異步雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組剎車(chē)系統(tǒng)事故預(yù)防研究

索新良，譚 袖，劉俊廷

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引言

近幾十年風(fēng)力發(fā)電在我國(guó)發(fā)展迅速，裝機(jī)容量年年攀升。但隨之對(duì)應(yīng)的問(wèn)題也不斷顯現(xiàn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)不成熟、元器件可靠性差、現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)業(yè)人員技術(shù)水平薄弱等因素導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組火災(zāi)、飛車(chē)、倒塌等事故[1-2]時(shí)有發(fā)生。

以下介紹雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)因制動(dòng)系統(tǒng)故障所導(dǎo)致的火災(zāi)，從技術(shù)和管理方面入手，提出事故處理建議及預(yù)防措施。

1 制動(dòng)系統(tǒng)介紹

根據(jù)GB/T 18451.1—2012《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)要求》，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組必須有兩套不同原理的獨(dú)立發(fā)揮作用的制動(dòng)系統(tǒng)，以便保障風(fēng)電機(jī)組在故障狀態(tài)下絕對(duì)安全。目前制動(dòng)系統(tǒng)基本采取空氣動(dòng)力學(xué)剎車(chē)和主軸機(jī)械剎車(chē)兩套機(jī)構(gòu)。空氣動(dòng)力學(xué)剎車(chē)是通過(guò)變槳系統(tǒng)來(lái)使葉片順槳實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)剎車(chē)目的。對(duì)于異步雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，機(jī)械剎車(chē)一般是通過(guò)安裝在齒輪箱輸出端即高速軸的液壓制動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)和機(jī)械剎車(chē)。

高速軸制動(dòng)器一般有兩種方式，即主動(dòng)式和被動(dòng)式[3-4]。主動(dòng)式是指制動(dòng)器得到壓力時(shí)，制動(dòng)器的活塞推動(dòng)摩擦片與制動(dòng)盤(pán)摩擦，實(shí)現(xiàn)剎車(chē)功能；制動(dòng)器失去壓力時(shí)，活塞在彈簧的推力下，摩擦片離開(kāi)制動(dòng)盤(pán)，實(shí)現(xiàn)松閘。被動(dòng)式是指制動(dòng)器失去壓力時(shí)，制動(dòng)器依靠彈簧的彈力抱閘剎車(chē)；制動(dòng)器得到壓力時(shí)，制動(dòng)器松閘，主軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。主動(dòng)式制動(dòng)器制動(dòng)動(dòng)力來(lái)自液壓系統(tǒng)，被動(dòng)式制動(dòng)器制動(dòng)動(dòng)力來(lái)自彈簧的彈力，目前主動(dòng)式制動(dòng)器應(yīng)用較多。主動(dòng)式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 高速軸制動(dòng)器

2 機(jī)械剎車(chē)系統(tǒng)引發(fā)火災(zāi)分析

火災(zāi)發(fā)生的主要因素一個(gè)是可燃物，另一個(gè)是火源。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組引發(fā)火災(zāi)的可燃物最主要的是油脂，因設(shè)備設(shè)計(jì)制造及安裝原因，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱與軸承的密封可能存在問(wèn)題，齒輪箱輸入輸出軸附近、主軸軸承部位、發(fā)電機(jī)軸承部位、偏航系統(tǒng)等部位可能存在漏油現(xiàn)象[5-6]；其次是機(jī)艙布置的動(dòng)力電纜、通信電纜及液壓油管等橡膠管路[7]。對(duì)于雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，火源主要來(lái)自齒輪箱輸出端高速軸機(jī)械剎車(chē)系統(tǒng)剎車(chē)片與剎車(chē)盤(pán)摩擦產(chǎn)生的高溫碎屑或火花[8]。

