風(fēng)力渦輪狀態(tài)監(jiān)控

概觀

由于環(huán)境條件的限制，風(fēng)力發(fā)電廠往往地處偏遠(yuǎn)，且機(jī)組與地面的垂直距離極高，因此風(fēng)力渦輪的維修成本亦極為昂 貴。此外，風(fēng)力渦輪組件在設(shè)計(jì)時(shí)亦已刻意減輕其重量，因此容易因?yàn)閼?yīng)力而發(fā)生故障。由于風(fēng)力發(fā)電的需求不斷提高，目前首要課題則必須降低操作與維護(hù) (OM) 成本，并提高其穩(wěn)定性。目前風(fēng)力發(fā)電的 OM 成本居高不下，因此全球?qū)︼L(fēng)力發(fā)電的接受度亦有限。透過低成本的在線狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，將可預(yù)測故障與維修需要，藉以減少維修作業(yè)并降低 OM 成本。

狀態(tài)監(jiān)控的需求

風(fēng)力發(fā)電的目前趨勢，即是于偏遠(yuǎn)地區(qū)設(shè)置大型的風(fēng)力渦輪，因此往往位于近海處而能獲得較佳的風(fēng)力條件。但與傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)相較，設(shè)備體積與位置偏遠(yuǎn)的問題，均造成維修上的難題：

1. 無法隨時(shí)巡視維護(hù) - 不同于其他發(fā)電設(shè)備，風(fēng)力渦輪難以排定維修人員隨時(shí)檢查維修。

2. 高維護(hù)成本 - 由于必須前往偏遠(yuǎn)地區(qū)，發(fā)電機(jī)組又架離地面極高的距離，因此維護(hù)成本也較高。

3. 故障機(jī)率高 - 齒輪箱與相關(guān)組件均特別針對(duì)重量因素而設(shè)計(jì)，因此較容易受到應(yīng)力影響而故障。

此外，負(fù)載與作業(yè)條件均不斷變化，因此風(fēng)力渦輪必須承受更高的機(jī)械應(yīng)力。高應(yīng)力的條件之下，就更需要維護(hù)作業(yè)。

風(fēng)力發(fā)電一般均為反應(yīng) (Reactive) 或損壞 (Run-to-failure) 維護(hù)。而此種維護(hù)方式亦為最高成本的 OM。

因此除了提高 OM 成本之為，亦將影響項(xiàng)目可行性與投資收益所估算的能源成本 (COE)。

美國電力研究院 (Electric Power Research Institute，EPRI) 已針對(duì)電力產(chǎn)業(yè)提供完整的案例研討，而反應(yīng)維護(hù) (持續(xù)運(yùn)作機(jī)器直到故障為止) 為最低效能且最高成本的發(fā)電設(shè)備維護(hù)方式。EPRI 所提供的維護(hù)成本即列于下：

1. 反應(yīng) (損壞) 維護(hù)成本，每年的單一馬力將需要 17 美元「起」。

2. 預(yù)防維護(hù) (Preventive maintenance) 則是根據(jù)制造商建議的維護(hù)周期所進(jìn)行，每年的單一馬力需花費(fèi) 24 美元；約可省下反應(yīng)維護(hù) 24% 的成本。

3. 預(yù)知維護(hù) (Predictive maintenance) 則是狀態(tài)監(jiān)控而預(yù)測所需的維護(hù)作業(yè)，每年單一馬力需花費(fèi) 9 美元；約可省下反應(yīng)維護(hù) 47% 的成本。

若渦輪組件可持續(xù)運(yùn)作直到故障，則整體發(fā)電量將大幅受到意外停機(jī)所影響。在此同時(shí)，如頻繁運(yùn)作的零件與吊高作業(yè)的成本，再加上零件掉落所造成的損 壞，均將提高維護(hù)成本。與在線狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的預(yù)知維護(hù)相較，互動(dòng)維護(hù)的成本確實(shí)高出甚多。狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的功能，即是要連續(xù)監(jiān)控組件并預(yù)測機(jī)器問題，讓操作 人員能盡早排定維護(hù)并避免重大損失。

