風電機組軸系優(yōu)化對發(fā)電性能的影響分析

郭 亮，李建倫，張樂平

（華電電力科學研究院有限公司，杭州 310000）

主軸軸承是風電機組的核心零部件，處于風力機械中的薄弱部位，是造成某些型號風電機組的主要故障之一。主軸軸承承受的力主要包括風葉及輪轂的重量、主軸自重、主軸軸承的支承力、推力軸承的止推力、風通過風葉及輪轂作用在主軸的力，因而主軸軸承主要承受徑向力，也受部分由于風力而產(chǎn)生的軸向力作用[1]。風電機組主軸軸承具有較大的絕對空間幾何尺寸，承受大的載荷特別是較大的局部載荷或偏載[2]，運行工況惡劣，還要承受雷電、風沙、強風及鹽霧等極端環(huán)境的影響。大型滾動軸承由于尺寸大型化，載荷局部化或超載等特點[3]，其發(fā)生故障的主要模式與常規(guī)高速精密軸承有很大區(qū)別，通常大型滾動軸承不再以長期運行出現(xiàn)磨損故障為主，而往往會發(fā)生大的局部變形、局部振動和局部溫升并造成零件局部損傷[4]。風電機組工作環(huán)境復雜，可能導致風機在某些時間段會處于亞健康狀態(tài)運行，雖然不一定會使得機組停機，但會削減機組出力及發(fā)電量，從而影響風機運營企業(yè)經(jīng)濟效益[4]。

1 背景

某風電場100臺風力發(fā)電機組，單機容量為2 000 kW，葉輪直徑為101 m，塔筒高度75 m，為直驅(qū)機型。于2014 年12 月25 日投產(chǎn)發(fā)電。該風電場機組在運行過程中，普遍存在主軸軸承溫升異常，內(nèi)部存在異響。部分主軸出現(xiàn)卡死、軸承溫度過高、振動異常等情況，導致機組長期處于限功率狀態(tài)運行或卡死停機，嚴重影響機組發(fā)電量。機組自投產(chǎn)以來，因發(fā)電機主軸承問題由風機廠家更換了162 臺次，嚴重影響風電場發(fā)電量及經(jīng)濟效益。

從技術上分析，根本原因是軸系設計缺陷。2019年該風機廠家對風機軸系進行了優(yōu)化設計，采用了業(yè)界比較成熟的三排滾子軸承方案，對軸系整體剛度進行了較大幅度的加強。為驗證設計的可行性，先期對5 臺風電機組進行了軸系優(yōu)化設計技術改造，現(xiàn)對技術改造后風電機組運行的安全性、可靠性、發(fā)電性能進行綜合分析評估。

2 安全性與可靠性分析

該風電場提供了09#、60#、82#、90#、99#共5 臺未技改機組和23#、28#、75#、80#、86#共5 臺技改機組的2022年1 月至4 月運行數(shù)據(jù)?，F(xiàn)根據(jù)風場提供的運行數(shù)據(jù)，從載荷測試、軸承溫度、設備可靠性3 個方面進行分析評估。

2.1 載荷測試分析

2022 年針對此次技改開展了未技改的60#機組、技改的80#機組，共2 臺風機塔架極限載荷測試與等效疲勞載荷計算分析工作，對未技改機組與技改機組的測試結果進行統(tǒng)一對比分析。分析所得結論如下：

1）極限載荷方面，80#機組風機塔頂左右彎矩與扭矩均接近未技改60#機組，塔底極限載荷符合安全性。風機塔架固有頻率方面，塔架固有頻率變化很小，說明風機共振區(qū)基本不變，符合安全要求。

2）60#機組、80#風機載荷分布、變化趨勢及數(shù)值上差異很小，說明此次新三列軸承更換技術改造對風電機組載荷無明顯影響。

2.2 軸承溫度分析

對機組的溫度進行分析，首先對每臺機組求取功率區(qū)間段的溫度平均值，再將各未技改機組與技改機組求取功率區(qū)間段的溫度平均值[5]。統(tǒng)計各功率段的發(fā)電機驅(qū)動端軸承溫度、發(fā)電機非驅(qū)動端軸承溫度如圖1 和圖2 所示。

圖1 發(fā)電機驅(qū)動端軸承溫度

圖2 發(fā)電機非驅(qū)動端軸承溫度

圖3 未技改機組和技改機組可靠性對比

通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，技改機組在全功率段的驅(qū)動端軸承平均運行溫度不超過58.6 ℃，非驅(qū)動端軸承平均運行溫度不超過了62.1 ℃。技改機組在全功率段的驅(qū)動端軸承平均運行溫度比未技改機組降低了12.3 ℃，非驅(qū)動端軸承平均運行溫度比未技改機組降低了9.6 ℃，技改效果良好，明顯降低了軸承運行溫度，軸承溫度符合安全要求，減少軸承溫度過高導致的限負荷情況。

