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某风电场华创1.5MW风力发电机组偏航系统故障分析及解决措施

发表时间：2021/8/11 来源：《电力设备》2020年第34期作者：边晋发

[导读] 摘要：本文针对某风电场华创1.5MW风力发电机组偏航系统故障：风机正常迎风发电时，偏航制动器无法正常抱死，存在被动偏航及异响；风机偏航制动器漏油、偏航电机抱闸磨损严重；风机偏航减速机与主机架连接螺栓频繁松动、断裂；风机偏航减速机齿系、偏航减速机驱动齿、偏航轴承大齿断裂等，根据风电场实际运行情况，通过对该风电场机组偏航系统故障现象统计、偏航系统资料分析、载荷计算及故障原因分析，发现偏航减速机额定输出

        （大唐山西新能源公司 030000）
        摘要：本文针对某风电场华创1.5MW风力发电机组偏航系统故障：风机正常迎风发电时，偏航制动器无法正常抱死，存在被动偏航及异响；风机偏航制动器漏油、偏航电机抱闸磨损严重；风机偏航减速机与主机架连接螺栓频繁松动、断裂；风机偏航减速机齿系、偏航减速机驱动齿、偏航轴承大齿断裂等，根据风电场实际运行情况，通过对该风电场机组偏航系统故障现象统计、偏航系统资料分析、载荷计算及故障原因分析，发现偏航减速机额定输出扭矩的安全余量较小，在部分极端工况时易出现电机过载问题；偏航系统制动力不足，通过对偏航制动器重新选型并增加至7组，增加一组偏航减速机及偏航电机，同时针对排查偏航电机抱闸、偏航刹车盘等存在问题集中修复，通过近一年的运行情况发现，风电机组偏航系统运行良好，未发生机械损坏，从而有效防范了偏航系统故障的发生。
        关键词：风力发电机组；偏航减速机断齿；偏航驱动力矩；偏航制动力矩；矩载荷计算；技术改造；运行维护；
        1引言
        北方某风电场一期工程共安装了33台沈阳华创风能有限公司型号为CCWE-1500/93.DF的风力发电机组，偏航驱动系统使用690VAC电源直接驱动3台偏航电机的方式，偏航制动系统采用6组90型偏航制动。该风电项目全部机组于2016年5月底通过240，但是直到2019年6月风机在偏航过程中经常出现偏航异响、偏航减速机频繁损坏、偏航大齿断齿等情况，对风电场发电量产生了较大影响。

        减速机驱动齿断齿
        2偏航系统故障现象统计
        2.1 风机正常迎风发电时，偏航制动器无法正常抱死，存在被动偏航及异响。
        2.2 风机偏航制动器漏油、偏航电机抱闸磨损严重。
        2.3 风机偏航减速机与主机架连接螺栓频繁松动、断裂。
        2.4风机偏减速机齿系、偏航减速机驱动齿、偏航轴承大齿断裂。
        3偏航系统资料分析
        3.1机组参数
        3.1.1偏航系统参数

3.1.2偏航载荷数据
根据风力发电机组偏航轴承载荷报告，偏航系统最小制动力矩及据偏航驱动选型的有效载荷见下表：

        3.2偏航电机驱动力核算
        偏航大齿与小齿减速比；风机安装3个偏航减速机，每个减速器的额定输出扭矩为35kN.m；根据偏航驱动选型的有效载荷最大值878.03kNm进行偏航驱动的校核计算。该机组偏航系统能提供的额定驱动力为：

        其中：
        T1——偏航减速器额定输出扭矩，35KN.m。
        T ——偏航系统总额定扭矩。
        i1 ——偏航轴承齿数比，9.143。
        n1——偏航电机个数，3台。
        由上面计算可知，3个偏航驱动提供的偏航力矩可满足机组偏航动作需求，但其安全余量相对较小，约为1.09。同时，校核中未考虑齿轮传递效率问题，实际运行中的安全余量将会更小。
        3.3偏航制动力核算
        3.3.1偏航液压制动器制动力矩
        单个偏航制动器的制动力为160kN，刹车半径约0.96m，每台机组配套6组偏航制动器。
        该机组偏航制动器可以提供的最大制动力矩为：

        其中：
        M1——液压制动器总刹车力矩
        F ——单个制动器的制动力，160KN。
        d ——刹车半径，0.96m。
        n2——偏航制动器数量，6组。
        3.3.2偏航电机总制动力矩
        每台偏航电机配置1个抱闸刹车，刹车力矩为50N.m；该机组偏航系统总减速比为10527.82。因此，偏航驱动可提供的刹车力矩为：

        其中：
        M2——偏航驱动总刹车力矩
        m ——单个电机抱闸的制动力，50N.m
        i ——偏航总速比，10527.82。
        n1——偏航电机数量，3台。
        3.3.3偏航总制动力矩核算
        根据华创风能的设计资料，为保证机组设计工况内不发生偏航系统滑移，偏航系统须提供的制动力矩应大于3968.26kN.m。该机组现有配置可提供的最大偏航制动力矩为：

        根据上述结论，该机组现阶段偏航系统可提供的最大制动力仅为设计要求的63%，机组在日常运行时无法保证完全刹车。
        5偏航系统故障解决方案
        5.1增加变频柔性偏航系统
        5.1.1方案介绍
        基于变频器驱动的柔性自学习偏航系统，是对原偏航系统的有效技术改造，目的是实现偏航系统的软启动、软停止，使风机运行平稳，减少振动和机械冲击对风机带来的损害；同时减少启动电流对电机的冲击、延长电机寿命，提升机组可利用率和发电量，实现风电场提质增效。
        6.2增加偏航驱动
        针对华创风能1.5MW-93双馈机组偏航驱动力较小的问题，选择在该机组预留位置上新增一台偏航减速器。新增偏航减速器、偏航电机的技术参数应与该风电场机组的参数保持一致（尽量为同同厂家、同系列产品），采购前应核对每台机组偏航减速器的铭牌信息。新增偏航驱动的技术参数及要求可参照华创风能《1.5MW双馈风力发电机组偏航减速机技术规范》。
        增加偏航驱动后，机组偏航系统能提供的额定驱动力为：

