在2025年北京國際風(fēng)能展“AI 與智能運(yùn)維”論壇上，協(xié)合運(yùn)維運(yùn)維服務(wù)事業(yè)部總工程師劉瑞華發(fā)表“基于振動數(shù)據(jù)的發(fā)電機(jī)軸承故障和壽命預(yù)測方法研究”的主題演講，分享了協(xié)合運(yùn)維對風(fēng)電機(jī)組傳動鏈振動診斷預(yù)警的研究與實(shí)踐。

協(xié)合運(yùn)維運(yùn)維服務(wù)事業(yè)部總工程師劉瑞華演講現(xiàn)場

01

風(fēng)電傳動鏈診斷分析現(xiàn)狀

據(jù)統(tǒng)計，預(yù)計到2025年底，我國運(yùn)行10年以上的風(fēng)電機(jī)組數(shù)量將達(dá)到9.2萬臺，裝機(jī)容量超145GW，占風(fēng)電總裝機(jī)容量的25%左右。這些機(jī)組因長期運(yùn)行，部件老化磨損問題突出，失效風(fēng)險高。

劉瑞華表示，傳動鏈?zhǔn)秋L(fēng)電資產(chǎn)運(yùn)營中的一個重大風(fēng)險點(diǎn)，隨著投產(chǎn)年限增加，其失效風(fēng)險逐步增加，同時機(jī)組大容量、高塔筒、長葉片發(fā)展，也對傳動鏈的安全性和可靠性提出更高要求。過去十多年，行業(yè)采用油液、熱成像、超聲波探傷、聲發(fā)射、振動分析等多種技術(shù)手段監(jiān)測這些設(shè)備，其中振動分析能夠較全面地分析故障且易于實(shí)施，已成為風(fēng)電設(shè)備運(yùn)維的輔助手段，但仍存在數(shù)據(jù)資源分散且案例積累不足、過度依賴專家、突發(fā)故障診斷難度大等問題，離自動精準(zhǔn)預(yù)警尚有差距。

在風(fēng)電機(jī)組傳動鏈中，發(fā)電機(jī)軸承長期處于高轉(zhuǎn)速、變載荷、強(qiáng)沖擊以及溫濕度波動劇烈的工況，是機(jī)組故障的高發(fā)部件。行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，發(fā)電機(jī)軸承故障占傳動鏈故障的75%-80%，陸上風(fēng)電機(jī)組換軸承需停機(jī)1-7天，海上因吊裝難度大、作業(yè)環(huán)境惡劣，維修周期長達(dá)1-2個月，不僅造成直接經(jīng)濟(jì)損失，還可能因故障擴(kuò)散引發(fā)發(fā)電機(jī)燒毀、機(jī)艙起火等事故，威脅電站效益和人員安全。若能早期發(fā)現(xiàn)故障，機(jī)艙內(nèi)更換軸承費(fèi)用不到1萬元；若故障擴(kuò)大，僅單機(jī)吊裝費(fèi)就達(dá)幾萬元，加上發(fā)電機(jī)整體更換維修費(fèi)用超過幾十萬元。

在協(xié)合運(yùn)維將近1400個傳動鏈故障維修的案例中，發(fā)電機(jī)軸承故障占比高達(dá)51%，且80%未達(dá)設(shè)計使用壽命。“保障發(fā)電機(jī)軸承可靠運(yùn)行，提前識別故障并精準(zhǔn)預(yù)測剩余壽命，已成為當(dāng)前風(fēng)電資產(chǎn)運(yùn)營亟待解決的核心問題。”劉瑞華強(qiáng)調(diào)。

協(xié)合運(yùn)維研究的近1400個傳動鏈的故障類型及占比

02

協(xié)合運(yùn)維：發(fā)電機(jī)軸承振動預(yù)警研究實(shí)踐

理論上，發(fā)電機(jī)軸承故障劣化發(fā)展呈指數(shù)規(guī)律變化，壽命中90%的運(yùn)行時間處于正常狀態(tài)。階段①時，軸承已輕微失效，但振動信號微弱，常規(guī)手段難察覺；階段②失效擴(kuò)大，振動差異仍不明顯，表面運(yùn)行正常，實(shí)則風(fēng)險累積。如未及時檢修，就會發(fā)展到階段③，軸承帶病運(yùn)行，次生失效加劇，振動和溫度異常顯著；階段④時，多種失效疊加，軸承可能會出現(xiàn)無法繼續(xù)運(yùn)行的情況。

軸承剩余壽命-累計損傷曲線

劉瑞華指出，行業(yè)應(yīng)盡量在軸承失效階段①和②時識別故障，通過潤滑等維護(hù)手段延緩失效；在階段③定位故障部件，避免突然失效；在階段④提前確定更換時間并合理安排更換計劃。但現(xiàn)有振動分析技術(shù)如時域、頻譜、包絡(luò)解調(diào)等振動分析需借助專家經(jīng)驗(yàn)，無法自動識別，且難以預(yù)測壽命；基于SCADA數(shù)據(jù)的模型雖能減少對專家的依賴，但可用測點(diǎn)數(shù)據(jù)少，誤報率高；基于CMS系統(tǒng)的單一指標(biāo)診斷模型在保持架損壞等預(yù)測上準(zhǔn)確率低。

在研究過程中，協(xié)合運(yùn)維技術(shù)團(tuán)隊(duì)選取波形、頻譜以及包絡(luò)譜中的典型特征指標(biāo)，建立了“多指標(biāo)共振”思路的預(yù)警方法，按階段用不同權(quán)重的指標(biāo)，準(zhǔn)確判定軸承所處的故障階段。經(jīng)對國內(nèi)12個場站、608臺發(fā)電機(jī)軸承、長達(dá)5年的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證，該方法能快速識別早期故障，讓中期故障定位更精準(zhǔn)。

目前，協(xié)合運(yùn)維部署了超30個CMS模型，進(jìn)行發(fā)電機(jī)軸承的自主預(yù)警，未來計劃接入葉片、塔筒等監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)行設(shè)備的集成式綜合診斷。

此外，協(xié)合運(yùn)維也在開展發(fā)電機(jī)軸承壽命預(yù)測模型的研究，基于12個場站304臺風(fēng)電機(jī)組長期振動數(shù)據(jù)，擬合各個場站軸承的壽命預(yù)測曲線，致力于在軸承運(yùn)行的中后期預(yù)測其使用壽命，為風(fēng)電預(yù)測性維護(hù)提供有力支撐，在電價不確定的電力市場中，也能為軸承更換時機(jī)提供關(guān)鍵決策依據(jù)。

某風(fēng)電場發(fā)電機(jī)軸承壽命預(yù)測曲線圖

新能源全面入市后的投資收益變得不確定，整個行業(yè)對成本的管控和新能源資產(chǎn)的運(yùn)行質(zhì)量要求更加嚴(yán)格，每一臺機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行、每一次故障的提前化解，都是資產(chǎn)盈利的“護(hù)城河”。未來，協(xié)合運(yùn)維將矢志不渝地進(jìn)行研發(fā)和技術(shù)創(chuàng)新，打造具備數(shù)智化、標(biāo)準(zhǔn)化能力的服務(wù)體系、管理體系和創(chuàng)新模式，在電力市場時代為新能源資產(chǎn)的持續(xù)盈利筑牢根基。