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風力發電機齒輪箱與傳動鏈振動之故障診斷與分析

摘要"

風力發電機運轉設計壽命為20年,隨著使用時間越長,智慧即時監測系統顯得更加重要,透過非破壞性檢測方法,於風力機齒輪傳動鏈上裝設振動傳感器,並透過智能演算法加以計算辨識,進行傳動鏈系統故障診斷、預知保養,提升系統可靠度。本文將針對全球常見之風力機維護模式與維修策略進行介紹,並針對2MW大型風力發電機進行實測,透過裝配之振動訊號與轉速迅號擷取識別,找出傳動鏈故障可能原因,增加風力機可用率。

關鍵詞:風力發電機、齒輪箱、故障診斷、特徵擷取、高頻解調

前言

大型風力機設備為風場運維主要關鍵設備,也是開發商營運主要來源。然而陸域風力機尺寸規格一直提升,過去二三十年,2MW機組主宰了陸上市場,但到了今年(2018)歐洲風能大會上,GE發表了其專為陸上設計的5.3MW機組[1];離岸機組目前的主流更是至少要5MW,最大的已經達到10MW[2],在歐洲風能大會上也揭露了未來15MW、20MW在技術與製造的可行性[3];因此未來機組只會越來越大,相關的零組件當然也隨之提升規格。如何確保風力機之可靠度與可用率提升已成為全球風力機設備商設計開發之重點。
參考全球陸域風力運維報告[4],全球陸域風電運維策略目標主要有三項:提高發電量、降低運維轉與維護成本及減少停機時間。運維策略的釐定有賴於蒐集足夠風力機之運轉與維護數據資訊與分析,找出可能原因與問題,以降低停機時間及維護成本。
本文針對全球常見之風力機維護模式與維修策略介紹,並透過實際測量分析的案例,以台灣陸域2MW風力機齒輪傳動鏈為對象,透過裝配之振動訊號擷取識別,找出傳動鏈故障可能原因,並比較不同分析方法的結果,提供目前陸域風場營運商在機組運維上的建議,以期增加整體風力機的可用率。

風力機組齒輪故障診斷系統
介紹

一般狀態監控
(Condition Monitoring System, CMS)系統功能介紹

目前市面上常見CMS系統基本上包含下列主要功能:
網頁頁面:可即時線上觀察風機結構與測點,得知健康狀態。亦可顯示多機狀態燈號警示畫面。
資料前處理:風力機數據(raw data & FFT)由風場透過無線方式傳輸至資料庫。
分析演算法:後台診斷分析演算法,根據不同設備規格與參數設定,進行診斷。
警示功能:可根據設定的門檻值,即時預警/月報/季報提醒。
圖1簡單說明一個CMS系統架構,進行風力機主要狀態監控,顯示風場狀態及即時振動監測燈號,可整合監控平台,加註風力機即時振動健康預警燈號。可透過故障警示機組,點選進入風機狀態進入顯示機組即時狀態總覽,包含故障警告風力機網頁功能列表及顯示故障位置訊息詳細資訊,如圖2所示CMS風場振動狀態群集燈號顯示。
CMS系統經過初期的安裝配置、與一段前期評估與閥值設定後,便進入持續監控狀態。當系統發出警訊,可能依照嚴重程度,由系統發出警告,再由營運業主或是專業服務團隊來進行評估。發現早期可能的故障經業主討論後,若決定進行維修或是更換零件,就可以有充分時間安排在無風或弱風期維修,將停機所造成的損失降至最低;圖3為風力機未裝設CMS之損失比較,可知若強風下造成之停機損失極為嚴重,透過CMS系統可減少未預期之重大故障,設計不當、製造不良等問題,降低到達現場維護及檢修的次數同時也降低修正性維修次數,針對必須換零件的維修,減少故障維修及備品等待時間,增加AEP年度發電量。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌。

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