2.3 可靠性分析

根據(jù)機組運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，未技改機組臺均停機次數(shù)、臺均停機時長、臺均設備可利用率分別為：75 次、370 h，86.4%；技改機組臺均停機次數(shù)、臺均停機時長、臺均設備可利用率分別為54 次、263 h、90.1%。技改機組相比未技改機組臺均停機次數(shù)減少了21 次/臺，臺均停機時長減少107 h/臺，臺均設備可利用率提升3.7%。

3 發(fā)電性能分析

3.1 能效分析

根據(jù)機組運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計算每臺機組的平均風速與利用小時，并從能效、停機、棄風3 個方面分別計算損失利用小時，同時計算功率曲線達標率及有效數(shù)據(jù)完整率[6]。2022 年1—4 月，5 臺未技改機組平均風速為5.8 m/s，平均利用小時數(shù)為406.1 h，平均能量利用率為69.4%，平均能效損失率為6.5%，平均停機損失率為17.9%，平均棄風損失率為6.1%，平均功率曲線達標率為67.4%，平均有效數(shù)據(jù)完整率為94.8%。未技改機組具體能效情況見表1。

表1 未技改機組能效分析

2022 年1—4 月，5 臺技改機組各機組平均風速為5.8 m/s，平均利用小時數(shù)為579.1 h，平均能量利用率為79.5%，平均能效損失率為2.7%，平均停機損失率為13.2%，平均棄風損失率為4.4%，平均功率曲線達標率為87.6%，平均有效數(shù)據(jù)完整率為92.5%。技改機組具體能效情況如見表2。

表2 技改機組能效分析

通過對比分析技改機組與未技改機組能效分析結果，技改機組的平均利用小時數(shù)顯著高于未技改機組，比未技改機組平均高173.0 h，平均能量利用率提高近10.0%，平均停機損失率降低4.7%，平均功率曲線達標率提高20.2%。

3.2 年利用小時數(shù)分析

將SCADA 數(shù)據(jù)的風速、功率，計算出10 min 平均值，篩除異常數(shù)據(jù)后，采用標準GB/T 18451.2—2021《風力發(fā)電機組 功率特性測試》中的方法，將風速按0.5 m/s 劃分區(qū)間，根據(jù)式（1）計算每一風速區(qū)間的風速平均值和輸出功率平均值。

式中：Vi為第i 個區(qū)間的平均風速；Vn，i，j為第i 個區(qū)間內(nèi)第j 個數(shù)組的風速；Pi為第i 個區(qū)間的平均功率；Pn，i，j為第i 個區(qū)間內(nèi)第j 個數(shù)組的功率；Ni為第i 個區(qū)間內(nèi)10 min 平均數(shù)據(jù)的數(shù)組個數(shù)。

根據(jù)運行數(shù)據(jù)對未技改機組與技改機組性分別進行功率曲線擬合，擬合功率曲線如圖4 和圖5 所示。該風場統(tǒng)計的2021 年全場平均風速為6.87 m/s，利用未技改機組與技改機組的平均擬合功率曲線，以瑞利分布為風頻分布，可以計算得到未技改與技改機組的年理論利用小時數(shù)分別為2 873.9 h/a，2 377.6 h/a。

圖4 未技改機組擬合功率曲線

圖5 技改機組擬合功率曲線

考慮到未技改機組的平均運行可利用率86.4%，技改機組的平均運行可利用率為90.1%，則未技改機組折算年利用小時數(shù)為2 054.2 h，技改機組折算年利用小時數(shù)為2 589.4 h，平均提高535.2 h，提高26.1%。

4 結論

安全性與可靠性分析方面，對比未技改機組與技改機組載荷測試結果，技術改造對風電機組載荷無明顯影響，符合安全要求，可以保證機組安全、穩(wěn)定運行；設備運行溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，技改效果良好，明顯降低了軸承運行溫度，軸承運行溫度符合安全要求；可靠性角度統(tǒng)計分析，技改機組相比未技改機組運行更加穩(wěn)定，技改機組相比未技改機組臺均停機次數(shù)、臺均停機時長大幅降低，臺均設備運行可利用率大幅提高。

發(fā)電性能分析方面，技改機組的平均利用小時數(shù)顯著高于未技改機組，能量利用率明顯提高，停機損失率大幅下降；折算年發(fā)電量角度對比，未技改機組與技改機組折算年利用小時數(shù)分別為2 054.2 h、2 589.4 h，發(fā)電量可提升26.1%。

綜上所述，此次技改后機組穩(wěn)定性、安全性都得到了保障，大幅減少限功率運行及停機情況，設備可靠性顯著提升，可大幅度提高發(fā)電量。主軸軸承受力較為復雜，隨著風力的變化而變化，且會產(chǎn)生振動，因此軸承故障情況涉及面較廣，難以得到準確的故障原因[7]。為降低風電機組在亞健康狀態(tài)下的發(fā)電量損失，需對機組此類狀態(tài)進行判別與評估，制定更具針對性的運行維護方案，避免機組狀態(tài)進一步惡化導致各類故障的發(fā)生[8]。