郭 亮，李建倫，張樂(lè)平

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310000）

主軸軸承是風(fēng)電機(jī)組的核心零部件，處于風(fēng)力機(jī)械中的薄弱部位，是造成某些型號(hào)風(fēng)電機(jī)組的主要故障之一。主軸軸承承受的力主要包括風(fēng)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(fēng)通過(guò)風(fēng)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(fēng)力而產(chǎn)生的軸向力作用[1]。風(fēng)電機(jī)組主軸軸承具有較大的絕對(duì)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(yùn)行工況惡劣，還要承受雷電、風(fēng)沙、強(qiáng)風(fēng)及鹽霧等極端環(huán)境的影響。大型滾動(dòng)軸承由于尺寸大型化，載荷局部化或超載等特點(diǎn)[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(dòng)軸承不再以長(zhǎng)期運(yùn)行出現(xiàn)磨損故障為主，而往往會(huì)發(fā)生大的局部變形、局部振動(dòng)和局部溫升并造成零件局部損傷[4]。風(fēng)電機(jī)組工作環(huán)境復(fù)雜，可能導(dǎo)致風(fēng)機(jī)在某些時(shí)間段會(huì)處于亞健康狀態(tài)運(yùn)行，雖然不一定會(huì)使得機(jī)組停機(jī)，但會(huì)削減機(jī)組出力及發(fā)電量，從而影響風(fēng)機(jī)運(yùn)營(yíng)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[4]。

1 背景

某風(fēng)電場(chǎng)100臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量為2 000 kW，葉輪直徑為101 m，塔筒高度75 m，為直驅(qū)機(jī)型。于2014 年12 月25 日投產(chǎn)發(fā)電。該風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組在運(yùn)行過(guò)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(guò)高、振動(dòng)異常等情況，導(dǎo)致機(jī)組長(zhǎng)期處于限功率狀態(tài)運(yùn)行或卡死停機(jī)，嚴(yán)重影響機(jī)組發(fā)電量。機(jī)組自投產(chǎn)以來(lái)，因發(fā)電機(jī)主軸承問(wèn)題由風(fēng)機(jī)廠家更換了162 臺(tái)次，嚴(yán)重影響風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量及經(jīng)濟(jì)效益。

從技術(shù)上分析，根本原因是軸系設(shè)計(jì)缺陷。2019年該風(fēng)機(jī)廠家對(duì)風(fēng)機(jī)軸系進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了業(yè)界比較成熟的三排滾子軸承方案，對(duì)軸系整體剛度進(jìn)行了較大幅度的加強(qiáng)。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，先期對(duì)5 臺(tái)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了軸系優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)改造，現(xiàn)對(duì)技術(shù)改造后風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的安全性、可靠性、發(fā)電性能進(jìn)行綜合分析評(píng)估。

2 安全性與可靠性分析

該風(fēng)電場(chǎng)提供了09#、60#、82#、90#、99#共5 臺(tái)未技改機(jī)組和23#、28#、75#、80#、86#共5 臺(tái)技改機(jī)組的2022年1 月至4 月運(yùn)行數(shù)據(jù)?，F(xiàn)根據(jù)風(fēng)場(chǎng)提供的運(yùn)行數(shù)據(jù)，從載荷測(cè)試、軸承溫度、設(shè)備可靠性3 個(gè)方面進(jìn)行分析評(píng)估。

2.1 載荷測(cè)試分析

2022 年針對(duì)此次技改開(kāi)展了未技改的60#機(jī)組、技改的80#機(jī)組，共2 臺(tái)風(fēng)機(jī)塔架極限載荷測(cè)試與等效疲勞載荷計(jì)算分析工作，對(duì)未技改機(jī)組與技改機(jī)組的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)一對(duì)比分析。分析所得結(jié)論如下：

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

2）60#機(jī)組、80#風(fēng)機(jī)載荷分布、變化趨勢(shì)及數(shù)值上差異很小，說(shuō)明此次新三列軸承更換技術(shù)改造對(duì)風(fēng)電機(jī)組載荷無(wú)明顯影響。

2.2 軸承溫度分析

對(duì)機(jī)組的溫度進(jìn)行分析，首先對(duì)每臺(tái)機(jī)組求取功率區(qū)間段的溫度平均值，再將各未技改機(jī)組與技改機(jī)組求取功率區(qū)間段的溫度平均值[5]。統(tǒng)計(jì)各功率段的發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承溫度、發(fā)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承溫度如圖1 和圖2 所示。

圖1 發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承溫度

圖2 發(fā)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承溫度

圖3 未技改機(jī)組和技改機(jī)組可靠性對(duì)比

通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，技改機(jī)組在全功率段的驅(qū)動(dòng)端軸承平均運(yùn)行溫度不超過(guò)58.6 ℃，非驅(qū)動(dòng)端軸承平均運(yùn)行溫度不超過(guò)了62.1 ℃。技改機(jī)組在全功率段的驅(qū)動(dòng)端軸承平均運(yùn)行溫度比未技改機(jī)組降低了12.3 ℃，非驅(qū)動(dòng)端軸承平均運(yùn)行溫度比未技改機(jī)組降低了9.6 ℃，技改效果良好，明顯降低了軸承運(yùn)行溫度，軸承溫度符合安全要求，減少軸承溫度過(guò)高導(dǎo)致的限負(fù)荷情況。

