G5X 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)械剎車邏輯技改研究

白淑偉 王成林

（1.江蘇龍?jiān)达L(fēng)力發(fā)電有限公司，南通 226000；2.遼寧龍?jiān)葱履茉窗l(fā)展有限公司，沈陽(yáng) 110027）

近年來，歌美颯G5X 機(jī)組先后發(fā)生多起機(jī)艙著火事故，主要原因是機(jī)組緊急停機(jī)類故障觸發(fā)機(jī)械剎車制動(dòng)，而長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)械剎車制動(dòng)，導(dǎo)致剎車片與剎車盤相互摩擦產(chǎn)生大量熱量，致使剎車片及剎車盤溫度升高、熔融（分別如圖1 和圖2 所示），最終造成機(jī)艙著火。通過對(duì)比其他機(jī)型機(jī)械剎車邏輯后發(fā)現(xiàn)，G5X 機(jī)械剎車邏輯存在設(shè)計(jì)缺陷。現(xiàn)設(shè)計(jì)剎車邏輯技改方案來避免此類事故的發(fā)生。

目前，行業(yè)內(nèi)外對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組的剎車系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛研究。袁瑩瑩研究了制動(dòng)力矩和溫度對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的影響[1]；徐曉光研究了不同剎車材料對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的影響[2]；畢厚煌研究了汽車剎車制動(dòng)過程中復(fù)合材料的剎車片，在避免共振、提高制動(dòng)性能方面均要優(yōu)于半金屬材料[3]；張國(guó)輝研究了主軸剎車系統(tǒng)緊急動(dòng)作是引起機(jī)組火災(zāi)的主要原因，并根據(jù)原因給出了解決方案[4]；孫煊廣建立了2.5 MW 機(jī)組高速軸制動(dòng)器熱機(jī)耦合模型，通過有限元模擬仿真研究了制動(dòng)器在不同維度下表現(xiàn)出的溫度場(chǎng)分布特性，得到與熱應(yīng)力場(chǎng)高度相似的變化特點(diǎn)[5]。

1 機(jī)械剎車熱力耦合仿真

1.1 剎車裝置介紹

歌美颯G5X 機(jī)組機(jī)械剎車結(jié)構(gòu)如圖3 所示。制動(dòng)盤和齒輪箱一輸出軸通過鍵連接，當(dāng)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)急停故障時(shí)，風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)發(fā)出控制命令，液壓系統(tǒng)剎車回路動(dòng)作，此時(shí)3 組制動(dòng)襯片在液壓系統(tǒng)作用下抱緊制動(dòng)盤，實(shí)現(xiàn)剎車制動(dòng)。在其中一片制動(dòng)襯片上嵌有一個(gè)規(guī)格為135 ℃的熱敏電阻，當(dāng)此片制動(dòng)襯片溫度達(dá)到135 ℃時(shí)，剎車邏輯控制回路使得液壓剎車油路停止工作，制動(dòng)襯片在內(nèi)部彈簧力的作用下和剎車盤脫離，實(shí)現(xiàn)松閘。

1.2 熱力耦合有限元仿真

制動(dòng)襯片和制動(dòng)盤的材料參數(shù)，如表1 所示。根據(jù)剎車裝置實(shí)際工況，建立簡(jiǎn)化的有限元模型如圖4所示。經(jīng)過進(jìn)行熱力耦合計(jì)算，得到如圖5、圖6 和圖7 所示的仿真結(jié)果。其中：圖5 數(shù)據(jù)顯示高速軸剎車后在9.5 s 時(shí)溫度傳感器位置處溫度為130 ℃；圖6 數(shù)據(jù)顯示在9.5 s 時(shí)剎車位置處溫度為2 010 ℃；圖7 數(shù)據(jù)顯示在9.5 s 時(shí)剎車盤處溫度為2 022 ℃。通過以上仿真結(jié)果分析可知：風(fēng)機(jī)高速軸剎車動(dòng)作約9.5 s 后剎車片本體會(huì)磨損殆盡；之后剎車片底板會(huì)和剎車盤直接接觸摩擦并產(chǎn)生大量熔融物；高溫熔融物極易點(diǎn)燃剎車盤下部電纜和玻璃纖維材質(zhì)的機(jī)艙罩使風(fēng)機(jī)發(fā)生火災(zāi)。風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際故障數(shù)據(jù)和有限元模擬數(shù)據(jù)基本吻合，技改思路便以此時(shí)間數(shù)據(jù)為依據(jù)，在高速軸剎車約9.5 s 時(shí)通過改變液壓油路工作邏輯使剎車片和剎車盤脫離，防止產(chǎn)生大量高溫熔 融物。

