風(fēng)電設(shè)備中液壓技術(shù)的應(yīng)用與分析

劉　磊,王海霞（巨力索具股份有限公司重工配件技術(shù)部,河北 徐水 072550）

風(fēng)電設(shè)備中液壓技術(shù)的應(yīng)用與分析

劉磊,王海霞
（巨力索具股份有限公司重工配件技術(shù)部,河北 徐水 072550）

現(xiàn)代風(fēng)機(jī)向大型化的方向快速發(fā)展，液壓設(shè)備因其獨(dú)有的特性在風(fēng)電設(shè)備中應(yīng)用廣泛。本文討論了液壓技術(shù)在風(fēng)電設(shè)備的制動(dòng)系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)以及最新的全液壓風(fēng)機(jī)等方面的應(yīng)用，并對液壓系統(tǒng)的油品、選材、維護(hù)等性能要求進(jìn)行了分析。

風(fēng)電設(shè)備；液壓技術(shù)；應(yīng)用

作為舉世關(guān)注的綠色能源，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，風(fēng)電設(shè)備單機(jī)容量不斷增大。液壓設(shè)備由于單位體積小、自重小、可靠的控制精度以及良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等特性在風(fēng)電設(shè)備中應(yīng)用廣泛[1]。液壓技術(shù)在風(fēng)電設(shè)備中的應(yīng)用主要在風(fēng)機(jī)的制動(dòng)系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)。近年來，全液壓風(fēng)機(jī)的研究已經(jīng)展開，這是大規(guī)模應(yīng)用液壓技術(shù)的全新概念風(fēng)機(jī)，是風(fēng)電一個(gè)非常重要的發(fā)展趨勢。

1　風(fēng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)包括高速軸制動(dòng)器、偏航制動(dòng)器和轉(zhuǎn)子鎖定裝置，一般由一臺(tái)液壓站通過不同的控制回路分別對其進(jìn)行控制。如果風(fēng)機(jī)僅制動(dòng)系統(tǒng)采用液壓控制，則液壓站油箱容積較小，一般在10L左右即可。

高速軸制動(dòng)。高速軸液壓制動(dòng)器一般設(shè)計(jì)為一個(gè)或兩個(gè)，工作壓力在7-8MPa，主要功能是保護(hù)風(fēng)機(jī)。風(fēng)機(jī)未運(yùn)行時(shí)，制動(dòng)器由彈簧作用使制動(dòng)鉗和剎車片夾緊高速軸制動(dòng)盤，使風(fēng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)。風(fēng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，液壓站向工作回路供油并使蓄能器充油，供油壓力驅(qū)動(dòng)制動(dòng)鉗松開使剎車釋放，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)。風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，液壓站處于停止?fàn)顟B(tài)，蓄能器維持系統(tǒng)油壓使制動(dòng)器處于釋放狀態(tài)，由于泄漏等因素造成壓力下降到設(shè)定值后，液壓站啟動(dòng)向系統(tǒng)供油增壓。風(fēng)機(jī)正常或緊急停機(jī)時(shí)，液壓系統(tǒng)卸荷，制動(dòng)器在彈簧力作用下使剎車片加緊制動(dòng)盤，風(fēng)機(jī)停機(jī)。

偏航制動(dòng)。偏航液壓制動(dòng)器一般設(shè)計(jì)為五個(gè)或六個(gè)，工作壓力在14.5-16MPa，主要功能是使風(fēng)機(jī)對準(zhǔn)風(fēng)向以及解纜等。風(fēng)向變化時(shí)，為使風(fēng)輪正對風(fēng)向，偏航系統(tǒng)啟動(dòng)并調(diào)整機(jī)艙方位角度。偏航過程中為避免機(jī)組產(chǎn)生過激振動(dòng)等問題，偏航制動(dòng)必須提供與驅(qū)動(dòng)力矩相匹配的阻尼力矩，該阻尼力矩由液壓制動(dòng)器提供。風(fēng)機(jī)不偏航時(shí)，偏航制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)鎖緊使風(fēng)機(jī)迎風(fēng)運(yùn)轉(zhuǎn)。

轉(zhuǎn)子鎖定。風(fēng)場的風(fēng)機(jī)運(yùn)行維護(hù)手冊中均嚴(yán)格規(guī)定，工作人員如需登上或進(jìn)入輪轂，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)子鎖定以確保人員安全。轉(zhuǎn)子鎖定裝置有手動(dòng)型和液壓型等，隨風(fēng)電設(shè)備供應(yīng)商的技術(shù)設(shè)計(jì)而定，應(yīng)用均比較廣泛。目前應(yīng)用較多的是力士樂、哈威等品牌的液壓元件，可通過液壓系統(tǒng)控制完成轉(zhuǎn)子的鎖定與解鎖。

2　風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)通常有伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)或伺服液壓驅(qū)動(dòng)兩種。液壓驅(qū)動(dòng)以其響應(yīng)快、體積小和轉(zhuǎn)矩大等眾多優(yōu)點(diǎn)在風(fēng)機(jī)變槳設(shè)備中應(yīng)用廣泛，如VESTAS、EHN等國際著名風(fēng)電公司的風(fēng)機(jī)設(shè)備，尤其是2MW以上的大型風(fēng)電設(shè)備大都采用液壓變槳系統(tǒng)。

液壓變槳系統(tǒng)的動(dòng)力由液壓站提供，通過比例電磁閥等控制元件將液壓缸活塞的徑向往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽儤S承的圓周運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)槳葉實(shí)現(xiàn)變槳距調(diào)節(jié)。