異步雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)齒輪箱輸出端屬于高速運(yùn)行，若控制系統(tǒng)安全鏈因振動(dòng)超限、超速、急停按鈕按下等異常情況動(dòng)作，變槳系統(tǒng)會(huì)做出緊急順漿、高速軸做出剎車(chē)啟動(dòng)保護(hù)動(dòng)作[9]。若機(jī)械剎車(chē)系統(tǒng)在高速軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行剎車(chē)動(dòng)作，摩擦片與剎車(chē)盤(pán)高速摩擦，產(chǎn)生大量熱量及金屬碎屑，高溫金屬碎屑沿剎車(chē)盤(pán)飛濺，溫度較高時(shí)足以引燃周邊可燃物品。

某風(fēng)電項(xiàng)目1 臺(tái)風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程進(jìn)行PLC 重啟時(shí)，安全鏈動(dòng)作，制動(dòng)器抱閘。風(fēng)機(jī)再次重新啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)由于制動(dòng)器動(dòng)作后液壓缸活塞未正常回位，且SCADA 系統(tǒng)未設(shè)置剎車(chē)狀態(tài)反饋信號(hào)，導(dǎo)致制動(dòng)器主動(dòng)側(cè)剎車(chē)片與剎車(chē)盤(pán)側(cè)摩擦近30 min，高溫產(chǎn)生火花和熔融物，引燃制動(dòng)器下部易燃物，引發(fā)火災(zāi)。

某風(fēng)電項(xiàng)目1 臺(tái)風(fēng)機(jī)機(jī)艙著火事件，因風(fēng)機(jī)機(jī)械剎車(chē)裝置進(jìn)行主軸剎車(chē)，剎車(chē)狀態(tài)反饋信號(hào)丟失，風(fēng)機(jī)在剎車(chē)狀態(tài)下啟動(dòng)并持續(xù)運(yùn)行，發(fā)電機(jī)冷卻風(fēng)管的連接波紋管與機(jī)械剎車(chē)系統(tǒng)距離較近，且無(wú)有效的防火隔離措施，剎車(chē)片與剎車(chē)盤(pán)高速摩擦產(chǎn)生火花，引燃剎車(chē)系統(tǒng)上方塑料波紋管及通風(fēng)管道等可燃部件。

某風(fēng)電項(xiàng)目1 臺(tái)風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)剎車(chē)系統(tǒng)頻繁啟停，且該故障可以自動(dòng)復(fù)位，剎車(chē)系統(tǒng)頻繁啟停導(dǎo)致剎車(chē)片與剎車(chē)盤(pán)高速摩擦產(chǎn)生火花，引燃制動(dòng)器下部易燃物，引發(fā)火災(zāi)。

3 機(jī)械剎車(chē)系統(tǒng)火災(zāi)預(yù)防措施

3.1 技術(shù)方面

針對(duì)常見(jiàn)機(jī)械剎車(chē)故障提出以下預(yù)防措施。

1) 將剎車(chē)位置狀態(tài)信號(hào)接入SCADA 系統(tǒng)，剎車(chē)位置異常時(shí)及時(shí)報(bào)警停機(jī)，提醒運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)檢查。

2) 從剎車(chē)系統(tǒng)啟動(dòng)邏輯分析，機(jī)組未超速時(shí)，可以采用軟件和硬件設(shè)計(jì)，避免主軸在高速轉(zhuǎn)動(dòng)情況下機(jī)械剎車(chē)裝置動(dòng)作。軟件設(shè)計(jì)是主軸在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不允許機(jī)械剎車(chē)。在硬件設(shè)計(jì)方面可以在機(jī)械剎車(chē)系統(tǒng)的信號(hào)線路上加裝一個(gè)轉(zhuǎn)速繼電器，當(dāng)主軸處于高轉(zhuǎn)速時(shí)保證剎車(chē)系統(tǒng)不動(dòng)作，當(dāng)轉(zhuǎn)速低至一定的轉(zhuǎn)速(例如200 r/min)時(shí)，再將安全鏈或手動(dòng)剎車(chē)信號(hào)傳輸至剎車(chē)系統(tǒng)，該方法可以保證在非超速故障情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械剎車(chē)。

3) 配備兩套剎車(chē)反饋壓力開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)重要保護(hù)雙重化配置。

