風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)常見機械故障原因分析

白金亮

（北京國電思達科技有限公司，北京 100039）

1 前言

偏航系統(tǒng)是風力發(fā)電機組重要的組成部分，它是一個隨動系統(tǒng)，使機組跟蹤風向的變化，保證機組始終正對風向，獲得最大的風能，提高發(fā)電效率。因此，偏航系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行，對風力發(fā)電機組有著重要的意義。

2 風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理及作用

2.1 風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)由偏航檢測機構(gòu)（風速儀、風向標、偏航編碼器）、偏航控制機構(gòu)（PLC、電控系統(tǒng)）和偏航執(zhí)行機構(gòu)（偏航驅(qū)動電機、偏航減速器、偏航小齒輪、偏航軸承齒盤、偏航軸承、潤滑系統(tǒng)、偏航制動系統(tǒng)等）三大部分組成。

2.2 風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)工作原理

風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)工作原理：偏航檢測機構(gòu)將當前機組的風速、風向信號傳遞給PLC；PLC計算出機組當前對風角度，由PLC內(nèi)部控制邏輯判斷機組是否啟動偏航，當達到偏航啟動條件時，PLC發(fā)出控制指令。首先偏航電機電子剎車打開、偏航剎車系統(tǒng)液壓站泄壓，隨后PLC發(fā)出偏航軟啟使能信號及偏航接觸器控制信號（左偏、右偏），繼而發(fā)出偏航軟啟啟動信號，之后偏航電機開始運行，經(jīng)過偏航減速器減速后通過偏航小齒輪帶動機艙在偏航齒盤上旋轉(zhuǎn)，完成偏航動作，偏航齒盤固定在風機塔筒上，通過偏航軸承與機艙連接。

2.3 風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)的作用

偏航系統(tǒng)是風力發(fā)電機組特有的隨動系統(tǒng)，偏航系統(tǒng)有三個主要作用。一是跟蹤風向變化，與風電機組的控制系統(tǒng)相互配合，使風力發(fā)電機組的葉輪始終處于迎風狀態(tài)，充分利用風能，提高風力發(fā)電機組的發(fā)電效率。二是解纜和紐纜保護，由于風力發(fā)電機組可能會持續(xù)地往一個方向偏航，為了保證機組懸垂部分的電纜不產(chǎn)生過度的紐絞而使電纜斷裂，在電纜達到設計纏繞值時能自動解纜。同時，在偏航到達設計極限值時，能夠觸發(fā)機組停機。三是機組定位，在風向相對穩(wěn)定時能按照設定值提供鎖緊力矩，使機艙穩(wěn)定在一個方位，保障機組安全穩(wěn)定運行。

圖1 偏航系統(tǒng)工作原理

3 偏航系統(tǒng)常見機械故障原因分析

3.1 偏航振動超限或噪音過大問題

偏航振動和噪音過大是風力發(fā)電機組常見問題，一般會同時發(fā)生，從而嚴重影響風機安全穩(wěn)定運行，因此徹底解決偏航振動以及噪音問題至關重要。針對某種兆瓦級風力發(fā)電機組分析原因如下幾種情況：

偏航過程中偏航制動器摩擦片與制動盤之間的摩擦異常產(chǎn)生振動及噪音。因偏航系統(tǒng)采用齒輪驅(qū)動，為避免驅(qū)動齒輪承受震蕩變化的風向引起的交變載荷，保證機組偏航過程中運行穩(wěn)定，通常設計偏航系統(tǒng)在偏航過程中必須具有一定的阻尼力矩，即整個偏航過程偏航制動器靠一定的壓力夾緊偏航制動盤，有些機組在偏航過程中會出現(xiàn)振動和噪音，原因分析如表1。

