國(guó)華瑞豐（榮成）風(fēng)力發(fā)電有限公司 潘山坡

1 引言

隨著人類社會(huì)、各行各業(yè)對(duì)資源的需求量不斷增加，面對(duì)資源匱乏的生存與發(fā)展難題，水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等一些可再生的資源能源開始備受關(guān)注。在這種形勢(shì)下，風(fēng)力發(fā)電及其相關(guān)技術(shù)也變得更加成熟化。包括風(fēng)電機(jī)組的操作層面、系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面、安全運(yùn)行層面，界內(nèi)均加大了研發(fā)與設(shè)計(jì)，旨在更好地確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能夠正常工作。但即便如此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行工作中依然會(huì)很容易出現(xiàn)一些潛在的危險(xiǎn)、事故等，需要充分重視起來(lái)。結(jié)合現(xiàn)實(shí)來(lái)看，最常見的故障、安全事故之一就是發(fā)電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行問題。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用概述

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行原理

關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行工作，實(shí)質(zhì)是利用風(fēng)輪上的葉片，順勢(shì)將風(fēng)的動(dòng)能合理轉(zhuǎn)變成為機(jī)械能。隨著機(jī)組旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)動(dòng)和運(yùn)行工作，繼而為發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)提供了較為充足的能源。雖然風(fēng)力發(fā)電與水力發(fā)電、光伏發(fā)電相比，對(duì)再生資源的整體利用率很有限，但依然能夠?yàn)椴簧儋Y源匱乏地區(qū)、生態(tài)環(huán)保重點(diǎn)建設(shè)地區(qū)提供較多的風(fēng)電資源。

風(fēng)電機(jī)組由多個(gè)不同部位結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)成。包括發(fā)電機(jī)設(shè)備、高速軸、主軸、輪轂、主軸軸承、齒輪箱等。風(fēng)電機(jī)組主軸設(shè)備如圖1所示。

圖1 風(fēng)電機(jī)組主軸設(shè)備

葉片的作用是讓整個(gè)機(jī)械設(shè)備可以獲得風(fēng)能。其中，輪轂是主體轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)與葉片進(jìn)行連接的基礎(chǔ)部件。主軸軸承所起到的作用就是負(fù)責(zé)風(fēng)輪、齒輪箱的工作，而發(fā)電機(jī)可以進(jìn)一步將工作中的機(jī)械能順勢(shì)轉(zhuǎn)化成為電能。風(fēng)電機(jī)組風(fēng)機(jī)輪轂-葉片結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 風(fēng)電機(jī)組風(fēng)機(jī)輪轂-葉片結(jié)構(gòu)

風(fēng)電機(jī)組各個(gè)部位、部件彼此間相互銜接，起到著相互輔助和相互保護(hù)的作用。所以，確保各個(gè)部件、組件的質(zhì)量和性能，也就意味著提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整體保障性、整體運(yùn)行安全性。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)險(xiǎn)要素分析

對(duì)于大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，安裝設(shè)計(jì)好之后并非一勞永逸的，而是需要做好監(jiān)督與性能監(jiān)測(cè)，防止出現(xiàn)意外或突發(fā)事故。結(jié)合風(fēng)能發(fā)電工程項(xiàng)目的實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀，將影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常工作、安全運(yùn)行的一些潛在風(fēng)險(xiǎn)隱患，歸納為影響發(fā)電機(jī)組安全的風(fēng)險(xiǎn)要素。對(duì)日常工作情況、故障診斷現(xiàn)狀、不同問題的出現(xiàn)頻率，歸納為三類不同的風(fēng)險(xiǎn)要素。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常見的風(fēng)險(xiǎn)要素詳見表1。

表1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常見的風(fēng)險(xiǎn)要素

第一類風(fēng)險(xiǎn)要素：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的傳動(dòng)鏈。傳動(dòng)鏈直接影響著整個(gè)風(fēng)力發(fā)電的效率。結(jié)合多地的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工程來(lái)看，傳動(dòng)鏈主要是由主軸承、風(fēng)輪、齒輪箱和發(fā)電機(jī)等部件構(gòu)成。

研究取證和查閱了本地以及周邊多個(gè)縣市地區(qū)大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)據(jù)記錄、維修記錄。從中發(fā)現(xiàn)，傳動(dòng)鏈的風(fēng)險(xiǎn)基本來(lái)源于“超速”，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在超速運(yùn)行狀態(tài)下，會(huì)直接影響傳動(dòng)鏈各零部件。風(fēng)輪、葉片等在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，長(zhǎng)時(shí)間超速，脫離控制，會(huì)造成傳動(dòng)鏈或者整個(gè)發(fā)電機(jī)組都發(fā)生損毀。

