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探讨风电机组不正常运行状态与故障的影响

2020-07-17 468 上传者：管理员

摘要：近年来风力发电发展迅速，国内机组装机容量不断增加，属于较为成熟的新能源发电模式，但由于风力发电场选址多为远离城市的偏远地区，如草原、大山、海上等环境较为恶劣位置，风力发电机组运行条件也较差，对风电机组运行的稳定性以及安全性有着极大的考验，为避免设备事故以及不安全事件的发生，及时有效的预防设备故障及运行安全风险，则需对风电机组运行时反馈出的运行状态以及在不同环境条件下的运行数据进行分析，对存在的故障及缺陷进行预判，根据预判的结果开展针对性的消缺，可大大提高运行稳定性，更好的保障风电机组运行安全。

关键词：
数据分析
隐患发现
风力发电
风电机组
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风力发电机组的实时运行数据可在风电机组出现故障及缺陷并未达到报警值时有效的反映出风机故障情况，与故障相关的信息与数据包括：叶片桨角的实时数据，风电机组高低速轴转速、风速风向数据、有功功率与无功功率、舱内舱外实时温度、变频器入口温度、齿轮箱油及齿轮箱轴承温度、发电机轴承温度、发电机定子绕组温度、变桨电机温度、塔筒XY向振动数据、驱动链XY向振动数据、大部件在线离线振动监测数据、齿轮箱入口压力、齿轮箱油泵压力、液压泵压力等数据均与风电机组故障有关。

一、风力发电机组SCADA系统

监视控制和数据采集系统(SCADA），实现对风电场所有风力发电机组的状态监视、远程控制和数据统计，完成对风场历史数据查询和单机实时信息查询；另外还负责与第三方系统包括网调数据采集和命令下发的通讯。它是MIS（管理信息系统）和SIS（监控信息系统）以及风场建设不可或缺的一套系统，为风机和其他信息系统整合创造了重要条件，主要功能还包括：风场可靠性数据统计，报警查询，风场运行实时数据统计，风机基本状态显示、风机单机信息查询，风机报警查看，风玫瑰图和功率曲线查询，风机单机控制，有功功率设定，多机启停，一键连接，远程复位，故障回放，能量控制，文件上传，数据导出，对外数据服务，信息转发，报表服务，主从服务切换等。

二、叶轮

叶片是风力发电机组中最易受雷击的部件，对于49.5MW及以上装机容量的风电场来说，每年一般约有10%～15%的运行风电机组叶片遭受雷击，大部分雷击的发生只损坏叶片的叶尖部分，也有很少部分出现雷击损坏整个叶片的情况。雷击造成叶片损坏的机理是：一方面雷电击中叶片叶尖后，释放大量能量，使叶尖结构内部的温度急骤升高，引起气体高温膨胀，压力上升，造成叶尖结构爆裂破坏，严重时使整个叶片开裂；另一方面雷击造成巨大声波，对叶片结构造成冲击破坏。

叶片的不正常运行状态较为明显，可采用望远镜外观检查、内部检查、吊篮检查以及运行存在的异响检查。

外观检查：用望远镜目视检查叶片是否有裂纹、鼓包、破损、凹坑等；如果在叶片根部或者叶片承载部分找到裂纹或裂缝，根据机组实际情况停机处理，同时在低温环境下检查叶片表面是否结冰，一旦结冰要及时处理，在无法确认结冰已消除前禁止启机。

异响检查：机组运转时检查叶片是否有异响，叶片的异常噪音通常是由于表面不平整或叶片边缘不平滑造成，也可能由于叶片内部存在脱落物。查找叶片噪音来源，并进行处理。

内部检查：打开叶片人孔，检查叶片内表面是否有透光现象，检查叶片内部大梁、粘合面是否有玻璃钢表面发白、分层、粘合面开裂，叶片槽内是否有橡胶颗粒等杂质（若有要清理干净），盖上端盖后要将螺栓拧紧，防止脱落或通过端盖缝隙泄漏颗粒类杂质；特别重点要检查避雷连接线安装是否牢固、有无断裂或腐蚀现象、是否可靠接地。