NI 狀態(tài)監(jiān)控解決方案

針對(duì)狀態(tài)監(jiān)控作業(yè)，NI 提供專屬的解決方案。針對(duì)發(fā)電機(jī)/齒輪箱制造商或風(fēng)力渦輪整合商，NI 提供必要的軟硬件，以設(shè)計(jì)高效能、低成本，且專屬的風(fēng)力渦輪監(jiān)控解決方案。NI 亦根據(jù)產(chǎn)業(yè)走向，持續(xù)提供最新的訊號(hào)處理算法，以找出訊號(hào)的關(guān)鍵特征，并預(yù)測機(jī)器組件的狀態(tài)。這些算法包含階次分析、倒頻譜 (Cepstral) 分析、軸承調(diào)變監(jiān)控、小波、AR 模型制作、電力質(zhì)量、功率系數(shù)、雨量應(yīng)力周期 (Rainfall stress cycle) 分析，還有許多統(tǒng)計(jì)分析算法。透過 NI LabVIEW 軟件，即可使用這些內(nèi)建的訊號(hào)處理算法、匯入文字程序代碼 (如 C 與其他數(shù)學(xué)腳本)，并可輕松設(shè)計(jì)全新的算法。

以研究結(jié)果為例，風(fēng)力渦輪的齒輪箱與其軸承，即為最高故障率的組件。齒輪箱與軸承的振動(dòng)分析作業(yè)，則是透過加速規(guī)而監(jiān)控并預(yù)測可能的故障。但若風(fēng)力渦輪使用多層次齒輪箱，則過多振動(dòng)源將造成復(fù)雜的振動(dòng)、調(diào)變，與運(yùn)作速度振動(dòng)。

若要正確分析齒輪箱的振動(dòng)，則需要高分辨率的頻譜分析器。基本而言，此將需搭配多帶寬的振動(dòng)訊號(hào)取樣儀器，以記錄長時(shí)間的波形。換句話說，狀態(tài)監(jiān)控解決方案必須能達(dá) 51.2 kHz 以上的取樣率，且可儲(chǔ)存超過 2 MB 的二進(jìn)制時(shí)間波形。NI CompactRIO 平臺(tái)即具備此功能。而高階光譜分析則包含變焦 FFT 與變焦階次頻譜 (Zoom order spectrum)，可進(jìn)一步找出高頻率振動(dòng)特性參數(shù)，且不致遺漏邊帶 (Sideband) 數(shù)據(jù)。邊帶分析可輔助分析師找出故障齒輪。

此彈性且開放的 NI LabVIEW 與 CompactRIO 環(huán)境，共具備下列優(yōu)勢：

1. 較低成本 - NI 持續(xù)研發(fā)低價(jià)位且高效能的技術(shù)，只為提供整合商與 OEM 更卓越的技術(shù)。

2. 客戶解決方案 - 開發(fā)廠商可輕松設(shè)計(jì)專屬的監(jiān)控解決方案，且功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控解決方案。

3. OEM 專屬 - NI 另配合超過 900 家開發(fā)伙伴，可大幅減少成本且達(dá)到立即可用的解決方案。

4. 整合控制與監(jiān)測 - NI 平臺(tái)可于單一系統(tǒng)具備控制與監(jiān)測功能，適用于高階、模型架構(gòu)的監(jiān)控作業(yè)。

控制系統(tǒng)整合與通訊協(xié)議支持

若與其他產(chǎn)品相較，NI 系統(tǒng)除了可達(dá)較低成本與專屬的訊號(hào)處理功能，其最大差異則在于可整合控制系統(tǒng)的功能。透過 NI 平臺(tái)，即可用單一裝置或溝通多組裝置，而整合控制與監(jiān)測功能。NI 平臺(tái)可銜接以太網(wǎng)絡(luò)、RS232/RS485、Modbus、OPC、CAN、Fieldbus、PROFIBUS，甚或取得專利的通訊協(xié)議。此彈性的通 訊功能，可讓 NI 系統(tǒng)輕松整合風(fēng)力渦輪機(jī)組的其他裝置。

用于狀態(tài)監(jiān)控的 NI 產(chǎn)品

NI 提供多款訊號(hào)處理設(shè)備，可銜接不同的傳感器，包含振動(dòng)、應(yīng)變、音頻、溫度、電壓、電流、功率等。透過標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，即可為狀態(tài)監(jiān)控裝置新增油微粒子 (Oil particulate) 計(jì)數(shù)，與光學(xué)感測功能。多樣且彈性的功能，讓 NI 保持在狀態(tài)監(jiān)控應(yīng)用的領(lǐng)先地位。