在風(fēng)險(xiǎn)的具體評(píng)估方面，技術(shù)人員一般直接選取傳動(dòng)鏈上一個(gè)部件的轉(zhuǎn)速，來(lái)進(jìn)行評(píng)判。正是出于該方面的考慮，所以在整個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最初的功能設(shè)計(jì)層面，最關(guān)注的就是機(jī)組各系統(tǒng)的安全性能。當(dāng)發(fā)現(xiàn)該部件出現(xiàn)了明顯的超速情況時(shí)，設(shè)置的安全系統(tǒng)會(huì)在第一時(shí)間上傳輸入。

第二類風(fēng)險(xiǎn)要素：重要子系統(tǒng)中包括變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、變流器、振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是近幾年界內(nèi)技術(shù)研發(fā)投入與關(guān)注最多的技術(shù)板塊。振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能較多，尤其是在發(fā)電機(jī)組的各類故障診斷與分析層面，效果也比較理想。

重要子系統(tǒng)中的常見故障與風(fēng)險(xiǎn)隱患[1]，主要來(lái)源于各個(gè)系統(tǒng)部件的操作。以偏航系統(tǒng)為例，在偏航系統(tǒng)中有一個(gè)扭纜限位開關(guān)，開關(guān)的作用就是用來(lái)保護(hù)電纜不過度扭纜。但開關(guān)一旦出現(xiàn)一些意外情況，整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的電氣系統(tǒng)會(huì)直接被破壞，導(dǎo)致系統(tǒng)損毀與失效。再以變槳系統(tǒng)為例，變槳系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的氣動(dòng)剎車機(jī)構(gòu)。如果氣動(dòng)剎車失效，有可能會(huì)直接損毀整個(gè)機(jī)組。振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在工作運(yùn)行中，也容易出現(xiàn)一些故障。如利用振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)檢查機(jī)組各部位、各個(gè)運(yùn)行工作階段的振動(dòng)情況、整體運(yùn)行數(shù)據(jù)情況等。這也就意味著，無(wú)論是由于技術(shù)原因還是人為操作，使得振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)失靈，所有的數(shù)據(jù)、指標(biāo)也可能都是混亂的，一旦失靈失效，可能導(dǎo)致整個(gè)風(fēng)電機(jī)組嚴(yán)重?fù)p毀。

重要子系統(tǒng)是大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全系統(tǒng)的必須輸入，也是各地單位和技術(shù)檢修維護(hù)人員最需要重點(diǎn)考慮的風(fēng)險(xiǎn)要素。

第三類風(fēng)險(xiǎn)要素：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的控制系統(tǒng)[2]?？刂葡到y(tǒng)是最后的防線，包括重要子系統(tǒng)、傳動(dòng)鏈等，均受到總控制系統(tǒng)的保護(hù)?？刂葡到y(tǒng)處于整個(gè)機(jī)組的邏輯控制保護(hù)層，也就是PLC（控制器）。在運(yùn)行工作中，當(dāng)PLC 失效，機(jī)組的控制系統(tǒng)為了確保整個(gè)機(jī)組的安全，會(huì)第一時(shí)間發(fā)出指令，命令機(jī)組停機(jī)。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障分析

風(fēng)電機(jī)組尤其是大型的風(fēng)電機(jī)組在工作運(yùn)行期間，無(wú)論是因何種原因所導(dǎo)致出現(xiàn)的故障和問題，如三大類風(fēng)險(xiǎn)要素，絕大多數(shù)情形下基本都是表現(xiàn)為“轉(zhuǎn)動(dòng)問題”。因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組得以實(shí)現(xiàn)發(fā)電，直接的作用就體現(xiàn)在機(jī)組通過風(fēng)輪葉片等設(shè)備部件的轉(zhuǎn)動(dòng)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、電能。所以，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在工作運(yùn)行中，無(wú)論是因何種風(fēng)險(xiǎn)要素，經(jīng)常遇到的故障基本都是風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的異常。比如，異常響聲，超速轉(zhuǎn)動(dòng)、葉片結(jié)構(gòu)破損或者出現(xiàn)裂縫、機(jī)艙罩晃動(dòng)等。一旦出現(xiàn)以上各類情況，應(yīng)第一時(shí)間及時(shí)監(jiān)測(cè)和應(yīng)對(duì)，否則很有可能造成不必要的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)破壞。

