某機(jī)組超速故障邏輯分析及案例解析

大唐哈密風(fēng)電開發(fā)有限公司 甄炳文

1 緒論

一般情況，風(fēng)機(jī)的超速保護(hù)具有優(yōu)先級(jí)，一般先觸發(fā)軟超速故障，如果軟超速失效，才觸發(fā)超速安全鏈故障。安全鏈故障后機(jī)組進(jìn)入緊急停機(jī)，風(fēng)機(jī)緊急順槳實(shí)現(xiàn)空氣動(dòng)力剎車和高速軸機(jī)械剎車。風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)高速軸剎車必須處于斷開位置，如果風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中剎車動(dòng)作，可能引發(fā)高速剎車摩擦起火、齒輪箱過載損壞等，因此分析清楚風(fēng)機(jī)超速保護(hù)動(dòng)作的邏輯，加強(qiáng)保護(hù)日常管理，對(duì)風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行至關(guān)重要。

2 葉輪超速剎車故障案例及解釋

2019年3月19日09時(shí)39分57秒，某風(fēng)電場(chǎng)#29風(fēng)機(jī)報(bào)SS-2：葉輪超速剎車故障，故障零時(shí)刻平均風(fēng)速21.37m/s，葉輪轉(zhuǎn)速13.29rpm，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速1270.4rpm，機(jī)組處于大風(fēng)天氣滿發(fā)電狀態(tài)。查閱該風(fēng)機(jī)最近兩年的相同故障記錄，該風(fēng)機(jī)在2018年6月至2019年3月共報(bào)過完全相同的故障4次，且故障前未觸發(fā)其他轉(zhuǎn)速類故障。

圖1

如表1所示，華銳風(fēng)機(jī)配置了1320rpm和1380 rpm兩級(jí)定值的發(fā)電機(jī)軟超速保護(hù)，同時(shí)配置了葉輪超速、機(jī)側(cè)變頻器檢測(cè)超速以及葉輪超速剎車三個(gè)安全鏈硬件超速保護(hù)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量數(shù)據(jù)反饋機(jī)側(cè)變頻器，由機(jī)側(cè)變頻器進(jìn)行檢測(cè)，機(jī)側(cè)變頻器檢測(cè)超速指的就是變頻器檢測(cè)到發(fā)電機(jī)超速。

表1

在表1中的5個(gè)超速保護(hù)中，葉輪超速剎車屬于安全鏈中等級(jí)最高的超速保護(hù)，故障時(shí)不僅觸發(fā)安全鏈緊急停機(jī)，同時(shí)也觸發(fā)齒輪箱高速軸剎車。按照超速保護(hù)故障等級(jí)，此故障觸發(fā)之前應(yīng)先觸發(fā)故障等級(jí)較低的兩級(jí)軟超速保護(hù)和兩個(gè)安全鏈硬保護(hù)超速，但實(shí)際上沒有發(fā)生，也就是說#29風(fēng)機(jī)的葉輪超速剎車故障屬于超速保護(hù)越級(jí)保護(hù)，其原因有兩種：一是較低級(jí)別的超速保護(hù)失靈；二是較高級(jí)別的保護(hù)定值設(shè)置過小導(dǎo)致保護(hù)提前動(dòng)作。

3 華銳風(fēng)機(jī)超速故障邏輯

風(fēng)機(jī)的葉片吸收風(fēng)能后驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，通過齒輪箱的增速作用，將葉輪的低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩作用力轉(zhuǎn)換為雙饋發(fā)電機(jī)的高轉(zhuǎn)速小扭矩作用力，帶動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電能，這樣將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。華銳SL3000機(jī)組采用雙饋異步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)定子繞組直接和電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子繞組和頻率、幅值、相位都可以按照要求進(jìn)行調(diào)節(jié)的變頻器相連。變頻器采用“交—直—交”的形式與電網(wǎng)連接，控制電機(jī)在亞同步和超同步轉(zhuǎn)速下都保持發(fā)電狀態(tài)，并隨著風(fēng)速的變化調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，如圖2所示為風(fēng)機(jī)發(fā)電原理圖。

圖2 風(fēng)機(jī)發(fā)電原理圖

按照風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)配備兩套獨(dú)立的轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其中應(yīng)至少有一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)置在風(fēng)輪上，風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速均應(yīng)處于一定的轉(zhuǎn)速范圍，任一路轉(zhuǎn)速信號(hào)出現(xiàn)異常，應(yīng)停止機(jī)組運(yùn)行。根據(jù)轉(zhuǎn)速的測(cè)量和比較原理，華銳風(fēng)機(jī)配置了轉(zhuǎn)速測(cè)量故障和轉(zhuǎn)速比較故障。

3.1 轉(zhuǎn)速的測(cè)量故障（即超速保護(hù)故障）

轉(zhuǎn)速的測(cè)量。為控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，確保風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行，華銳3MW風(fēng)機(jī)分別在齒輪箱低速軸和發(fā)電機(jī)輸出軸上安裝了旋轉(zhuǎn)編碼器，用于檢測(cè)風(fēng)機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，如表2所示。