4) 機(jī)組故障實(shí)行分級(jí)管理，設(shè)置禁止遠(yuǎn)程復(fù)位(需就地檢查復(fù)位)、可遠(yuǎn)程復(fù)位等級(jí)別。安全鏈動(dòng)作、剎車(chē)位置異?；騽x車(chē)信號(hào)消失等故障應(yīng)設(shè)置為最高等級(jí)故障，禁止遠(yuǎn)程復(fù)位，運(yùn)維人員需現(xiàn)場(chǎng)檢查，確認(rèn)無(wú)異常時(shí)方可就地復(fù)位。

5) 高速軸剎車(chē)系統(tǒng)設(shè)置剎車(chē)片磨損監(jiān)測(cè)功能，超過(guò)限值能及時(shí)報(bào)警停機(jī)；高速軸剎車(chē)系統(tǒng)設(shè)置溫度保護(hù)功能，剎車(chē)盤(pán)（片）設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn)或熱敏開(kāi)關(guān)，超過(guò)規(guī)定溫度報(bào)警停機(jī)；液壓系統(tǒng)設(shè)置油位油壓異常報(bào)警功能，液壓管路做好防磨、防漏措施，合理設(shè)置滲漏油接油盤(pán)或接油槽。

3.2 設(shè)備及管理方面

1) 機(jī)械剎車(chē)系統(tǒng)制動(dòng)器和剎車(chē)盤(pán)配置耐高溫材料的防護(hù)罩，避免剎車(chē)盤(pán)摩擦產(chǎn)生的火花或高溫碎屑引發(fā)火災(zāi)。剎車(chē)盤(pán)配置擋油裝置，避免因制動(dòng)盤(pán)表面油污導(dǎo)致制動(dòng)力下降或引發(fā)火災(zāi)。

2) 高速軸剎車(chē)系統(tǒng)周邊的電纜、管路、接線槽(盒)完善防火隔離措施，如涂刷防火涂料、防火板隔斷、防火泥(包)封堵等。

3) 機(jī)艙配備自動(dòng)消防裝置，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)判斷，啟動(dòng)消防設(shè)施，達(dá)到滅火目的。

4) 對(duì)于可燃物問(wèn)題，消除風(fēng)電機(jī)組油污，降低火災(zāi)威脅。機(jī)組巡檢時(shí)，發(fā)現(xiàn)油污應(yīng)及時(shí)清理干凈，保證高速軸附近無(wú)油污出現(xiàn)。

5) 定期檢查高速軸剎車(chē)系統(tǒng)是否可靠動(dòng)作，液壓缸活塞及制動(dòng)鉗應(yīng)無(wú)卡澀；定期檢查制動(dòng)盤(pán)剎車(chē)間隙和剎車(chē)片厚度，制動(dòng)盤(pán)剎車(chē)間隙定位裝置可靠固定，不應(yīng)因?yàn)閺椈傻妊b置的應(yīng)力變化而導(dǎo)致間隙大小變化。發(fā)現(xiàn)間隙超限、剎車(chē)片磨損不均勻、剎車(chē)盤(pán)受損等異常情況，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整或更換處理；對(duì)高速軸剎車(chē)制動(dòng)時(shí)間、液壓泵的自動(dòng)啟停進(jìn)行測(cè)試，不滿(mǎn)足要求時(shí)禁止啟動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

4 結(jié)束語(yǔ)

高速軸剎車(chē)系統(tǒng)在風(fēng)機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)作，剎車(chē)片與剎車(chē)盤(pán)側(cè)摩擦，產(chǎn)生高溫火花和熔融物，引燃制動(dòng)器周?chē)兹嘉?，極易引起火災(zāi)。以上從剎車(chē)系統(tǒng)常見(jiàn)異常剎車(chē)原因著手，在著火源、可燃物方面，從技術(shù)、設(shè)備及管理方面分析，提出解決異常剎車(chē)引發(fā)火災(zāi)的措施和建議。