划伤
太阳齿轮整圈均出现崩块 太阳齿轮有一个齿整齿断裂
二级平行小齿轮点蚀或划伤。
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案例 3
风机发电机电刷\滑环故障 风机发电机电刷 滑环故障
在线故障诊断系统采集到某风机发电机数据中出现大幅度、有规律的信号， 如下图所示。
经过人工辅助分析， 确认该风机发电机的接地电刷已经磨损， 并擦伤了滑环。 与用户沟通后，现场打开了发电机的后盖，确认该电刷已严重磨损，滑环也有几 处损伤，如下图所示。
用户依据诊断结果对接地电刷予以了更换，对滑环进行了修复，防止了经常 发生的跳闸停转故障。
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案例 4
风机齿轮箱行星系内齿圈故障 风机齿轮箱行星系内齿圈故障 行星系
自动诊断发现了某风机齿轮箱行星系内齿圈存在故障，如下图所示。
依据以上的诊断结果， 建议用户密切关注该风机行星齿系内齿圈故障发展的 趋势，并给齿轮箱适当添加润滑油。
案例 5
风机齿轮箱行星轴承故障 风机齿轮箱行星轴承故障 行星轴承
自动诊断发现了某风机齿轮箱行星轴承存在故障，如下图所示。
图中该位置报警频繁且报警量值较大， 因此， 建议用户重点关注并密切跟踪。
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案例 6
风机齿轮箱高速轴轴承故障 风机齿轮箱高速轴轴承故障 高速轴
自动诊断发现某风机齿轮箱高速轴轴承内环存在故障，如下图所示。
由于该轴承故障冲击值还未达到设置的报警门限值，因此，建议用户关注该 故障的发展趋势。
案例 7
风机发电机输出端轴承故障 风机发电机输出端轴承故障 发电机输出端
自动诊断发现某风机发电机输出端轴承滚子存在故障，如下图所示。
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从上图中的报警量值和报警趋势的频繁度来看，故障有进一步扩展的趋 势，因此，建议用户密切跟踪。
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附件二
产品检验报告 产品检验报告
以下是 JK10460 风电诊断系统在省级计量部门做的电磁兼容和振动冲击 等方面的检验报告，检验结论为全部合格。
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