三、齿轮箱

齿轮机构是现代机械中应用最广泛的一种传动装置，与其他传动机构相比，齿轮机构的优点是结构紧凑，工作可靠，效率高，寿命长，能保证恒定的传动比，适用范围广。齿轮机构可以增速、减速、变换旋转方向，齿轮传动具有如下特点：传动功率的范围大，速比范围广；能保证瞬时恒定传动比；可以实现平行或不平行轴之间的传动；

针对于齿轮箱（本文齿轮箱指双馈型风力发电机组连接主轴与发电机的增速齿轮箱）的隐患发现可由运行值班人员通过观察齿轮箱运行时的温度、温升或者同部位温度与其他风机对比的方式来判断。例如齿轮箱油温，通常风电机组在大风高速运行时通过散热器散热以及风扇的冷却，齿轮箱油温通常会控制在60℃上下，但如果观察到齿轮箱油温达到75℃甚至接近80℃时，就要考虑风机齿轮箱散热器是否存在堵塞、温控阀是否失效、散热风扇叶片是否损坏、各处轴承是否磨损严重，关于温控阀失效的检查以南高齿齿轮箱为例：一是出口阀到冷却器进油管的温度应该很热；二是冷却器出油管的温度应该低于出口阀到冷却器进油管的温度，如果冷却器出油管很凉（室温），基本可以判断温控阀故障；三是出口阀块到分配器的油管正常时不应该很热，如果这条软管很热（接近油池温度），基本可以判断温控阀故障。

另外，登塔就地检查观察齿轮箱运行状况，查看运转是否平稳；有无振动或异常噪声；各处连接的管路有无渗漏，接头有无松动等情况，都可以在风机未报出故障时及早发现，及早处理，保障齿轮箱安全稳定运行。出现以上不正常运行状态，风电机组仍然可以正常运行，所以通过运行数据的分析对齿轮箱进一步检查的意义非凡，在风电机组未报出风机故障时及早发现风机不正常运行因素，及时处理，规避设备隐患与缺陷的发生。

四、发电机

风力发电机组的发电机与齿轮箱高速轴连接，发电机通过四个橡胶减震器与机舱底盘连接，这种结构可以有效地降低发电机噪声。风力发电机组要求发电机在负荷相对降低的情况下，仍保持有较高的效率，因为风电机组大多数时间内在相对较低风速下运行。整套发电机系统包括：发电机、变流器、水循环装置（水冷机型）、空冷装置；为保证发电机在正常的工作条件下运行，防止发生过热，发电机组设置冷却系统以及润滑系统，冷却系统主要利用高功率型冷却风扇将发电机运行产生的热量抽出并排至机舱外，以达到散热效果，整个散热过程中，当风扇电机功率下降、扇叶松动损坏、排风道破裂，密封不良等都会造成发电机内绕组温度偏高，理论上来说环境温度与风速及功率处于同等条件下时，当某台风电机组出现发电机温度偏高或温升较快，并超过其他风机的情况，就要及时进行停机检查。

发电机润滑系统主要部位只有发电机前后轴承，通过润滑系统将发电机运行时轴承的磨损降到最低，以保障发电机稳定运行，一般当轴承出现损坏时常常会伴有轴承高温故障报出，但也有轴承磨损严重温度正常的情况，针对此类情况则需登塔对发电机轴承进行检查，主要通过启动时的声音来判断，一般轴承磨损情况在发电机低转速300-500rpm时会较为明显，出现尖锐或轰鸣的异响，另外还可通过润坏循坏系统废油收集盒内，发电机轴承排出的废油来判断轴承磨损情况，排出的废油脂颜色发黑，发暗，取少量油脂放在手指揉搓有明显金属异物感，则可判断轴承磨损严重需进行更换，一般通过运行声音以及排出废油情况两种方法结合的方式，判断轴承损坏程度以及是否需要更换轴承为依据。