        其中：
        T＇——改造后偏航系统总额定扭矩
        T1——偏航减速器额定输出扭矩，35KN.m。
        i1 ——偏航轴承齿数比，9.143。
        n1＇——改造后偏航电机个数，4台。
        通过此次改造，偏航驱动力的安全余量可提升至1.46，将降低每个偏航齿轮的承受载荷，可在一定程度上降低断齿发生的风险。
        6.3偏航制动系统改造
        6.3.1方案介绍
        按照上述现机组偏航制动力矩的核算，已严重威胁机组的正常运行。将现有机组90型液压制动器更换为105型液压制动器，同时新增一组制动器。更换液压制动器同时新增偏航驱动（电机抱闸刹车），机组整体偏航制动力矩可以大幅提升。改造方案制动器及偏航驱动参数如下：

        6.3.2改造后的偏航制动力
        改造后单个偏航制动器的制动力为220kN，每台机组配套7组偏航制动器。偏航制动器可以提供的最大制动力矩为：

        其中：
        M1＇——改造后的液压制动器总刹车力矩
        F＇ ——改造后单个制动器的制动力，220KN。
        d ——刹车半径，0.96m
        n2＇——改造后偏航制动器数量，7组。
        每台机组新增1个偏航驱动，可增加偏航电机的刹车力矩。改造后偏航驱动可提供的刹车力矩为：

        其中：
        M2＇——改造后偏航驱动总刹车力矩
        m ——单个电机抱闸的制动力，50N.m
        i ——偏航总速比，10527.82。
        n1＇——改造后偏航电机个数，4台。
        偏航制动系统改造后，机组偏航系统能提供的最大偏航制动力矩为：

        根据设计要求，偏航系统完全制动所需制动力矩3968.26kN.m。改造后偏航系统的最大制动力可达到设计要求的90.32%。
        华创1.5MW-93机组的刹车制动载荷是按照完全制动所提供的制动力矩；最大制动力矩出现在极端工况，日常运行发电工况所需制动力矩相对较小。当机组遭遇极端工况时，因偏航制动力矩小于完全制动要求，此时将发生偏航滑动，机组通过此种方式可降低所承受的最大载荷，减少机组的冲击。同时，因发电工况的偏航制动力矩较小，通过改造提升制动力矩后，该制动力矩可满足机组发电工况的使用要求，保证完全制动。此种方案符合设计标准需求。
        6.4偏航系统检查
        6.4.1偏航驱动运行情况检查。运行偏航系统，检查3台偏航驱动过程中是否存在异音、异常振动等情况；若有异常需进行拆解检查。
        6.4.2清理偏航减速器安装法兰面。将偏航液压制动器进行制动，使用专用工装，逐台拆除偏航减速器。使用清洁剂清理安装法兰面，完成后在重新安装，保证安装螺栓孔的位置不变。
        6.4.3偏航驱动及安装检查，检查偏航减速机、偏航电机及抱闸使用情况，检查偏航减速器侧隙值及啮合精度，过大时进行调整。电机上电前检查电机相序。电机抱闸检查其使用磨损及间隙情况，若严重损坏无法修复，现场进行统计记录，后期风场采购后进行更换。
        6.4.4清理偏航轴承齿面油脂，检查偏航轴承每个齿面运行情况，清理费油后建议涂抹专用的开式齿轮脂。
        6.4.5偏航刹车盘检查，检查偏航刹车盘表面状态及磨损情况，并清理表面。若检查过程中发现严重性的损坏问题，现场进行缺陷记录及统计，后期改造方案根据具体情况进行分析。
        6.4.6液压站检查，检查液压站的工作情况，包括工作压力、背压、泄压、保压等情况，若误差较大或不一致需记录并进行调整。
        7偏航系统故障治理后的效果评估
        7.1解决了风机正常迎风发电时，偏航制动器无法正常抱死，存在被动偏航及异响等问题。
        7.2 解决了风机偏航制动器漏油、偏航电机抱闸磨损严重等问题。
        7.3 解决了风机偏航减速机与主机架连接螺栓频繁松动、断裂等问题。
        7.4解决了风机偏减速机齿系、偏航减速机驱动齿、偏航轴承大齿等断裂等问题。
        7.5避免了偏航减速机、偏航轴承大齿、偏航制动器等频发损坏的问题，提高了设备可靠性，减少了风机故障停机时间，提高了企业经济效益。
        8 结论
        通过对该风电场机组偏航系统故障现象统计、偏航系统资料分析、载荷计算及故障原因分析，得出如下：偏航减速机额定输出扭矩的安全余量较小，在部分极端工况时易出现电机过载问题，尤其在偏航电机启动时最大；偏航系统制动力不足，可提供的最大制动力仅为设计要求的63%；通过对偏航制动器重新选型并增加至7组，增加一组偏航减速机及偏航电机，同时针对排查偏航电机抱闸、偏航刹车盘等存在问题集中修复，从而有效防范了偏航系统故障的发生，提高了设备可靠性。
        9 参考文献
        [1]重齿重庆重齿永进传动设备有限公司.重齿江津风电偏航和变桨器使用维护手册
        [2]《CCWE-1500/93.DF风力发电机组偏航轴承载荷报告》