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浅谈金风S48-750KW风电机组偏航系统及日常检修体会

国际新能源网  来源:河北龙源  作者:么亮  日期:2017-09-25
  一、引言
 
  金风S48-750KW风力发电机组的偏航采用主动对风形式,风力发电机的偏航系统可称为对风装置,其作用在于当风速矢量的方向变化时,能够快速平稳地对准风向,以便风轮获得最大的风能。
 
  二、偏航系统的组成及工作原理
 
  偏航系统主要由偏航控制部分、机械传动部分、扭缆保护装置三大部分组成。偏航系统包括感应风向的风向标,PLC识别及执行机构,偏航电机,偏航4级行星齿轮减速器,回转体大齿轮及偏航制动器等。
 
  其工作原理如下:风向标作为感应元件将风向的变化用电信号传递到偏航电机的控制回路的PLC处理器里,经过比较后处理器给偏航电机发出顺时针或逆时针的偏航命令,为了减少偏航时的陀螺力矩,电机转速将通过同轴联接的减速器减速后,将偏航力矩作用在回转体大齿轮上,带动机舱偏航对风,当对风完成后,电机停止工作,偏航过程结束。
 
  1.偏航控制部分:在机舱后部有两个互相独立的传感器—风速仪和风向标,当风向发生变化时,风向标将检测到风机与主风向之间有偏离,并传递信号到控制器PLC经过计算,控制器PLC将控制偏航驱动装置转动机舱对准主风向。控制电路设计为左、右偏航接触器互锁(配有热继保护),防止电源短路,电机供电回路与紧急停机相关,紧急停机后电机失电。
 
  2.机械传动部分:主要由2套偏航驱动机构(偏航电机及偏航减速器)、5个偏航刹车和1个偏航轴承组成。偏航电机的正、反转接触器在电路上实现互锁,确保偏航系统的安全。其中偏航刹车与液压系统连接,当风机对风运行时,液压系统提供约120~140bar的压力进入5块偏航制动器内,使偏航刹车盘抱死;当风机执行偏航时,液压释放松闸,但闸体内保持15bar左右的余压(实际出厂预设值为20bar~40bar的偏航余压,相对与现场实际情况过大,易报偏航过载故障)。这样,偏航过程中始终保持一定的阻尼力矩,大大减少风机在偏航过程中的冲击载荷对齿轮破坏。
 
  3.扭缆保护装置:扭缆保护由偏航凸轮记数器和扭缆开关组成。凸轮控制器由小齿轮与偏航盘相啮合,在偏航动作的同时也会带动凸轮控制器内部的齿轮转动,当转动一定角度后会触动机械开关动作。计算机接收到后就进行判断,是否需要解缆。当扭缆圈数达到设定值时680度,扭缆保护动作。其中,当扭缆角度到680度时,偏航凸轮记数器发相应的解缆信号,使风机反转解缆。为防止出现意外,保护电缆,风机扭缆超过900度时,扭缆继电器动作,风机紧急停机。(900度强制解缆,左右偏开关的动作角度在设定正确时要大于900度)
 
  三、偏航系统控制示意图
 
  

  四、偏航系统涉及的部件及工作原理
 
  1.风向标
 
  风向标:风机对风的测量主要是由风向标来完成。风向标是由有一个随风向标摆动的4位格雷码盘,根据风向标可得出一组格雷码的脉冲,该信号被送至模拟量输入SM321模块,格雷码共四位,每次只变化一位,共有16种状态,每个状态可以确定360°周角的22.5°范围,依此执行偏航电机来实现对风。
 
  2.偏航系统的识别及执行机构
 
  1)CPU315中央处理器:收集风速及风向信号通过程序计算后进行判断并计算偏航角度,是否应偏航?当确定须偏航后,由开关量输出模块SM321发出偏航动作信号来驱动左偏或右偏继电器,再由继电器驱动接触器吸合,使偏航电机带电运行来完成左偏或右偏转动对风。
 