表2

一般情況，風(fēng)機(jī)的超速保護(hù)具有優(yōu)先級(jí)，一般先觸發(fā)程序邏輯計(jì)算的軟超速故障，如果軟超速失效，才觸發(fā)超速安全鏈故障。

3.2 轉(zhuǎn)速比較故障（即速度測(cè)量合理性故障）

轉(zhuǎn)速的比較。由于雙饋風(fēng)機(jī)通過齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)將葉輪的低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)的高轉(zhuǎn)速，而齒輪箱的傳動(dòng)比是一定的，所以在正常情況下，葉輪的低轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)的高轉(zhuǎn)速具有一定的比例關(guān)系，不能超出比例范圍，如表3所示。

表3

根據(jù)轉(zhuǎn)速比較故障的動(dòng)作原理，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與葉輪轉(zhuǎn)速的差值，是按照將發(fā)電機(jī)編碼器測(cè)量的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與滑環(huán)編碼器測(cè)量的葉輪轉(zhuǎn)速，按速比選型確定的傳動(dòng)比折算成對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)理論轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較的：當(dāng)｜n發(fā)電機(jī)-n葉輪×i選型｜≥i選型時(shí)，風(fēng)機(jī)報(bào)轉(zhuǎn)速差故障，由于n葉輪=n發(fā)電機(jī)/i實(shí)際，根據(jù)以上不等式進(jìn)行折算，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n發(fā)電機(jī)≥i實(shí)際×i選型/ |i實(shí)際-i選型｜時(shí)，風(fēng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中就會(huì)報(bào)709或708轉(zhuǎn)速差故障。如風(fēng)機(jī)配置為大速比齒輪箱，實(shí)際傳動(dòng)比為=95.477，硬件選型將速比設(shè)定為小速比齒輪箱，設(shè)定傳動(dòng)比為=84.95，則根據(jù)以上不等式計(jì)算，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n發(fā)電機(jī)≥770.47rpm時(shí)，風(fēng)機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中就會(huì)報(bào)709或708轉(zhuǎn)速差故障。

4 葉輪超速剎車故障原因分析

葉輪超速剎車保護(hù)定值按照1.2倍的發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速進(jìn)行整定，并進(jìn)行取整處理，當(dāng)超速繼電器檢測(cè)到葉輪轉(zhuǎn)速超過1.2倍的發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速即1.2×1200rpm/傳動(dòng)比時(shí)，觸發(fā)安全鏈硬件保護(hù)故障，高速軸剎車動(dòng)作?，F(xiàn)場(chǎng)華銳風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)使用大連重工、南高齒兩個(gè)廠家三種不同傳動(dòng)比的齒輪箱，因此葉輪超速剎車保護(hù)定值應(yīng)根據(jù)具體的齒輪箱配置進(jìn)行設(shè)置，即1440/齒輪傳動(dòng)比，為便于計(jì)算結(jié)果取整數(shù)，一般按照1450/傳動(dòng)比進(jìn)行整定。

表4

如果是較低級(jí)別的超速保護(hù)失靈，從機(jī)組故障時(shí)刻的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速最大轉(zhuǎn)速來看，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速（1270.4rpm）距離1.2倍的發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速（1440rpm）尚有一段距離，可以排除這種可能；如果是保護(hù)定值設(shè)置過小，比如風(fēng)機(jī)實(shí)際配置為大重小速比齒輪箱，葉輪超速保護(hù)定值應(yīng)設(shè)定為17.06rpm，實(shí)際按照大重大速比齒輪箱設(shè)置為15.18rpm，將導(dǎo)致葉輪超速剎車保護(hù)提前觸發(fā)。

4.1 現(xiàn)場(chǎng)齒輪箱傳動(dòng)比確認(rèn)

表5

4.2 葉輪超速保護(hù)定值檢查

2019年3月22日，登機(jī)檢查超速繼電器參數(shù)設(shè)置，發(fā)現(xiàn)葉輪超速剎車保護(hù)定值根據(jù)大速比齒輪箱傳動(dòng)比95.477設(shè)置為15.18rpm，參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤。

4.3 超速保護(hù)越級(jí)動(dòng)作原因

超速繼電器中葉輪超速剎車故障保護(hù)定值設(shè)置錯(cuò)誤，導(dǎo)致葉輪超速剎車安全鏈保護(hù)越級(jí)動(dòng)作。葉輪超速剎車保護(hù)定值設(shè)置過小導(dǎo)致保護(hù)提前動(dòng)作的原理。將葉輪超速剎車保護(hù)定值設(shè)置為15.18rpm，當(dāng)發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速到達(dá)1289.54rpm時(shí)，雖然轉(zhuǎn)速還沒有到達(dá)發(fā)電機(jī)軟超速故障保護(hù)定值1320rpm，但是用發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速1289.54rpm除以齒輪箱實(shí)際傳動(dòng)比84.95折算出來了的葉輪實(shí)際轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到了葉輪超速剎車保護(hù)定值15.18rpm的觸發(fā)條件，即1289.54rpm/84.95=15.18rpm。

