風力發電機偏航制動缸檢漏研究

許春福

（福建晉江天然氣發電有限公司 福建晉江 362251）

0 引言

風力發電機偏航制動缸在風力發電機組超偏航剎車中起到制動功能，以保證風力發電機能安全運行［1］。制動時液壓油進入風力發電機偏航制動缸內，將風力發電機偏航制動缸的活塞桿推出，活塞桿連接剎車片，剎車片與風力電發電機的轉軸產生摩擦起到制動作用。當剎車片磨損一定程度后，活塞桿的伸出量會增加，進而導致密封圈受損［2］，最終導致漏油。滲漏的液壓油，會隨機艙的偏航流向風機內部四周，導致風力發電機內四處積油，致使無法精準的判斷風力發電機偏航制動缸哪個漏油。目前市場上沒有用于風力發電機偏航制動缸檢漏的設備。

1 研究背景

某風電場2012 年5 月—2014 年7 月有16 臺風機陸續投產發電。風力發電機偏航制動缸漏油問題是從2016 年1 月開始陸續出現，至2017 年6 月共發生34 臺次，平均約2 臺次/月。

風機偏航制動缸滲漏的液壓油會與積留在偏航剎車盤上的剎片粉末混合，混合的油粉末又會引起偏航異響制動打滑。制動打滑又使剎車片磨過快，剎車片磨過快又導致制動失效，制動失效嚴重情況下又可能會導致風機倒塔的嚴重事故。風機偏航制動缸滲漏油也會造成塔筒外壁污染。清理污染的塔筒外壁難度較大，成本也高，預估2 萬～3 萬元/臺次。偏航制動漏油還會順著塔筒流到平臺上，影響維護人員的攀爬安全和機組衛生；如果偏航制動漏油故障發生在盛風期，每天的損失電量高達3 萬～4 萬kWh/臺次，當月風機可利用率下降0.2%/臺次。

假設當某個風力電發機運行中，一個偏航制動缸漏油后（風力發電機不會立即停機），因為風力發電機仍處于運行中（風機仍會偏航、發電時也會產生自震），液壓油隨振動及風力發電機偏航四處流動，所以導致檢修人員無法通過外觀精準找到漏油的偏航制動缸，見圖1 和圖2。

圖1 某直驅機型的偏航制動缸機艙漏油照

圖2 偏航制動缸機艙與塔筒連接處漏油照片

無法精準找到漏油的偏航制動缸通常的做法只能將風電機組16 個偏航制動缸全部更換，但這樣的處理無形中既增加了勞動量又造成備品備件成本的增加。

2 制動缸結構分析

風力發電機偏航制動器主要由進油口、缸體、膠圈、活塞、壓柱、剎車片、螺栓等部分組成。當液壓剎車時壓力達到19 MPa左右，液壓油通過偏航制動缸體外進油口推動活塞，活塞推動壓柱運動，壓柱作用于剎車片從而使剎車片受到徑向載荷，達到剎車目的。圖3 為制動缸的結構圖。

圖3 風力發電機偏航制動缸的結構圖

3 制動缸漏油分析

對漏油的風力發電機偏航制動缸逐臺拆解，發現導致其漏油主要有3 個原因：①偏航制動缸油缸內部油污污染；②偏航制動缸活塞表面磨損超標；③偏航制動缸密封圈老化。

3.1 偏航制動缸內部油污污染的分析

現有液壓系統的布置是液壓站處于高位，偏航制動缸處于低位，缸內的液壓油無法回流至液壓站，偏航制動缸內容易積存雜質。

整個液壓系統只有液壓站里1 個過濾芯，只能過濾較粗雜質，無法過濾細小顆粒雜質。現場的空間條件及油箱接口也不能外接離線濾油裝置，無法對液壓油進行定期濾油。解體發現油偏航制動缸內部都比較臟，有明顯雜質。

3.2 偏航制動缸活塞表面磨損超標

液壓油中細小雜質會導致偏航制動缸活塞產生溝痕；偏航制動缸與活塞的間隙僅0.40 mm，活塞表面損傷后導致直徑變小超過標準，如圖4 為偏航制動缸活塞表面磨損超標的情況。

圖4 偏航制動缸活塞表面磨損超標

3.3 密封圈老化問題

液壓系統的工作壓力高達19 MPa，密封圈的狀態直接影響密封效果；密封圈使用一段時間后會逐漸老化，老化的周期跟工作環境溫度、壓力等級、介質品質都有關系，我場原裝偏航制動缸運行3 a 后開始漏油，其他的風場運行2～4 a 開始漏油。圖5 為偏航制動缸密封圈老化龜裂變硬情況。

