風力發電機組齒輪箱高速軸高溫故障分析及改進

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1 齒輪箱高速軸高溫故障現狀

齒輪箱是風力發電機組傳動鏈上的關鍵一環,其可靠性的高低決定了風力發電機組能否穩定發電。在日常工作中,需要從根本上降低齒輪箱的故障率,發現問題及時維修。在風力發電機組故障中,齒輪箱故障占15%～20%?？梢?齒輪箱是一個高價值、高故障率的核心部件。在齒輪箱故障中,軸承高溫故障占比約48%,研究解決齒輪箱的高溫問題迫在眉睫。

基于2016年1月至2017年8月風力發電機組齒輪箱故障數據,得到2 MW風力發電機組齒輪箱故障數量最高,占比為80%。

目標廠家齒輪箱高速軸高溫故障在齒輪箱故障中的占比約48%,如圖1所示,且供應商配合度較高,因此選擇目標廠家2 MW風力發電機組齒輪箱作為改進對象。

圖1 目標廠家2 MW風力發電機組齒輪箱故障分布

2 改進目標

目標廠家2 MW風力發電機組齒輪箱高速軸高溫故障平均每臺每月發生1.75次,每次故障停機時間約10.9 min。對此進行改進,目標為一年內使齒輪箱高速軸高溫故障發生率下降50%。

3 故障原因分析

基于可靠性與6σ思想,運用故障樹方法對目標廠家2 MW風力發電機組齒輪箱高速軸高溫故障進行原因分析。確定頂事件為主控制系統報齒輪箱高速軸溫度高于95℃,導致風力發電機組停機。故障樹方法中,外邊界決定了分析的廣度,內邊界決定了研究的深度。通過對故障機制進行深入分析,明確各影響因素之間的關系,形成故障樹。

針對2 MW風力發電機組齒輪箱高速軸高溫故障,對熱量的來源進行了分析。齒輪箱高速軸溫度影響因素作用關系如圖2所示。軸承運行時產生摩擦,導致滾珠軸承發熱。溫控閥失效,導致熱量不能及時散出,且不能及時進行熱交換,進而引起高溫故障。齒輪箱高速軸高溫故障樹如圖3所示。

圖2 齒輪箱高速軸影響因素作用關系

通過簡化故障樹、建立故障樹數學模型和求最小割集的方法,進行故障樹定性分析,通過計算頂事件概率、重要度分析和靈敏度分析,進行故障樹定量分析。在定性分析和定量分析的基礎上,識別設計中的薄弱環節,采取相應措施。

對溫控閥失效底事件進行深入分析,溫控閥結構如圖4所示。當潤滑油溫度低于45 ℃時,冷油路和熱油路通。當潤滑油溫度為45～60 ℃時,冷油路通,熱油路閉。當潤滑油溫度高于60 ℃時,冷油路閉,熱油路通。

溫控閥正常可往復運動3萬次,在使用一定年限后,中溫包密封介質失效,造成無法在潤滑油溫度變化后切換油路,即無法對潤滑油進行冷卻,進而導致高速軸高溫故障。油液清潔度差、濾芯堵塞會增大溫控閥觸發頻率,加速溫控閥失效。外界環境風沙較大,散熱板表面積灰嚴重,會導致散熱能力下降,使溫控閥動作次數增加,同樣會引起溫控閥過早失效。分析表明,溫控閥失效的主要原因并非質量問題,而是因為接近設計使用壽命?；陲L電場使用條件,將溫控閥定性為易損件。

對噴油孔堵塞底事件進行深入分析,原因包括兩方面:噴油孔設計過小,潤滑系統中濾芯使用的單向閥存在脫落堵塞油孔現象。

圖4 溫控閥結構

4 改進措施

根據故障樹分析得到的底事件分類,制訂相應的改進措施。從耗費時間、實施成本、可執行性、底事件最小割集階數、底事件出現頻次、底事件實際發生頻次、改進空間等七個維度對改進措施評分決策分別進行評分,形成改進措施決策表,見表1,并重點實施總分最高的底事件改進措施。

表1 改進措施決策表

針對評分較高的主控設置及策略、溫控閥失效、噴油孔堵塞、冷卻器結垢堵塞進行重點改進。對于主控設置及策略,修改相關控制參數和控制邏輯,齒輪箱潤滑油加熱器啟動油溫值設置為15 ℃,齒輪箱潤滑油泵低速潤滑模式啟動油溫值設置為10 ℃,刪除齒輪箱潤滑油泵低速和高速潤滑模式啟動最低風輪速度值、齒輪箱潤滑油泵電機加熱帶停止加熱和啟動加熱油溫值。此外,對于對齒輪箱無影響的參數,保持原設置值,具體包括齒輪箱高速軸風輪側軸承溫度最高值95 ℃、齒輪箱高速軸電機側軸承溫度最高值95 ℃、齒輪箱冷卻水溫度最高值55 ℃、齒輪箱潤滑油溫度最高值75 ℃、齒輪箱入口油溫最高值70 ℃。

對于溫控閥失效,目前2 MW風力發電機組齒輪箱所使用的石蠟式溫控閥,使用壽命為30 000次左右,之后會有石蠟泄漏引起失效的風險,對此提出以下改進措施:① 優化溫控閥位置,便于進行更換;② 開發壓力隨動閥代替現有溫控閥,壓力隨動閥的機械彈簧設計壽命為100萬次;③ 有條件的風電場增加離線過濾器,去除潤滑油顆粒物、氧化產物,保證油品質量。

對于噴油孔堵塞,目前噴油孔尺寸為2-φ3 mm,設計尺寸更改為2-φ3.5 mm。與此同時,在噴油板中開孔,提高回油散熱的效率。使用錐面密封單向閥,在濾筒底部增加過濾網,這樣可以防止異物進入潤滑油路。

對于冷卻器結垢堵塞,增加定期維護,防止冷卻器被柳絮、楊絮、蘆葦絮、灰塵等堵塞,避免影響冷卻效果。增加清掃裝置定期清掃,保證散熱效果。此外,可以研究專用清洗劑,用高壓槍清洗冷卻器內的結垢。

改進后,主控制系統邏輯如圖5所示,噴油孔尺寸更改及噴油板開孔如圖6所示,濾筒底部增加過濾網如圖7所示,冷卻器定期維護前后對比如圖8所示。

圖5 改進后主控制系統邏輯

圖6 噴油孔尺寸更改及噴油板開孔

圖7 濾筒底部增加過濾網

圖8 冷卻器定期維護前后對比

5 改進效果

2018年3月至6月,風電場2 MW風力發電機組齒輪箱共發生高速軸高溫故障477次,機組數為67臺,齒輪箱高速軸高溫故障平均每臺每月發生1.78次。改進措施實施后,2019年3月至6月,風電場2 MW風力發電機組齒輪箱共發生高速軸高溫故障201次,平均每臺每月發生0.75次。齒輪箱高速軸高溫故障發生率下降57.9%,實現了改進目標。

以上網電價0.5元/kW、單次故障停機時間10.9 min計,改進措施實施后,1 a可減少電量成本損失超150 000元。

6 結束語

筆者針對2 MW風力發電機組齒輪箱高速軸高溫故障,應用故障樹分析方法,分析了故障原因,并提出了改進措施。通過實施改進措施,減少了齒輪箱高速軸高溫故障的發生次數,降低了故障發生率。在分析與改善的過程中,應用了可靠性與6σ思想,為解決類似故障、提高電力系統可靠性提供了借鑒。