一起風電機主軸斷裂事故引發的思考

內蒙古華電新能源分公司 苑 杰 白虎明 張德勝 張海波 陳宇通

一起風電機主軸斷裂事故引發的思考

內蒙古華電新能源分公司 苑 杰 白虎明 張德勝 張海波 陳宇通

近年來中國風力發電高速發展，很多風電機主機廠商為了追求發展速度、市場占有率,而忽視了產品質量問題。導致存在大量的安全隱患。近期，在國內外多地的風場都發生風電機主軸斷裂導致葉輪運行中整體脫落的事故，這不得不使要我們認真思考其中的問題，汲取事故教訓。

風電機；主軸；斷裂；思考

隨著中國風力發電十年間的高速跨越式發展，很多風電機主機廠商片面的追求發展速度、市場占有率而忽視了產品質量，裝機容量、規模看起來“高、大、上”，而產品質量卻不盡如人意，尤其是風電機大部件質量原因導致惡性事故頻發，主機廠家被動善后的背后，物資、人力、吊裝機械大量投入，企業形象嚴重受損，經濟效益更是無從談起。例如，2015年內蒙古西部風電場發生一起風電機組齒輪箱嵌入式低速主軸斷裂導致風電機葉輪運行中整體脫落事故，如圖1。

一、風電場機組概況

內蒙古某風電場XX-1.5MW機組于2009年8月首次并網發電，11月中旬進入240小時預驗收并通過，轉入正式商業運營。投產后，該風力發電機組每年開展一次半年級檢修和一年級檢修。2015年初進行一次專項隱患排查工作，8月中旬開展綜合治理，在此期間對齒輪箱做內窺鏡檢查時，發現該機組高速軸打齒，隨即停機，8月下旬將高速軸更換完畢，機組恢復運行,之后運行一直比較穩定。

二、事件經過

事故當日平均風速超過15m/s，風電機所有檢修工作暫停。次日8時40分，風電場檢修班安排劉某擔任工作負責人，工作班成員王某、張某共同處理該臺風電機電氣系統故障。SCADA所報告警信息為“發電機轉速差異小”“輪轂轉速波動超過極限”“輪轂速度信號差異”。根據故障描述，檢修人員判斷產生此故障的原因有以下幾種：

1.輪轂滑環編碼器故障；輪轂滑環支撐桿固定不牢、橫向聯軸節松動；輪轂滑環編碼器線至PLC之間某段線路斷開；

2.發電機與齒輪箱間聯軸器出現打滑，發電機編碼器故障，發電機編碼器線故障，

3.超速繼電器故障。

根據上述分析，檢修人員做了如下檢查和處理：

圖1 風電機葉輪整體墜落后現場

圖2 風電機葉輪及葉片墜地照片

（1）按下機組急停按鈕，鎖上葉輪鎖，進入輪轂內部檢查：輪轂滑環表面完好，滑環支撐桿及橫向聯軸節緊固正常，校核輪轂滑環至控制柜編碼器線導通正常，輪轂內部無異常情況；

圖3 發生墜落輪轂內部照片

圖4 機組主軸承測點采集的時域波形圖(0-10Hz)

圖5 主軸承測點采集的頻譜圖（0-10Hz）（1800r/min）

（2）檢查齒輪箱與發電機間聯軸器及固定螺栓，聯軸器無異常，螺栓固定牢固無異常，軸向及橫向均無打滑痕跡；

（3）檢查發電機編碼器及編碼器線正常，校核編碼器線導通正常；

（4）校核機艙控制柜內編碼器線至PLC之間所有接線，導通正常；

（5）此時打開葉輪鎖，松開急停，將機組打到服務模式，手動偏航對風，變槳緩慢展開葉片使輪轂轉速維持在200r/min,通過控制面板觀察輪轂轉速以及發電機轉速，編碼器轉速正常，輪轂轉速波動較大，此時觀察控制柜超速繼電器發現：超速1繼電器脈沖信號不正常，超速2繼電器脈沖信號正常，此時停下風機，拍下急停，更換超速1繼電器；

（6）更換超速1繼電器后，松開急停，偏航對風，緩慢變槳將輪轂轉速維持在200r/min至500r/min之間，通過控制面板觀察輪轂轉速以及發電機編碼器轉速，均平滑正常，觀察速度1繼電器脈沖信號，信號反饋正常，速度2繼電器信號正常；