4.4 暴露問題

一是機(jī)組配置多樣化和設(shè)備參數(shù)不統(tǒng)一，保護(hù)定值管理精細(xì)化程度不夠；二是人員技術(shù)技能水平不足，重要設(shè)備缺陷管理不到位，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)葉輪超速剎車故障多次重復(fù)發(fā)生；三是設(shè)備隱患排查不深入，未能結(jié)合以往歷次安全鏈排查測(cè)試及時(shí)發(fā)現(xiàn)葉輪超速剎車保護(hù)定值設(shè)置不正確問題；四是技術(shù)培訓(xùn)工作不到位，風(fēng)電場(chǎng)值班人員對(duì)風(fēng)機(jī)葉輪超速剎車保護(hù)越級(jí)動(dòng)作危險(xiǎn)性認(rèn)識(shí)不到位。

5 葉輪超速剎車保護(hù)越級(jí)動(dòng)作造成齒輪箱過載損壞案例

5.1 故障情況

故障2022年3月13日01時(shí)27分，DT29風(fēng)機(jī)報(bào)GH_Controller測(cè)得的驅(qū)動(dòng)鏈震動(dòng)告警故障，09時(shí)00分開票登機(jī)檢查，在風(fēng)速3m/s下手動(dòng)變槳至83.9度，發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉輪無法轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為0，手動(dòng)盤車聯(lián)軸器無法轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)主軸承開蓋檢查，發(fā)現(xiàn)滾珠無異常，但傳動(dòng)鏈無法轉(zhuǎn)動(dòng)，初步判斷可能是齒輪箱內(nèi)齒面或軸承卡死。

3月14日進(jìn)行齒輪箱內(nèi)窺鏡檢查，通過三個(gè)觀察孔及呼吸器安裝孔檢查一級(jí)行星輪齒面及軸承、二級(jí)行星輪齒面及軸承、高速軸齒面及軸承，發(fā)現(xiàn)齒輪箱一級(jí)行星齒面、二級(jí)行星齒面存在點(diǎn)蝕、剝落情況，一級(jí)行星輪軸承滾珠與保持架間隙間有磨損鐵屑，3月15日再次登機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)一級(jí)大齒圈1個(gè)齒面斷裂。

如上所述，該風(fēng)機(jī)在2018年6月至2019年3月，共報(bào)過完全相同的故障4次，其中最后1次2019年3月19日，故障零時(shí)刻平均風(fēng)速21.37m/s，葉輪轉(zhuǎn)速13.29rpm，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速1289.54rpm，機(jī)組處于大風(fēng)天氣滿發(fā)電狀態(tài)，判斷齒輪箱在運(yùn)行過程中，由于高速軸剎車多次突然投入，給風(fēng)機(jī)傳動(dòng)鏈包括齒輪箱造成巨大沖擊。

圖4

如圖3所示，為齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及高速軸剎車大盤，可以看出由于主制動(dòng)器瞬間抱閘，剎車片與剎車大盤摩擦產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致剎車盤有燒傷，因齒輪箱高速軸突然抱死，低速軸系在大扭矩作用下嚴(yán)重過載，最終導(dǎo)致一級(jí)行星齒損傷，在后續(xù)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中逐步劣化，大齒圈1個(gè)齒面斷裂。

圖3

5.2 故障前維護(hù)情況

追溯維護(hù)記錄，2021年11月18日風(fēng)機(jī)報(bào)出齒輪油電氣泵壓力高于極限值，開票登記檢查發(fā)現(xiàn)濾芯上有鐵粉，有少量金屬屑，濾筒底部有金屬粉末，更換電氣泵和機(jī)械泵濾芯。

圖5

2022年01月04日，CMS振動(dòng)在線檢測(cè)報(bào)告顯示DT29風(fēng)機(jī)齒輪箱由“正?！鄙?jí)為“注意”。于2022年01月17日齒輪箱專項(xiàng)檢查，動(dòng)態(tài)檢查無異音，更換齒輪箱電氣泵及機(jī)械泵濾芯，并更換濾筒密封圈；2022年02月23日，進(jìn)行DT29風(fēng)機(jī)齒輪箱油品更換工作，排出齒輪箱廢油630L；對(duì)齒輪箱進(jìn)行一次沖洗，兩次清洗（使用齒輪油400L）；對(duì)齒輪箱濾筒底座鐵屑進(jìn)行清理；更換濾芯2個(gè)、密封圈4個(gè)；加注嘉實(shí)多齒輪油700L。

圖6

6 結(jié)論

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉輪超速保護(hù)定值參數(shù)的設(shè)置，與機(jī)組的配置情況密切相關(guān)，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維人員應(yīng)在理解相關(guān)定值設(shè)置原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際合理設(shè)定風(fēng)機(jī)超速保護(hù)定值，加強(qiáng)保護(hù)定值管理及隱患排查，避免保護(hù)越級(jí)動(dòng)作，風(fēng)機(jī)在高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中繼續(xù)剎車突然投入，給設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行留下不可逆轉(zhuǎn)的隱患。