圖5 偏航制動缸密封圈老化龜裂變硬情況

4 制動缸檢漏裝置研究

4.1 制動缸檢漏裝置結構

圖6 所示的是1 種風機制動缸的檢漏裝置，包括底座1和制動缸安裝板2。制動缸安裝板2 固定在底座1 上，制動缸安裝板2 為圓形板，制動缸安裝板2 上設置有第一通孔21，第一通孔21 位于制動缸安裝板2 的圓心處。底座1 包括承臺11、彈簧12、支撐件和固定螺母14，具體的，所述支撐件為支撐螺栓13，承臺11 為圓形臺，支撐螺栓13 穿設于承臺11 上，固定螺母14 套設在支撐螺栓13 上。具體的，承臺11 上開設有所述第二通孔和第三通孔112，所述第二通孔的數量為4 個，第三通孔112 位于承臺11 的中心軸位置處。4 個所述第二通孔分別設置在以第三通孔112 為中心的正方形的4 個邊角處，支撐螺栓13 的數量為4 根。每個所述第二通孔內穿設1 根支撐螺栓13，每根支撐螺栓13 上套設有2 個固定螺母，每根支撐螺栓13 上套設的2 個固定螺母14 分別位于承臺11的上下兩側。制動缸安裝板2 與支撐螺栓13 的上端焊接固定，承臺11 位于制動缸安裝板2 的下方，彈簧12 位于所述第一通孔的下方。彈簧12 立設在承臺11 上，彈簧12 的一端固定在承臺11 上。具體的，承臺11 上設置有安裝座113，上述安裝座113 為空心筒狀的安裝座，所述安裝座113 與第三通孔112 相連通，彈簧12 設置在所述安裝座內。彈簧12 上設置有測量針121，測量針121 的一端焊接固定在彈簧12 遠離承臺11 的一端，測量針121 的另一端朝向承臺11 設置，測量針121 上設置有刻度線。較佳的，制動缸安裝板2 和承臺11 均采用的是厚度為10 cm 的鋼板，支撐螺栓13 采用的型號是M22、12.9 級的高強度螺栓，采用上述材料可多次重復承受風機制動缸的壓力不變型。所述第一通孔為直徑5 cm 的圓柱孔洞，彈簧12 的線徑為0.3 cm、長高為7.8 cm 且外徑為4.5 cm的彈簧。

圖6 一種風力發電機偏航制動缸的檢漏裝置結構圖

4.2 制動缸檢漏裝置實操

先將風機制動缸放置在制動缸安裝板2 上，可以將風機制動缸與風力發電機相連接自動打壓測試，也可以將風機制動缸連接手動加壓泵手動打壓測試從而模擬風機制動缸的工作狀態：風機制動缸的活塞桿在未伸出時與彈簧12 相抵接，風機制動缸的活塞桿在壓力作用下伸出并擠壓彈簧12，隨后撤除壓力，在風機制動缸壓力降為0 時，彈簧12 克服風機制動缸活塞自身重力，將活塞頂回初始位置；然后風機制動缸再次受到壓力將活塞桿推出，活塞桿再次擠壓彈簧12，伸縮到活塞最大運動范置；通過記錄活塞的多次位移，將上述位移正常的風機的活塞的行走量程進行對比，可以判斷風機制動缸是否漏液。

5 效益分析

（1）年產值：每年提高設備可利用小時0.5%，按全年總發電量9 000 萬kWh，電價0.61 元/kWh 計算，約可節約0.5%×9000 萬×0.61 元=27.45 萬元。

（2）利潤：1 臺風力發電機偏航制動缸有16 個，單價在0.25 萬～0.3 萬元，總16 臺風機，由于無法檢測以前一個偏航制動缸損壞需要全部更換，偏航制動缸的使用壽命約為5 a，以最高使用年限5 a 計算，年最低利潤為：16 個×16 臺×0.25 萬元/5 a=12.8 萬元。

（3）推廣情況：已應用于湘電風能XE82 機型配備的YWZ5-250/30 類別中的三斯、貴新安、特瑞博偏航制動缸的排漏運用中。

6 結語

應用在某風電場的成效：一種風力發電機偏航制動缸的檢漏裝置，可以模擬實現偏航制動缸在風機運行中的剎車過程，通過極限量程與正常量程之間的反復活塞運動，以此來置換液壓油并精準地判斷風力發電機偏航制動缸是否存在密封圈受損、活塞磨損等導致制動缸漏油問題。在2017 年推行該偏航檢漏裝置以后，該風場無發生由于偏航制動缸漏油導致的風力發電機故障停機。

就現場的實際情況來看，還存在不足，主要是受限于風力發電機上的作業空間，檢測偏航制動缸時需先將其拆下，然后在風機塔基就地測量或拉回升壓站測量，這樣的操作增加了拆、裝、搬運偏航制動缸的工作量。