變槳距調(diào)節(jié)范圍是0~90°，其變槳?jiǎng)幼饕话惴譃橐韵氯N情況：風(fēng)速超過額定風(fēng)速低于切出風(fēng)速時(shí)的功率調(diào)節(jié)，該階段通過微調(diào)槳距角改變槳葉的攻角，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用率，保證風(fēng)機(jī)恒額定功率運(yùn)行并改善風(fēng)載情況，變槳距范圍在0~35°且變槳速度較小；風(fēng)速超過切出風(fēng)速時(shí)的保護(hù)性順槳，該階段變槳速度很大可達(dá)到10°/s，變槳范圍也很大，一般在35~90°；緊急順槳，風(fēng)機(jī)從正常運(yùn)行狀態(tài)正常或緊急停機(jī)，液壓變槳系統(tǒng)能在外部電力中斷的情況下繼續(xù)工作，并最大限度縮短風(fēng)輪的慣性轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間。

變槳系統(tǒng)的工作液壓值通常設(shè)定在20MPa左右，不同風(fēng)機(jī)設(shè)備制造商生產(chǎn)的風(fēng)機(jī)液壓系統(tǒng)參數(shù)一般略有不同。如果風(fēng)機(jī)上的液壓站同時(shí)供液壓制動(dòng)和液壓變槳使用，并共用同一個(gè)液壓油箱，則油箱容積需要在100L以上。

3　全液壓風(fēng)機(jī)

現(xiàn)代風(fēng)機(jī)按傳動(dòng)方式分類，可分為齒輪箱式風(fēng)機(jī)、直驅(qū)式風(fēng)機(jī)和全液壓風(fēng)機(jī)三類。齒輪箱式風(fēng)機(jī)由于齒輪箱制造困難，成本高，且故障率高，維修困難。

全液壓風(fēng)機(jī)具有如下特點(diǎn)：

首先，風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)具有很好的柔性和靈活性，并且機(jī)組承載大，潤滑好，機(jī)組設(shè)計(jì)壽命長。

第二，全液壓風(fēng)機(jī)由于規(guī)避了大量機(jī)械部件及復(fù)雜的控制系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)運(yùn)行故障率低，故障停機(jī)時(shí)間很短，電能質(zhì)量很高。

第三，全液壓風(fēng)機(jī)在制造成本、采購成本、維護(hù)成本等方面都具有很大的優(yōu)勢。

第四，相比于其他兩種類型的風(fēng)機(jī)，在機(jī)艙重量方面大大降低，如現(xiàn)在常見的1.5MW齒輪箱式風(fēng)機(jī)僅齒輪箱重量在15t左右，機(jī)艙總重可達(dá)60t；2MW直驅(qū)式風(fēng)機(jī)僅發(fā)電機(jī)重量就接近100t，機(jī)艙總重甚至達(dá)150t；而1.5MW全液壓型風(fēng)機(jī)的液壓泵只有5t重，機(jī)艙重量相差非常懸殊。

4　風(fēng)電設(shè)備液壓系統(tǒng)分析

由于風(fēng)電設(shè)備一般位于偏遠(yuǎn)地區(qū)或沿海近海，氣候條件十分惡劣，或風(fēng)沙大，氣候干燥；或鹽霧大，腐蝕性強(qiáng)。這就對風(fēng)電設(shè)備的可靠性、環(huán)境適應(yīng)性、材料等的要求很高，液壓系統(tǒng)也不例外。

首先，液壓油方面，油品要求高清潔度，要有適宜環(huán)境及其變化的黏度，要有良好的低溫性能與黏溫性能，要有良好的抗氧化性能等。

第二，材料方面，液壓系統(tǒng)由液壓站、管路、密封件及各種控制閥構(gòu)成，考慮風(fēng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境，各種材料的選擇必須具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，同時(shí)還要考慮液壓油品與這些材料的兼容性等。

第三，維護(hù)方面，由于風(fēng)機(jī)所處環(huán)境偏遠(yuǎn)，人跡罕至，換油、維護(hù)等操作難度很大，液壓系統(tǒng)制造商有自己的維護(hù)計(jì)劃和要求，風(fēng)電設(shè)備制造商也有風(fēng)機(jī)通用的運(yùn)行維護(hù)計(jì)劃，風(fēng)場業(yè)主亦有自己的工作安排，因此，液壓系統(tǒng)的維護(hù)不一定會(huì)完全按相關(guān)的要求進(jìn)行，這就對液壓系統(tǒng)長期無人值守維護(hù)方面的要求更高。

5　總結(jié)

本文對液壓技術(shù)在風(fēng)電設(shè)備中的應(yīng)用進(jìn)行了研究并進(jìn)行了相關(guān)分析討論，目前在風(fēng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)和變槳系統(tǒng)中應(yīng)用最廣，未來會(huì)在全液壓風(fēng)機(jī)中大量應(yīng)用。風(fēng)電液壓系統(tǒng)對液壓油品、選材、維護(hù)等方面都有很高的要求。

[1]賈福強(qiáng)等.風(fēng)力發(fā)電中液壓系統(tǒng)的應(yīng)用概述[J].液壓氣動(dòng)與密封,2010(08):11-14.

[2]TonyBurton等著;武鑫等譯.風(fēng)能技術(shù)[M].科學(xué)技術(shù)出版社,北京,2014.