白金亮

（北京國電思達(dá)科技有限公司，北京 100039）

1 前言

偏航系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組重要的組成部分，它是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，使機(jī)組跟蹤風(fēng)向的變化，保證機(jī)組始終正對風(fēng)向，獲得最大的風(fēng)能，提高發(fā)電效率。因此，偏航系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有著重要的意義。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理及作用

2.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)由偏航檢測機(jī)構(gòu)（風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)、偏航編碼器）、偏航控制機(jī)構(gòu)（PLC、電控系統(tǒng)）和偏航執(zhí)行機(jī)構(gòu)（偏航驅(qū)動(dòng)電機(jī)、偏航減速器、偏航小齒輪、偏航軸承齒盤、偏航軸承、潤滑系統(tǒng)、偏航制動(dòng)系統(tǒng)等）三大部分組成。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)工作原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)工作原理：偏航檢測機(jī)構(gòu)將當(dāng)前機(jī)組的風(fēng)速、風(fēng)向信號傳遞給PLC；PLC計(jì)算出機(jī)組當(dāng)前對風(fēng)角度，由PLC內(nèi)部控制邏輯判斷機(jī)組是否啟動(dòng)偏航，當(dāng)達(dá)到偏航啟動(dòng)條件時(shí)，PLC發(fā)出控制指令。首先偏航電機(jī)電子剎車打開、偏航剎車系統(tǒng)液壓站泄壓，隨后PLC發(fā)出偏航軟啟使能信號及偏航接觸器控制信號（左偏、右偏），繼而發(fā)出偏航軟啟啟動(dòng)信號，之后偏航電機(jī)開始運(yùn)行，經(jīng)過偏航減速器減速后通過偏航小齒輪帶動(dòng)機(jī)艙在偏航齒盤上旋轉(zhuǎn)，完成偏航動(dòng)作，偏航齒盤固定在風(fēng)機(jī)塔筒上，通過偏航軸承與機(jī)艙連接。

2.3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)的作用

偏航系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特有的隨動(dòng)系統(tǒng)，偏航系統(tǒng)有三個(gè)主要作用。一是跟蹤風(fēng)向變化，與風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)相互配合，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，充分利用風(fēng)能，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率。二是解纜和紐纜保護(hù)，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可能會(huì)持續(xù)地往一個(gè)方向偏航，為了保證機(jī)組懸垂部分的電纜不產(chǎn)生過度的紐絞而使電纜斷裂，在電纜達(dá)到設(shè)計(jì)纏繞值時(shí)能自動(dòng)解纜。同時(shí)，在偏航到達(dá)設(shè)計(jì)極限值時(shí)，能夠觸發(fā)機(jī)組停機(jī)。三是機(jī)組定位，在風(fēng)向相對穩(wěn)定時(shí)能按照設(shè)定值提供鎖緊力矩，使機(jī)艙穩(wěn)定在一個(gè)方位，保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 偏航系統(tǒng)工作原理

3 偏航系統(tǒng)常見機(jī)械故障原因分析

3.1 偏航振動(dòng)超限或噪音過大問題

偏航振動(dòng)和噪音過大是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常見問題，一般會(huì)同時(shí)發(fā)生，從而嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此徹底解決偏航振動(dòng)以及噪音問題至關(guān)重要。針對某種兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分析原因如下幾種情況：

偏航過程中偏航制動(dòng)器摩擦片與制動(dòng)盤之間的摩擦異常產(chǎn)生振動(dòng)及噪音。因偏航系統(tǒng)采用齒輪驅(qū)動(dòng)，為避免驅(qū)動(dòng)齒輪承受震蕩變化的風(fēng)向引起的交變載荷，保證機(jī)組偏航過程中運(yùn)行穩(wěn)定，通常設(shè)計(jì)偏航系統(tǒng)在偏航過程中必須具有一定的阻尼力矩，即整個(gè)偏航過程偏航制動(dòng)器靠一定的壓力夾緊偏航制動(dòng)盤，有些機(jī)組在偏航過程中會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)和噪音，原因分析如表1。

表1 震動(dòng)及噪音原因分析

偏航驅(qū)動(dòng)小齒輪與偏航軸承齒盤之間嚙合異常時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，原因分析如下。一是由于偏航驅(qū)動(dòng)小齒輪與偏航軸承齒盤之間齒側(cè)間隙設(shè)計(jì)不合理或者安裝超差，偏航驅(qū)動(dòng)小齒輪有一定的偏心量，如果齒側(cè)間隙不合理，輕則發(fā)生振動(dòng)和噪音，重則斷齒。整改措施是重新調(diào)整齒側(cè)間隙；二是驅(qū)動(dòng)小齒輪和偏航軸承齒盤齒面沒有潤滑油脂，由于偏航處承擔(dān)較大載荷導(dǎo)致在偏航過程中齒間產(chǎn)生較大摩擦力，加速齒面磨損，也導(dǎo)致偏航振動(dòng)和噪音。整改措施是按照維護(hù)周期和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行齒面潤滑或者改造成自動(dòng)潤滑系統(tǒng)。