  2)IM153通迅处理模块:主要收集塔上风向、风速、机舱柜左、右偏开关、偏航计数及扭缆左、右开关信息与塔下CPU315通迅。
 
  3)SM331模拟量输入模块:主要通过风向标内部的光电感应元件采集风向信号,传入中央处理器CPU315进行计算。
 
  4)S7350高速计数模块:负责处理风向、发电机转速、叶轮转速、风速信号高速计数模块,采集风速信号,当风速持续10分钟达到偏航风速2.5m/s时传入中央处理器CPU315进行计算,执行偏航。
 
  5)SM321开关量输入模块:风机塔上及塔下各有一个开关量输入模块,塔上SM321模块主要输入左偏纽缆开关信号、右偏纽缆开关信号、机舱左、右偏开关信号,偏航计数器信号;塔下SM321模块主要输入偏航电机过载信号。 
 
  6)SM322模块:主控柜有两个SM322输出模块,各分担着不同的作用,一、主要控制K15.3、K15.5接触器执行左、右偏航命令。二、主要控制中间继电器K17.3、K17.5来执行液压站电磁阀290、230动作命令使偏航闸释放。注:电磁阀230一般不动作,只有在测试程序及检修时完全泄掉偏航余压中使用。
 
  3.偏航计数器与凸轮计数器
 
  1)偏航计数器:风机是靠偏航位置传感器来进行扭缆测量的。这个装置由两个距半个齿间隔的记数传感器组成,当偏航动作后,由这两个计数传感器记录偏航齿圈上的齿数,由CPU315进行数据运算来识别偏航的圈数,(目前只使用一个偏航计数器,并且程序设定当计数器数一个上升沿脉冲计0.5个齿,再数一个下降沿再计另外的0.5个齿,以此完成一个齿的计数,这样做的目的是防止反向偏航时对齿的错误计数)进行无条件解缆。
 
  2)凸轮计数器:在偏航过程中起到保护电缆的作用,因风的不可控性,偏航角度达到680度时风机就会进行小风解缆,假如凸轮计数器的左右偏开关实际的位置在600度之内,那么在风机还没开始解缆时,就有可能已触动左右偏开关,使安全链断,在处理故障的过程中首先应该解缆顺缆,然后重新调整左右偏开关到正常位置,并且在操作面板上要同时将偏航齿数清零。
 
  4.液压站
 
  
 
  1)电磁换向阀290:在风机偏航时液压站电磁阀290得电,释放偏航压力。
 
  2)电磁换向阀230:用来释放偏航余压。 一般不动作,只有在测试程序中使用。
 
  3)溢流阀220:用来调整偏航制动器余压,偏航时保留一定的余压是为了保持平稳,防止风向的突变对偏航系统造成冲击。偏航预压的调整是通过调整溢流阀220来实现的。
 
  5.偏航刹车体
 
  偏航系统安全保护装置,偏航制动器为液压盘式制动器,工作压力140bar~160bar。闸体释放后仍然保持15bar左右的压力,防止风向的突变对偏航系统造成冲击。
 
  6.偏航热继电器
 
  偏航电机的控制电路中有两个偏航热继电器,是利用电流的热效应原理来实现偏航电机过载及电路异常时对电机的保护。
 
  7.偏航电机及偏航电磁刹车、偏航减速器
 
  1)偏航电机:采用两台三相异步电动机额定功率1.5kW,主控回路690V三相电源,带有电磁闸。双电机可增加齿面的接触面积,增大啮合强度,转动更平稳。由正反转控制电路实现左右偏航,有手动方式和自动方式,配有过载保护。启动时,执行自动对风,扭缆被激活时,执行解缆。
 
  2)偏航电磁刹车:电磁刹车手动释放装置,在需要时可将手柄抬起刹车释放。此装置为偏航电机的安全失效保护,安装在电机轴末端,用于在偏航停止时使电机锁定,电磁刹车内线圈的直流电取自电机的一相电压400V,经整流块整流后交变为180V直流电向线圈供电。
 