表1 制動(dòng)盤和制動(dòng)襯片材料參數(shù)表

2 解決方案

2.1 風(fēng)機(jī)剎車邏輯對(duì)比分析

如表2 所示，通過與其他機(jī)型機(jī)械剎車邏輯的對(duì)比可以看出，大部分機(jī)型的機(jī)械剎車制動(dòng)都不會(huì)在機(jī)組發(fā)電機(jī)處于高轉(zhuǎn)速的情況下立即執(zhí)行。經(jīng)過機(jī)械剎車部件溫升熱力耦合計(jì)算也可以看出，在發(fā)電機(jī)處于高轉(zhuǎn)速下執(zhí)行機(jī)械剎車制動(dòng)會(huì)產(chǎn)生高溫，存在很大的火災(zāi)安全隱患。

表2 主流風(fēng)機(jī)剎車控制邏輯

2.2 技改設(shè)計(jì)思路

機(jī)組原有6 片剎車片，其中5 片為普通剎車片，1 片為內(nèi)置熱敏電阻剎車片（用于當(dāng)剎車片溫度高時(shí)觸發(fā)安全鏈故障及411 剎車溫度高故障），現(xiàn)增加1片熱敏電阻剎車片替換原有普通剎車片。機(jī)組機(jī)械剎車制動(dòng)后剎車片溫度高，高溫觸發(fā)熱敏電阻動(dòng)作，通過控制外接電源打開剎車電磁閥，從而松開機(jī)械剎車，以防止機(jī)械剎車系統(tǒng)因過熱產(chǎn)生熔融物引起機(jī)艙著火。

2.3 技改具體方案

2.3.1 技改后電氣圖紙

圖8 為歌美颯剎車控制圖紙，其中左側(cè)虛線框內(nèi)為原始設(shè)計(jì)圖紙，右側(cè)虛線框內(nèi)為技改后圖紙。

2.3.2 技改后需用電氣備件

技改需用備件的相關(guān)描述，如表3 所示。

表3 技改需用備件描述

3 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)機(jī)緊急故障后進(jìn)行機(jī)械剎車制動(dòng)，剎車片溫度高，技改回路打開高速剎車后，通過氣動(dòng)剎車將機(jī)組降低轉(zhuǎn)速進(jìn)入空轉(zhuǎn)狀態(tài)，可能存在一定的安全隱患。機(jī)組存在卡槳問題，在風(fēng)機(jī)緊急故障后進(jìn)行機(jī)械剎車制動(dòng)，剎車片溫度高，技改回路打開高速剎車，因存在卡槳問題機(jī)組會(huì)進(jìn)入飛車狀態(tài)，雖然可以防止火災(zāi)的發(fā)生，但無(wú)法阻止飛車的發(fā)生。后加裝的剎車片熱敏電阻損壞，技改控制回路將持續(xù)為電磁閥D211 供電。當(dāng)機(jī)組需要機(jī)械制剎車動(dòng)時(shí)，機(jī)械剎車無(wú)法制動(dòng)。該情況會(huì)通過210 高速剎車沒有釋放故障體現(xiàn)出來（S208 處壓強(qiáng)低于1 MPa）。此外，由于缺少更多的歷史數(shù)據(jù)支持，后續(xù)將繼續(xù)收集機(jī)械剎車制動(dòng)后411故障觸發(fā)時(shí)間。目前已將技改后的方案在風(fēng)機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)，后續(xù)將持續(xù)試驗(yàn)以收集各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步驗(yàn)證技改方案的安全性。