（7）退出機艙登陸狀態，整理好工具及備件后下風機。

10月27日10∶40分，塔基控制柜登陸控制面板，啟動風機，啟動正常，實時風速為12m/s左右，負荷保持在1500kW左右。觀察輪轂轉速以及發電機轉速：發電機轉速1800r/min，輪轂轉速1800r/min，轉速正常，在塔基控制柜觀察數據5分鐘，未發現異常情況。

圖6 風電機跳閘時段實時風速

圖7 事故發生時段發電機轉速

14時20分，風電機功率突降至0kW，葉輪轉速和發電機轉速突降至0r/min，風電機通訊中斷，中斷前機組運行參數：有功功率1498 kW、瞬時風速15.86m/s、平均風速14.56m/s。庫倫風電場值班人員劉某發現該情況后，匯報現場負責人宋某，隨后安排檢修人員與風電機廠家到該臺風電機現場巡查。隨即發現風電機輪轂連同三只葉片墜落在地面，三只葉片及輪轂均有不同程度損傷，風電機齒輪箱主軸斷裂，機艙罩殼損壞，塔筒門扶梯被墜落的葉片砸壞。現場圖片見圖2、圖3：

圖8 事故發生時段葉輪轉速

圖9 事故發生前后時段齒輪箱高速軸軸承溫度（反向）

圖10 風電機齒輪箱嵌入式主軸斷裂照片

三、原因分析

1.對風電機振動測點的監測數據分析如下：

事故發生前機艙振動傳感器未檢測到異常，同時某公司在風電機安裝的在線振動監測設備在事故發生前也未監測到任何異常，當時監測數據如圖4。

最后一次采集數據12點45分，機組（0-10Hz）有效值為0.076 m/s2。

按照VDI3834標準的要求，主軸承測點0-10Hz有效值第一限度0.3m/s2，有效值第二限度為0.5m/s2，FL-058機組振動值未超限。排除由于風電機振動過大導致主軸斷裂。

2.對比風電機故障時段風速、葉輪、發電機轉速、齒輪箱軸承溫度等參數如圖6所示：

風電機通訊中斷時運行數據：有功功率1498 kW，瞬時風速15.86m/s，平均風速14.56m/s，如圖7-9。

經過上述對比可發現，事故發生前后風速、葉輪、發電機轉速、齒輪箱軸承溫度均未發生突變，排除突然大風所導致主軸額外負荷。經過對該風電機主軸斷面進行外觀檢查發現，主軸為齒輪箱嵌入式低速主軸，該主軸內部銹蝕嚴重，發展方向為由內而外，而且從外部目視無法觀測到該缺陷，初步分析該臺風電機主軸在制造過程中內部存在缺陷，在監造過程中并未發現，加之該風電機齒輪箱主軸運行多年，內部金屬疲勞逐漸積累導致內部缺陷不斷擴大，直到本次發生撕裂斷開，最終導致葉輪與齒輪箱主軸脫開墜落。

四、防范措施

事故發生后，風電場立即與主機廠家售后服務人員對風電場風機主軸、葉輪進行宏觀裂紋檢查，特別是將發生過高速軸打齒和出現振動異常的機組列為重點排查對象，優先進行排查。要求主機廠家對風電機組齒輪箱低速軸進行無損探傷。

五、結論

風電場出現上述事故經過上述分析得出結論：此次事故的原因完全是由于主軸設備質量原因所導致，而設備生產廠家的管理環節的缺失正是導致此次事故的主要原因，設備廠家在對主軸進行采購過程中設備監造的薄弱環節最終讓主機廠家付出了昂貴的代價，設備采購方專業力量不足，派駐監造現場的人員良莠不齊，監造過程流于形式。而設備監造本身需要較高的本專業技能、豐富的技術經驗，并熟悉GB/T 19000-ISO9000系列標準和各專業標準，同時監造人員應專業配套，熟練掌握監造設備合同技術規范、生產技術標準、工藝流程，并具備良好的職業操守。監造過程中，相關監造技術人員并未嚴格按照供貨合同的要求對工程項目所需設備在制造和生產過程中的工藝流程、制造質量以及設備的制造單位的質量體系進行有效監管，再加上設備制造單位質量管理體系的漏洞，直接導致了主軸設備缺陷的發生。

中國風電事業在經歷大發展、大跨越的同時也經歷著故障率居高不下、惡性事故頻發的陣痛，正確的衡量發展速度與行業健康發展的關系才是目前我們急需考慮的問題。