  3)偏航减速器:额定输入功率1.5kW,额定输入转速940r/min,减速箱为4级行星结构,变比为1:748,还有一个齿数为14的偏航小齿轮。偏航减速器与底座法兰通过螺栓连接固定。偏航减速器的设计充分考虑到了风机运行的实际工况及需求,偏航减速器安装在底座上并与偏航轴承啮合,传递转矩带动整个机舱旋转,旋转速度为0.1142r/min。偏航减速器的运行温度不得超过85℃!
 
  8.偏航轴承
 
  偏航轴承采用四点接触球转盘轴承,轴承齿数为154个,由于转盘轴承滚子数目多,直径大,容易预紧,因而具有更大的负荷能力和刚性。 机组通过偏航轴承可以在360°范围内转动,跟踪风向。 偏航轴承采用内齿圈结构,在结构设计时考虑到了在风机运转其间,承受的动载荷,特别是因风轮的不平衡所造成的冲击载荷。因此运行可靠性非常高。
 
  9.偏航系统的扭缆保护
 
  偏航系统的扭缆保护是由凸轮控制器和扭缆开关组成: 扭缆保护由偏航凸轮计数器和扭缆开关组成。凸轮控制器由小齿轮与偏航盘相啮合,在偏航动作的同时也会带动凸轮控制器内部的齿轮转动,当转动一定角度后会触动机械开关动作,凸轮计数器是独立的串在安全链里的,是风机的机械终极保护之一。凸轮计数器动作后给计算机发出左偏或右偏开关动的反馈信号,同时安全链断掉,风机紧急停机,此时必须人工将凸轮计数器重新调开之后,才可以进行解缆。为防止出现意外,保护电缆,风机扭缆超过900度时,计算机通过偏航计数器所计的已偏航齿数来判断是否进行强制解缆。
 
  10.偏航与自动解缆控制
 
  1)自动对风
 
  正常运行时偏航控制系统自动对风,自动对风偏航是在风机系统无故障,风速持续10分钟达到偏航风速,电网电压和频率持续10分钟无异常后执行的。首先采样半分钟的风向,通过半分钟内风向在某一方位的频率来判断现在风机是正好对风,还是需要顺时针偏航或逆时针偏航。
 
  2)自动解缆
 
  当机舱向同一方向累计偏转680度后,若此时风速小于风电机组启动风速且无功率输出,则停机,控制系统使机舱反方向旋转680度解绕;若此时机组有功率输出,则暂不自动解绕;若机舱继续向同一方向偏转累计达900度时,则停机强制解绕;在扭缆达900度时, PLC通过偏航计数器所计的已偏航齿数来判断是否进行强制解缆,
 
  五、风电场实际运行中对偏航系统日常检修的一点见解
 
  1.经过在现场实地的观察和验证,在风力发电机偏航系统中,电气部件比机械部件故障率高,电气部件中,偏航电机整流块为易损部件。现场常报偏航故障,多数情况都是因整流块内部击穿或内部短路,致使偏航电磁刹车失效,不能将与其连接的电机转子释放,从而导致偏航接触器和偏航热继有时同时损坏。建议1:加设整流块的检测及故障报警反馈:电机接线盒内整流块损坏,电机就会报偏航过载,甚至有时会把热继损毁,损伤偏航电机的线圈。因此可以将整流块的输出端串电阻后作为一个电源支路驱动一个中间继电器(可以用机舱内已经甩掉的叶轮过速开关继电器),在偏航时利用中间继电器的一个触点反馈一个24V直流电给SM321模块,由此判断整流块是否工作正常,如果在偏航时此反馈丢失,则报偏航整流块故障,这样,即保护偏航驱动系统,又能及时查找故障,节省大量的热继备件和电磁刹车备件,提高故障处理效率。
 