究其根本，以上故障和異常情況，基本與旋轉(zhuǎn)機(jī)械的異常不可分離。

3.1 溫度檢測(cè)或油液檢測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障

如旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)速度在運(yùn)行中，未能安全要求達(dá)到既定的標(biāo)準(zhǔn)，很大程度上是受到了剎車片的影響，即剎車片的作用被削弱了。這種情況下，結(jié)合以往的故障案例來(lái)看，很多情形下會(huì)進(jìn)一步造成彈簧結(jié)構(gòu)失效。一旦發(fā)現(xiàn)不夠及時(shí)，隨著工作運(yùn)行的持續(xù)，會(huì)使得發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子和定子持續(xù)接觸摩擦，加劇風(fēng)電機(jī)組的故障。極端情況下，發(fā)電機(jī)組停止工作后，風(fēng)輪依然繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。再加上大型的機(jī)械設(shè)備本身靈活性也比較差一些，所以無(wú)法及時(shí)調(diào)向，包括風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)（安全系統(tǒng)），也有可能無(wú)法有效控制。之所以如此，很大程度上已經(jīng)徹底表明旋轉(zhuǎn)機(jī)械已經(jīng)失靈、失控。如調(diào)向裝盤軸承中的潤(rùn)滑油效果很差，因超速轉(zhuǎn)動(dòng)，還有可能引發(fā)火災(zāi)等。這也是日常的檢修維護(hù)、系統(tǒng)檢查中，容易疏忽的細(xì)節(jié)問題。

在日常的維護(hù)管理中，建議合理利用溫度檢測(cè)技術(shù)、油液監(jiān)測(cè)技術(shù)。如油液檢測(cè)，檢測(cè)油液的質(zhì)量情報(bào)與數(shù)據(jù)分析[3]，可以幫助控制系統(tǒng)的后臺(tái)或者技術(shù)維護(hù)人員，及時(shí)針對(duì)與油液接觸的部件的運(yùn)行情況加以綜合分析。運(yùn)用有效的方法針對(duì)污染程度進(jìn)行測(cè)試。當(dāng)下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的油液分析往往都是利用離線檢查技術(shù)來(lái)進(jìn)行的，而與早些年相比，近幾年界內(nèi)的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟，可以勝任和滿足這一點(diǎn)。比如像傳感器技術(shù)等，已經(jīng)得到了全面的發(fā)展進(jìn)步，從而為油液檢測(cè)工作的發(fā)展創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)。

3.2 振動(dòng)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障

眾所周知，機(jī)組中旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的發(fā)生類型還有很多，如摩擦問題[4]、機(jī)械松動(dòng)問題、軸裂縫問題，如此種種。如上文中提到的風(fēng)輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過程的異常響聲、摩擦聲等，一旦響聲異常、摩擦聲非常大的話，隨后一段時(shí)間內(nèi)，機(jī)艙罩也會(huì)隨之晃動(dòng)，葉片等結(jié)構(gòu)也會(huì)出現(xiàn)裂縫的情況。關(guān)于這一點(diǎn)，大量的工程實(shí)例已經(jīng)證明，主要原因是風(fēng)輪軸承底部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了破損，繼而導(dǎo)致這種故障的發(fā)生。同理，如果齒輪箱軸承也存在破損，同樣也會(huì)造成風(fēng)輪葉片脫落、結(jié)構(gòu)裂縫等故障的發(fā)生，因?yàn)檫@種運(yùn)行狀態(tài)之下，葉片無(wú)法承受沖擊力，使得槳葉的轉(zhuǎn)動(dòng)速度一直處于異常狀態(tài)。

對(duì)于此類故障的排除、檢修、診斷分析，還是建議要做好日常的巡護(hù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)報(bào)告。振動(dòng)檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用其中，可以對(duì)軸承、齒輪、發(fā)電機(jī)軸承、主軸等[5]，對(duì)各個(gè)部件的振動(dòng)情況與數(shù)據(jù)記錄，可以實(shí)現(xiàn)全過程監(jiān)控與分析，幫助管理人員及時(shí)獲得較為準(zhǔn)確的故障信息。

4 結(jié)語(yǔ)

目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目的建設(shè)，無(wú)論是技術(shù)保障、安全性能、穩(wěn)定工作等各個(gè)方面，均得到了空前的提升。未來(lái)隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的逐步成熟，將為中國(guó)經(jīng)濟(jì)、為全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作出巨大貢獻(xiàn)。本文研究中，也結(jié)合當(dāng)?shù)氐拇笮惋L(fēng)力發(fā)電機(jī)組在過往的工作運(yùn)行現(xiàn)狀，基于常見的一些故障問題，從技術(shù)保障、細(xì)節(jié)監(jiān)測(cè)管理層面，提出了一些對(duì)策建議。