风电齿轮箱在线监测方案

风电是一种资源潜力大、技术基本成熟的可再生能源。在减少温室气体和应对气候变化的新形势下，它越来越受到世界各国的重视，并在全球得到了大规模的开发和利用。随着风电的快速发展，风机数量急剧增加。目前，我国大约有6万台风机，新机组的不断投运，旧机组的不断老化，使得提高风机的利用率，降低设备的故障率和故障时间，避免设备突发故障，成为风电运营商日常设备维护与检修工作的主要目标。

风电场设备维护现状

纵观设备的维护历史，设备的维护方法一般可以概括为事后维护、预防性维护和改进性维护。在这三种维护方法中，预防性维护是最常见的。目前，预防性维护可分为周期性预防性维护和状态维护。

周期性预防性维护是指在一定时间内有计划地安排预防性维护活动。维护的目的是防止故障的发生。周期性预防性维护的基本思想是预防为主

状态维护是一种基于设备技术状态的预防性维护方法。通过统计分析和数据处理，根据设备日常点检、定期检查、连续监测和故障诊断提供的信息判断设备的恶化程度。或由维修人员根据参数的变化趋势或振幅值的变化进行判断，并在故障发生前对设备进行有计划的适当维护。设备的使用时间不规定，可有效避免维修不足和维修过度，充分利用设备的使用寿命。维护工作量保持在较低水平是一种经济合理的优化维护方法。目前，发电机、飞机发动机等状态维护应用广泛。但是，状态维护也存在一些不足，即只考虑设备的当前运行状态，而不考虑或较少考虑设备的未来运行。

新概念是智能维护（IM，IntelligentMaintenance）智能维护系统是在状态维护的基础上发展起来的一种全新的预测性维护方法，其目的是实现设备接近零故障的运行效率。通过嵌入式智能代理技术和性能衰退预测技术的整合，智能维护不仅为设备性能衰退监测提供了低成本的解决方案，而且使企业在制定维护计划和准备维护资源（如备件）时有更多的时间余量。特别是在备件库存管理方面，智能维护可以大大降低维护所需备件库存，从而为企业节约维护所需的库存成本。2002年，智能维护被美国财富杂志评为未来制造业最热门的三项技术之一。

自2006年以来，中国一直在大规模使用风扇发电。大多数风电机组已经运行了5年，齿轮箱故障是不可避免的。随着机组间运行的延长，这些机组相继出现故障（包括风轮叶片、电机、增速齿轮、控制系统等。，机组停止运行，严重影响发电，造成经济损失。

目前，我国风电所有者的运行维护预算相对较低，维护成本可以非常便宜，但从长远来看不值得，3年、5年处理，一旦风机运行超过10年，维护成本将迅速上升。此时，风扇的故障会越来越多，问题也会越来越大。在此期间，前面少花的钱会得到补充，影响风扇的使用寿命。在保持高利用率的前提下，选择合适的维护方法可使风机运行25至30年。国外风机场主在这方面已经走在了前列。目前，许多国际知名企业将智能维护技术作为企业的主要发展战略，促进维护战略从平均故障间隔到平均衰退间隔的转变，实现企业设备和产品在其生命周期中几乎为零的故障率，大大提高了国际市场的竞争力。

在线监测油液的必要性

80%的机械设备隐患来自润滑，磨损故障是风扇等大型设备失效的主要原因。润滑油是机械设备的血液，在密封、润滑、减磨、冷却、清洗、减振、防腐等方面发挥着重要作用，但也隐藏污垢。这些污染物包括：零件的磨损颗粒和腐蚀产品。此外，润滑油和添加剂在一定程度上都与机械设备和润滑油的使用状态有关。同时，润滑油作为载体，从机器运动副表面包含丰富的摩擦状态信息。对其性能和磨损产品的分析可以有效地评估机械的磨损状态。监测油指标就像给齿轮箱抽血测试，帮助工作人员尽快发现最科学、最直观的数据，及时维护，避免故障，延长使用寿命。

油状态监测的主要目的是早期发现和预警油的劣化、污染和机械磨损。首先，机械磨损的早期发现是设备视觉维护的基础，可以在严重磨损和故障前安排维护，减少设备损坏；其次，根据设备状态合理安排维护时间，减少故障停机和定期维护对生产的影响；第三，提高设备平均故障时间和生产率。

目前，我国风机设备的维护主要是定期维护和实验室离线油分析。定期维护存在的问题主要是维护成本高，随着设备老化，定期维护周期逐渐减少，造成大量维护成本浪费；实验室油离线分析主要测试时间长；部分检测仪器价格昂贵，体积大，不适合企业推广；取样不具有代表性；检验周期过长；应用区域有限。