运行正常的发电机滑环表面，滑道上有均匀的或深或浅的棕褐色的一层氧化膜，不仅保护了滑环的表面，同时亦保证了导电性，或许某些滑道的表面颜色看起来有一些较浅色的痕迹，只要均匀，亦是正常的。如果滑道班驳、痕迹严重不均匀、有电灼伤的痕迹（摸起来有突起或凹点）的滑环表面，则是不合格的，必须要处理，否则会导致滑道不同相间产生电弧短路，烧坏滑环；变频器励磁接触器拉弧烧坏或烧断励磁回路保险以及变频器同步困难，无法并网，甚至引发发电机振动或加剧轴系振动同时也会造成变频器直流母线电压高，发电机轴承因电灼伤而损坏，严重时甚至需要更换发电机，所以对于发电机来说定期及时有效的进行滑环室维护保养极为重要，出现以上不正常运行状态在未发展为严重问题前风电机组自身是无法检测到的，所以积极细致的检查对于发电机安全稳定的运行起到了重要作用。

五、功率曲线

功率曲线是风力发电机组输出功率和风速的对应曲线，是描绘风电机组净电功率输出与风速的函数关系的图表，风力发电机组都具有相应的功率曲线图表，横坐标为风速，纵坐标为对应输出的功率，功率曲线主要分为上升和稳定两部分，机组开始向电网输出功率时的风速称为切入风速，随着风速的增大，输出功率上升，功率一般与风速的立方成正比，达到额定功率时的风速为额定风速，当风速再增加时，由于桨叶的调整，功率保持不变，如果风速仍继续增加，超过风机允许运行的最大风速，为保证机组安全，风机启动保护停机，输出功率降为0，功率曲线停止。功率曲线可以清晰的看出机组在不同风速下与功率间的变化关系，因此功率作为一个风机重要的数据，需引起足够重视。

风力发电机组在正常运行时如果功率曲线与实际运行情况不相符，或功率在不同风速下偏高或偏低，都会反映出相应的风电机组问题。

(1) 风机叶片角度出现偏差会影响对风能的吸收效率，如果风电机组实际“0”度对位置大于设计的“0”度，机组在不同风速下的输出功率就会偏小，达到额定功率的风速也会超过额定风速，一般通过重新校准叶片“0”度位置来解决此问题。

(2) 风向标出现偏移，导致风电机组与切入风向存在偏差，也会影响风电机组对风能的吸收效率，导致机组在不同风速下功率偏小，一般此类情况需重新检查风向标0刻度位置是否与切入风向相垂直，风向标正对机尾，偏差在+/-2度之内，辅助工具进行校准风向标零刻度精确对机尾，同时机组“风向标偏移”参数设置为“180”度，风向标正对机头，偏差在+/-2度之内，辅助工具进行校准风向标零刻度精确对机头，同时机组“风向标偏移”参数设置为“0”度。

(3) 风速计老化，转轴旋转不畅，导致检测的风速较实际风速偏低，会在机组运行时发现，在检测到的风速低于相应功率曲线风速时，功率会出现偏高的情况，一般解决办法为更换新的风速计或进行超声波测风仪替换改造，由于超声波测风仪原理是利用超声波时差法，这样减少了转动部件，大大的降低了故障率。同时测量精度高、反映速度快，对风速的测量精度有很大提升。

(4) 校准主控系统与变频器之间的4-20mA信号（主控给定力矩、功率因数给定、变频器反馈力矩、转速信号等）精确，检查变频器输出力矩与主控给定力矩的响应程度，偏差是否合理（反馈值跟随设定值精确），检查主控系统是否按照转速转矩表控制力矩。

六、结论

在大数据技术基础上，能够全面的监测风电机组运行状态，并通过分析相应数据，预测风电机组发生故障的可能，根据评估结果，采取针对性的防范措施，预防故障的发生，提高风电机组运行稳定性与可靠性，同时也增加了经济效益。

马庆杰.风电机组不正常运行状态与故障的关系[J].冶金管理,2020(13):42-43.