表1 震動及噪音原因分析

偏航驅(qū)動小齒輪與偏航軸承齒盤之間嚙合異常時產(chǎn)生振動和噪音，原因分析如下。一是由于偏航驅(qū)動小齒輪與偏航軸承齒盤之間齒側(cè)間隙設計不合理或者安裝超差，偏航驅(qū)動小齒輪有一定的偏心量，如果齒側(cè)間隙不合理，輕則發(fā)生振動和噪音，重則斷齒。整改措施是重新調(diào)整齒側(cè)間隙；二是驅(qū)動小齒輪和偏航軸承齒盤齒面沒有潤滑油脂，由于偏航處承擔較大載荷導致在偏航過程中齒間產(chǎn)生較大摩擦力，加速齒面磨損，也導致偏航振動和噪音。整改措施是按照維護周期和運行狀態(tài)進行齒面潤滑或者改造成自動潤滑系統(tǒng)。

3.2 偏航減速器齒圈開裂或者行星輪斷齒

偏航減速器是偏航系統(tǒng)傳遞扭矩的關鍵部位，起著連接偏航電機和偏航軸承的作用。偏航減速器損壞情況如圖2。

圖2 偏航減速器齒圈開裂和行星輪斷齒

結(jié)合風力發(fā)電機組運行情況，分析偏航減速器齒圈開裂或者行星輪斷齒主要原因有，偏航減速器零部件設計強度不能滿足使用要求或者是加工以及熱處理過程中產(chǎn)生缺陷，導致零部件脆性增加，沖擊韌性降低，受到輕微外力便發(fā)生斷裂；偏航減速器瞬間受到外載荷的沖擊，當超過極限載荷時，太陽輪或者行星輪會發(fā)生斷齒，如果繼續(xù)運行，斷齒卡在嚙合齒之間，造成齒圈開裂；由于欠維護以及漏油造成偏航減速器高速級潤滑不良發(fā)生斷齒，潤滑不良時高速級最先處于無潤滑狀態(tài)運行，經(jīng)過長時間磨損且遇到較大外載沖擊，容易發(fā)生斷齒。

針對以上原因分析制定如下整改措施：首先是設計過程中充分考慮偏航減速關鍵部件安全系數(shù)，按照風電場實際運行載荷工況對偏航減速器極限承載能力以及疲勞壽命進行仿真，選取最高級別安全系數(shù)進行設計生產(chǎn)；其次是嚴格控制產(chǎn)品加工工藝，提高偏航減速器的整體可靠性；最后是必須按照設計周期進行維護保養(yǎng)，及時進行油品檢測和換油補油工作。

3.3 偏航剎車盤磨損

在機組偏航以及制動過程中，偏航剎車盤與偏航制動器配合為機組提供一定阻尼，保證風力發(fā)電機組穩(wěn)定處于迎風狀態(tài)。當偏航剎車盤發(fā)生嚴重磨損，不但影響機組的風能利用率，而且維修成本高，嚴重磨損情況如圖3。

圖3 偏航剎車盤嚴重磨損

偏航過程中，偏航制動器偏航壓力設置過大，長期磨損導致偏航剎車盤不能滿足偏航阻尼力矩要求；偏航制動器摩擦片未及時更換發(fā)生過度磨損，偏航制動器底板（鋼質(zhì)材質(zhì)）直接摩擦剎車盤，導致剎車盤磨損；偏航制動器液壓系統(tǒng)漏油到剎車盤，制動器摩擦片（多為樹脂聚合物復合材料）長期被油液污染容易出現(xiàn)碎塊；機組運行過程中，摩擦片與制動盤相互摩擦產(chǎn)生摩擦殘留物（碳粉），碳粉會附著在制動盤和制動器剎車片之間，在剎車系統(tǒng)阻尼壓力和摩擦熱的作用下形成燃燒層（即脆化光亮的釉層）。摩擦片碎塊和釉層壓在制動器和剎車盤之間，在偏航過程中導致剎車盤受力不均勻，進而破壞剎車盤。

整改措施：按照設計要求調(diào)整偏航系統(tǒng)阻尼壓力值，并進行測試；及時更換磨損異常的剎車片，保持剎車片厚度滿足要求；及時清理剎車盤異物，保持剎車盤光潔平整。

4 結(jié)語

風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)機械故障對風機穩(wěn)定運行影響很大，本文深入分析了風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)機械問題的根本原因，提出了相應的解決方案，從而降低了風力發(fā)電機組偏航系統(tǒng)機械故障的不利影響，減少了風機運行隱患，對機組安全穩(wěn)定運行有重要意義。