2.3 可靠性分析

根據(jù)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，未技改機(jī)組臺(tái)均停機(jī)次數(shù)、臺(tái)均停機(jī)時(shí)長(zhǎng)、臺(tái)均設(shè)備可利用率分別為：75 次、370 h，86.4%；技改機(jī)組臺(tái)均停機(jī)次數(shù)、臺(tái)均停機(jī)時(shí)長(zhǎng)、臺(tái)均設(shè)備可利用率分別為54 次、263 h、90.1%。技改機(jī)組相比未技改機(jī)組臺(tái)均停機(jī)次數(shù)減少了21 次/臺(tái)，臺(tái)均停機(jī)時(shí)長(zhǎng)減少107 h/臺(tái)，臺(tái)均設(shè)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(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算每臺(tái)機(jī)組的平均風(fēng)速與利用小時(shí)，并從能效、停機(jī)、棄風(fēng)3 個(gè)方面分別計(jì)算損失利用小時(shí)，同時(shí)計(jì)算功率曲線達(dá)標(biāo)率及有效數(shù)據(jù)完整率[6]。2022 年1—4 月，5 臺(tái)未技改機(jī)組平均風(fēng)速為5.8 m/s，平均利用小時(shí)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(jī)損失率為17.9%，平均棄風(fēng)損失率為6.1%，平均功率曲線達(dá)標(biāo)率為67.4%，平均有效數(shù)據(jù)完整率為94.8%。未技改機(jī)組具體能效情況見(jiàn)表1。

表1 未技改機(jī)組能效分析

2022 年1—4 月，5 臺(tái)技改機(jī)組各機(jī)組平均風(fēng)速為5.8 m/s，平均利用小時(shí)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(jī)損失率為13.2%，平均棄風(fēng)損失率為4.4%，平均功率曲線達(dá)標(biāo)率為87.6%，平均有效數(shù)據(jù)完整率為92.5%。技改機(jī)組具體能效情況如見(jiàn)表2。

表2 技改機(jī)組能效分析

通過(guò)對(duì)比分析技改機(jī)組與未技改機(jī)組能效分析結(jié)果，技改機(jī)組的平均利用小時(shí)數(shù)顯著高于未技改機(jī)組，比未技改機(jī)組平均高173.0 h，平均能量利用率提高近10.0%，平均停機(jī)損失率降低4.7%，平均功率曲線達(dá)標(biāo)率提高20.2%。

3.2 年利用小時(shí)數(shù)分析

將SCADA 數(shù)據(jù)的風(fēng)速、功率，計(jì)算出10 min 平均值，篩除異常數(shù)據(jù)后，采用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18451.2—2021《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 功率特性測(cè)試》中的方法，將風(fēng)速按0.5 m/s 劃分區(qū)間，根據(jù)式（1）計(jì)算每一風(fēng)速區(qū)間的風(fēng)速平均值和輸出功率平均值。

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

根據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)未技改機(jī)組與技改機(jī)組性分別進(jìn)行功率曲線擬合，擬合功率曲線如圖4 和圖5 所示。該風(fēng)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)的2021 年全場(chǎng)平均風(fēng)速為6.87 m/s，利用未技改機(jī)組與技改機(jī)組的平均擬合功率曲線，以瑞利分布為風(fēng)頻分布，可以計(jì)算得到未技改與技改機(jī)組的年理論利用小時(shí)數(shù)分別為2 873.9 h/a，2 377.6 h/a。

圖4 未技改機(jī)組擬合功率曲線

圖5 技改機(jī)組擬合功率曲線

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

4 結(jié)論

安全性與可靠性分析方面，對(duì)比未技改機(jī)組與技改機(jī)組載荷測(cè)試結(jié)果，技術(shù)改造對(duì)風(fēng)電機(jī)組載荷無(wú)明顯影響，符合安全要求，可以保證機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行；設(shè)備運(yùn)行溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，技改效果良好，明顯降低了軸承運(yùn)行溫度，軸承運(yùn)行溫度符合安全要求；可靠性角度統(tǒng)計(jì)分析，技改機(jī)組相比未技改機(jī)組運(yùn)行更加穩(wěn)定，技改機(jī)組相比未技改機(jī)組臺(tái)均停機(jī)次數(shù)、臺(tái)均停機(jī)時(shí)長(zhǎng)大幅降低，臺(tái)均設(shè)備運(yùn)行可利用率大幅提高。

發(fā)電性能分析方面，技改機(jī)組的平均利用小時(shí)數(shù)顯著高于未技改機(jī)組，能量利用率明顯提高，停機(jī)損失率大幅下降；折算年發(fā)電量角度對(duì)比，未技改機(jī)組與技改機(jī)組折算年利用小時(shí)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(jī)組穩(wěn)定性、安全性都得到了保障，大幅減少限功率運(yùn)行及停機(jī)情況，設(shè)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(fù)雜，隨著風(fēng)力的變化而變化，且會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，因此軸承故障情況涉及面較廣，難以得到準(zhǔn)確的故障原因[7]。為降低風(fēng)電機(jī)組在亞健康狀態(tài)下的發(fā)電量損失，需對(duì)機(jī)組此類(lèi)狀態(tài)進(jìn)行判別與評(píng)估，制定更具針對(duì)性的運(yùn)行維護(hù)方案，避免機(jī)組狀態(tài)進(jìn)一步惡化導(dǎo)致各類(lèi)故障的發(fā)生[8]。