与离线油检测相比，实现风电机组远程在线状态监测的网络化、智能化势在必行。首先，在线监控具有实时监控的优点。完成在线监控通常只需要几分钟到十分钟。现场服务器通过互联网将风电场和风电机组的数据实时传输到远离风电场的远程监控中心，直接显示风电场的运行状态，实时显示风电机组的设备状态，数据自动存储在数据库中。其次，回油管或齿轮箱中的油不需要取样直接分析，避免了不具代表性和二次污染的可能性。

在线故障预警系统将至少降低齿轮箱故障率和维护成本的80%，节省总投资的17%。通过增加风机状态监测和故障诊断技术，风电企业可以准确掌握关键部件的实际特点，确定需要修复或更换的部件和部件，充分利用部件的潜力，避免过度维护，减少能源损失，实现定期维护的目的，节约成本。

油液在线监测方法及相关硬件设备

在线监测技术手段以其连续性、实时性和同步性等优点，近年来在在线油液监测技术领域得到了快速发展和应用，并在许多行业开展了相关的工程化应用探索。

油液在线监测技术方法发展迅速。形成了理化性能在线监测、磨粒数量特征在线监测、磨粒图像特征在线监测、磨粒元素含量在线监测系统和油分子结构在线监测的在线监测技术方法系统。各种在线技术方法不断应用，各种方法应用成功。

先进的监测传感器，如在线水、粘度、颗粒、可视化铁谱等，相继产生并出现，并在工程实践中不断应用，其可靠性和实用性不断提高。

从实验室阶段到工程应用阶段，各种在线油液监测技术不断应用和推广。

远程在线监测和故障预警系统

伴随科学技术的日新月异，在线油液监测作为一种现代监测手段得到了积极发展。最具代表性的是风力发电机组齿轮箱油远程在线监测系统在风机中的应用。它通过监测风力发电机的血液——齿轮箱润滑油的成分变化来预警风机是否异常。现场服务器通过互联网将风电场和风电机组的数据实时传输到远离风电场的远程监控中心，直接显示风电场的运行状态，实时显示风电机组的设备状态，并提供设备状态分析方案。监测数据不仅包括常规油指标（粘度、水含量、密度、介电常数和温度)，以及磨损产生的铁磁性和非铁磁性金属颗粒的大小和数量。这些监测数据不仅可以反映在油的状态、准确的换油期等，还可以判断风机齿轮的内部磨损程度和磨损部位，从而实现风机齿轮箱运行状态的实时监测，最终实现将定期维护改为视觉维护，将故障后的补救维护改为预警维护，降低维护成本。

风电机组齿轮箱油远程在线监控系统具有在线监控齿轮箱运行的特点，减少常规维护次数，监控数据更可靠直观，产品使用维护方便，可提供产品定制服务，不受区域限制。

远程在线监控系统数据管理平台可根据齿轮箱润滑油的实时监控数据提供齿轮箱状态分析方案，通过分析得到齿轮箱故障预警，避免重大事故。数据管理平台提供的软件界面直观易懂，无需用户计算，可输出状态趋势、历史数据及相关图标，节省时间和效率；服务器端保存数据管理平台的所有数据，确保用户数据安全，实现设备集群管理，提高工作效率；数据管理平台可扩展性高，软件功能定制，维护方便，可靠性高。

发展前景

随着计算机技术、网络通信技术和数据集成技术的快速发展，在线油监测技术正在向自动化和智能方向发展；在线油监测诊断系统正在向网络和远程方向发展；在线油监测诊断模式正在向各种监测技术手段发展，即多监测参数据集成诊断方向发展。开展在线油监测基础理论研究，积极开发在线油监测传感器、监测仪器、综合信息处理分析系统仍是未来油监测研究的主题；积极推进在线油监测理论，建立在线油监测示范项目案例是在线油监测快速发展的保证；倡导高科技新理论在油监测中的应用和实践是在线油监测发展的驱动力。

新型风电传感器技术使风电油监测更加便携

VW5FM12F-SAE2系列风电油传感器集成了铁磁和非铁磁磨损颗粒、粘度、密度、微水含量、水活性、温度等检测组件，可选择介电常数和游离水检测组件，完成油磨损状态和油特性的综合检测任务。该装置体积小、坚固，非常适合齿轮箱等重型工业设备的油状态监测，是预防性维护、先进智能制造的可靠产品。

内置了业界领先的高精度与高稳定性金属磨损颗粒检测部件，该部件采用先进的多线圈磁力场扰动检测原理，搭配高性能数据采样和处理单元，实现了对40um铁磁金属颗粒和150um非铁磁性金属颗粒的实时捕获和累计统计输出功能。