  2.机械部件里经常出现故障的问题,例如:偏航减速器上下箱体固定螺栓力矩不够,经过长时间的运转振动,引起螺栓松动,其减速器上下箱体接合面多数都有漏油情况,没有得到及时的处理,也可能造成偏航减速器缺油出现故障。一但出现减速器损坏,在更换这些部件时,都是相当困难的,一个是因为每个部件的自身重量都很重(200kg左右),另外更换这些部件时,空间都很狭小,没有足够的空间。所以,对这些部件,我们应该给予重视,应该怎么样去处理,怎么样去设计更为合理,怎么做好防护措施,怎么延长风机偏航电机实际的使用寿命,确保避免的经济损失,减少现场维护的工作量和工作难度,建议2:定期维护时,逐个检查其螺栓的紧固情况,有必要时进行更换,油脂方面没有对其油的检查和更换这一项,只是从油位这一点做了检查。建议在每个维护期将偏航减速器内的黑油、废油放出,加注新油,这样,才能更有效的增加偏航减速器的运行寿命。
 
  3.思考及建议:
 
  在风向标的安装时,考虑风向标现场的不可维修性,可以将风向标的柱体可旋松部分(大肚子)用胶体锁固死,避免以后的风机不对风,影响风机功率曲线,因为现场此类情况较多,尤其是大风场风机数目多,人员少,工作量大,很难对所有风机风向标做大实时检测,因此应在这一方面尽量做到免维护。风向标一般将固定螺母紧固好之后就很少松动,多数是因为风向标的“大肚子”松动。
 
  通过以上的分析,偏航系统常见故障能够解决的更为满意,并增加了风机的使用寿命,减少了维护的工作难度和工作量,避免了不必要的经济损失。
 
  六、针对偏航减速器更换油品的一些研究探讨
 
  1.偏航(变桨)减速器油定期更换的必要性:
 
  1)减速器的润滑油必须具有抗微点蚀性能,硬齿面带来的一个突出问题是微点蚀。微点蚀是疲劳磨损的微观表象,多出现在滑动接触面上。例如在齿顶和齿根部位,表面疲劳导致齿面上出现微小点蚀,发展到一定程度出现表面灰暗斑点,局部变得粗糙、齿面剥落等。微点蚀使齿面变形,引起振动和噪音,导致齿面应力集中,缩短齿轮寿命。
 
  2)减速器润滑油必须能起到对齿面的抗磨保护,齿轮油还需要兼顾轴承的润滑。
 
  3)一般风机厂家的维护建议偏航(变桨)减速器每三年必须更换一次。
 
  2.设计思路:
 
  风电机组的偏航系统操作空间狭小(变桨系统也同样),给偏航减速器的油品更换工作带来较大不便,绝大部分风电场从投产以来从未给偏航(变桨)减速器更换过润滑油,个别风电场在进行的油品更换中多采用的是人工手动更换,比如使用大容量注射器等,这种操作效率低下且不能保证更换后油品的质量。
 
  针对风机检修维护的特殊性,研究一种便携的减速器更换油品专用装置,此装置应采用齿轮油泵,可自动吸出废油并能自动清洗减速器齿箱、自动加注新油,设计重量应小于10KG,便于携带搬运单人即可操作。此装置还应配备加长的油管、快速接头、自动\手动控制系统、外挂式油箱(油箱容量应大于20L)、加油过滤滤芯等保证换油的效率。
 
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  3.减速器换油便携专用装置的特点及优势:
 
  装置重量轻,结构紧凑,定流量设计;满足偏航(变桨)减速器小容量的特点;便于携带,适用狭小空间,单人即可操作,油液过滤及传输可同步实现,一步式操作可完成全部功能,适用于风电场的现场实际工况(风沙、盐雾等各类工况),便捷安装、拆卸,消除油液滴漏,避免次生污染。
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