3.2 偏航減速器齒圈開裂或者行星輪斷齒

偏航減速器是偏航系統(tǒng)傳遞扭矩的關(guān)鍵部位，起著連接偏航電機(jī)和偏航軸承的作用。偏航減速器損壞情況如圖2。

圖2 偏航減速器齒圈開裂和行星輪斷齒

結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行情況，分析偏航減速器齒圈開裂或者行星輪斷齒主要原因有，偏航減速器零部件設(shè)計(jì)強(qiáng)度不能滿足使用要求或者是加工以及熱處理過程中產(chǎn)生缺陷，導(dǎo)致零部件脆性增加，沖擊韌性降低，受到輕微外力便發(fā)生斷裂；偏航減速器瞬間受到外載荷的沖擊，當(dāng)超過極限載荷時(shí)，太陽輪或者行星輪會(huì)發(fā)生斷齒，如果繼續(xù)運(yùn)行，斷齒卡在嚙合齒之間，造成齒圈開裂；由于欠維護(hù)以及漏油造成偏航減速器高速級潤滑不良發(fā)生斷齒，潤滑不良時(shí)高速級最先處于無潤滑狀態(tài)運(yùn)行，經(jīng)過長時(shí)間磨損且遇到較大外載沖擊，容易發(fā)生斷齒。

針對以上原因分析制定如下整改措施：首先是設(shè)計(jì)過程中充分考慮偏航減速關(guān)鍵部件安全系數(shù)，按照風(fēng)電場實(shí)際運(yùn)行載荷工況對偏航減速器極限承載能力以及疲勞壽命進(jìn)行仿真，選取最高級別安全系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)；其次是嚴(yán)格控制產(chǎn)品加工工藝，提高偏航減速器的整體可靠性；最后是必須按照設(shè)計(jì)周期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，及時(shí)進(jìn)行油品檢測和換油補(bǔ)油工作。

3.3 偏航剎車盤磨損

在機(jī)組偏航以及制動(dòng)過程中，偏航剎車盤與偏航制動(dòng)器配合為機(jī)組提供一定阻尼，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定處于迎風(fēng)狀態(tài)。當(dāng)偏航剎車盤發(fā)生嚴(yán)重磨損，不但影響機(jī)組的風(fēng)能利用率，而且維修成本高，嚴(yán)重磨損情況如圖3。

圖3 偏航剎車盤嚴(yán)重磨損

偏航過程中，偏航制動(dòng)器偏航壓力設(shè)置過大，長期磨損導(dǎo)致偏航剎車盤不能滿足偏航阻尼力矩要求；偏航制動(dòng)器摩擦片未及時(shí)更換發(fā)生過度磨損，偏航制動(dòng)器底板（鋼質(zhì)材質(zhì)）直接摩擦剎車盤，導(dǎo)致剎車盤磨損；偏航制動(dòng)器液壓系統(tǒng)漏油到剎車盤，制動(dòng)器摩擦片（多為樹脂聚合物復(fù)合材料）長期被油液污染容易出現(xiàn)碎塊；機(jī)組運(yùn)行過程中，摩擦片與制動(dòng)盤相互摩擦產(chǎn)生摩擦殘留物（碳粉），碳粉會(huì)附著在制動(dòng)盤和制動(dòng)器剎車片之間，在剎車系統(tǒng)阻尼壓力和摩擦熱的作用下形成燃燒層（即脆化光亮的釉層）。摩擦片碎塊和釉層壓在制動(dòng)器和剎車盤之間，在偏航過程中導(dǎo)致剎車盤受力不均勻，進(jìn)而破壞剎車盤。

整改措施：按照設(shè)計(jì)要求調(diào)整偏航系統(tǒng)阻尼壓力值，并進(jìn)行測試；及時(shí)更換磨損異常的剎車片，保持剎車片厚度滿足要求；及時(shí)清理剎車盤異物，保持剎車盤光潔平整。

4 結(jié)語

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)機(jī)械故障對風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行影響很大，本文深入分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)機(jī)械問題的根本原因，提出了相應(yīng)的解決方案，從而降低了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航系統(tǒng)機(jī)械故障的不利影響，減少了風(fēng)機(jī)運(yùn)行隱患，對機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要意義。