内置温度测量和油流量测量功能，实现传感器工作环境的自检和油路流动性的判断，始终保证传感器在良好的检测状态下工作，检测油样的代表性。

VW5FM12F-SAE2的推出实现了对大型工业设备磨损的实时监测。通过对磨损碎片的产生和油品理化指标的不断监测，可以提醒用户维护设备的最早故障。与传统的维护时间表相比，可以实现更低成本的维护措施，防止更严重的事故。

测量原理pan>

VW5FM12F-SAE2内置了多个处于谐振状态的高性能线圈组。当有金属磨粒通过管路时，线圈组磁场产生扰动信号，该信号经高灵敏度采样单元、带通滤波单元、相位及幅值比较单元、信号放大单元、低通滤波单元和信号提取单元等完成对金属磨粒信号的实时捕捉和统计上报工作。

实现了对40um铁颗粒（Fe）和150um非铁颗粒（NFe）的检测能力。

采用压电振动工作模式，通过补偿振子部件始终工作在谐振状态，获取相关参数。

其振动周期T与液体密度相关：

ρ = K0 + K1*T + K2*T2    （K0 K1 K2为校准参数）

其振动品质因数Q与粘度相关：

η = C0 + C1*Q + C2*Q2   （C0 C1 C2为校准参数） 

粘度与密度检测性能在实验室采用NIST授权认可标准液完成校准标定工作。

采用高分子聚酰亚胺薄膜电容测量油中水活性，搭配PT100A级铂电阻，实现了油中溶解水分活度的实时检测，依托多组油品溶解系数，完成了对微量水分ppm级的实时检测，始终确保在用油品的水分处于饱和点以下，为重型设备提供良好诊断、检测依据。

采用叉指金电极完成对油品品质的实时检测，依靠24bit高分辨率电容采样芯片完成对油品细微电学性能变化的实时诊断。

重要特点

• 40μm铁磁&150μm非铁磁磨粒检测能力
• 磨损颗粒数量统计与材质分析
• 粘度、密度、微量水分等多项理化指标检测
• 流速估算，确保检测的典型性
• 异常磨损检测，保障贵重资产
• 测量不受外部金属和磁场干扰
• 测量不受油中气泡和水分影响
• 快速响应，数据累计周期可调
• 优良的耐化学腐蚀和耐压特性
• 无活动件和消耗件，十年设计寿命
• 2.5kV隔离型RS485 Modbus通讯

技术参数

检测能力：铁磁颗粒，非铁磁颗粒，粘度，密度，微水含量，水活性，温度，流速，可选项：介电常数，游离水
铁磁与非铁磁磨损颗粒检测
检出能力	铁磁性磨粒Fe	> 40μm（ESD） 五档
	非铁磁性磨粒NFe	> 150μm（ESD） 五档
磨粒通径	Φ 12mm
检出率	＞90%
铁磁统计	40 ~ 99μm，100 ~ 199μm，200 ~ 299μm，300 ~ 399μm，≥ 400μm
非铁磁统计	150 ~ 199μm，200 ~ 299μm，300 ~ 399μm，400 ~ 499μm，≥ 500μm
统计周期	启动自检30秒(首次)，计数间隔300 ~ 3600秒可调
颗粒数	Max 100颗/秒
油品特性检测
粘度检测	量程：1…1000cP
	精度：5% or 5cP 二者取大者
	分辨率：0.1cP
密度检测	量程：600…1250 kg.m-3
	精度：2% or 5kg.m-3 二者取大值
	分辨率：0.1 kg.m-3
微水含量	量程：1…5000ppm
	精度：10% or 10ppm （依据油品校准）
	分辨率：1ppm
水活性	量程：0…1aw
	精度：3%
	分辨率：0.001aw
温度	量程：-40…85℃
	精度：0.5℃
	分辨率：0.1℃
介电常数（可选）	量程：1…6εr
	精度：0.2εr
	分辨率：0.1εr
游离水（可选）	量程：0-20%
	精度：0.5%
	分辨率：0.1%
其他参数
容许流量	0.5 … 500 L/min
等效内径	Φ52mm （可定制）
数字输出	RS485 MODBUS RTU，隔离电压2.5kV
工作电源	DC 24V±10%，5W Max
探头耐压	10bar Max
适用流体	润滑油和液压油(合成和矿物质基底)等
流体温度	-40 … 80 ℃
环境温度	-40 … 85 ℃
外壳材质	不锈钢，阳极氧化铝，聚碳酸酯
结构尺寸	240×120×160 mm (长×宽×高)
法兰接口	SAE 2（可定制）
重    量	<5 kg
防护等级	IP65
连接电缆	2米5芯屏蔽电缆，M12*1.5/8芯直头连接器
电磁兼容	EN 61326‐1 EN 61326‐2‐3 ICES‐003 B 级