風電機組軸系優化對發電性能的影響分析

郭 亮，李建倫，張樂平

（華電電力科學研究院有限公司，杭州 310000）

主軸軸承是風電機組的核心零部件，處于風力機械中的薄弱部位，是造成某些型號風電機組的主要故障之一。主軸軸承承受的力主要包括風葉及輪轂的重量、主軸自重、主軸軸承的支承力、推力軸承的止推力、風通過風葉及輪轂作用在主軸的力，因而主軸軸承主要承受徑向力，也受部分由于風力而產生的軸向力作用[1]。風電機組主軸軸承具有較大的絕對空間幾何尺寸，承受大的載荷特別是較大的局部載荷或偏載[2]，運行工況惡劣，還要承受雷電、風沙、強風及鹽霧等極端環境的影響。大型滾動軸承由于尺寸大型化，載荷局部化或超載等特點[3]，其發生故障的主要模式與常規高速精密軸承有很大區別，通常大型滾動軸承不再以長期運行出現磨損故障為主，而往往會發生大的局部變形、局部振動和局部溫升并造成零件局部損傷[4]。風電機組工作環境復雜，可能導致風機在某些時間段會處于亞健康狀態運行，雖然不一定會使得機組停機，但會削減機組出力及發電量，從而影響風機運營企業經濟效益[4]。

1 背景

某風電場100臺風力發電機組，單機容量為2 000 kW，葉輪直徑為101 m，塔筒高度75 m，為直驅機型。于2014 年12 月25 日投產發電。該風電場機組在運行過程中，普遍存在主軸軸承溫升異常，內部存在異響。部分主軸出現卡死、軸承溫度過高、振動異常等情況，導致機組長期處于限功率狀態運行或卡死停機，嚴重影響機組發電量。機組自投產以來，因發電機主軸承問題由風機廠家更換了162 臺次，嚴重影響風電場發電量及經濟效益。

從技術上分析，根本原因是軸系設計缺陷。2019年該風機廠家對風機軸系進行了優化設計，采用了業界比較成熟的三排滾子軸承方案，對軸系整體剛度進行了較大幅度的加強。為驗證設計的可行性，先期對5 臺風電機組進行了軸系優化設計技術改造，現對技術改造后風電機組運行的安全性、可靠性、發電性能進行綜合分析評估。

2 安全性與可靠性分析

該風電場提供了09#、60#、82#、90#、99#共5 臺未技改機組和23#、28#、75#、80#、86#共5 臺技改機組的2022年1 月至4 月運行數據。現根據風場提供的運行數據，從載荷測試、軸承溫度、設備可靠性3 個方面進行分析評估。

2.1 載荷測試分析

2022 年針對此次技改開展了未技改的60#機組、技改的80#機組，共2 臺風機塔架極限載荷測試與等效疲勞載荷計算分析工作，對未技改機組與技改機組的測試結果進行統一對比分析。分析所得結論如下：

1）極限載荷方面，80#機組風機塔頂左右彎矩與扭矩均接近未技改60#機組，塔底極限載荷符合安全性。風機塔架固有頻率方面，塔架固有頻率變化很小，說明風機共振區基本不變，符合安全要求。

2）60#機組、80#風機載荷分布、變化趨勢及數值上差異很小，說明此次新三列軸承更換技術改造對風電機組載荷無明顯影響。

2.2 軸承溫度分析

對機組的溫度進行分析，首先對每臺機組求取功率區間段的溫度平均值，再將各未技改機組與技改機組求取功率區間段的溫度平均值[5]。統計各功率段的發電機驅動端軸承溫度、發電機非驅動端軸承溫度如圖1 和圖2 所示。

圖1 發電機驅動端軸承溫度

圖2 發電機非驅動端軸承溫度

圖3 未技改機組和技改機組可靠性對比

通過數據統計發現，技改機組在全功率段的驅動端軸承平均運行溫度不超過58.6 ℃，非驅動端軸承平均運行溫度不超過了62.1 ℃。技改機組在全功率段的驅動端軸承平均運行溫度比未技改機組降低了12.3 ℃，非驅動端軸承平均運行溫度比未技改機組降低了9.6 ℃，技改效果良好，明顯降低了軸承運行溫度，軸承溫度符合安全要求，減少軸承溫度過高導致的限負荷情況。

2.3 可靠性分析

根據機組運行數據進行統計分析，未技改機組臺均停機次數、臺均停機時長、臺均設備可利用率分別為：75 次、370 h，86.4%；技改機組臺均停機次數、臺均停機時長、臺均設備可利用率分別為54 次、263 h、90.1%。技改機組相比未技改機組臺均停機次數減少了21 次/臺，臺均停機時長減少107 h/臺，臺均設備可利用率提升3.7%。

3 發電性能分析

3.1 能效分析

根據機組運行數據進行統計分析，計算每臺機組的平均風速與利用小時，并從能效、停機、棄風3 個方面分別計算損失利用小時，同時計算功率曲線達標率及有效數據完整率[6]。2022 年1—4 月，5 臺未技改機組平均風速為5.8 m/s，平均利用小時數為406.1 h，平均能量利用率為69.4%，平均能效損失率為6.5%，平均停機損失率為17.9%，平均棄風損失率為6.1%，平均功率曲線達標率為67.4%，平均有效數據完整率為94.8%。未技改機組具體能效情況見表1。

表1 未技改機組能效分析

2022 年1—4 月，5 臺技改機組各機組平均風速為5.8 m/s，平均利用小時數為579.1 h，平均能量利用率為79.5%，平均能效損失率為2.7%，平均停機損失率為13.2%，平均棄風損失率為4.4%，平均功率曲線達標率為87.6%，平均有效數據完整率為92.5%。技改機組具體能效情況如見表2。

表2 技改機組能效分析

通過對比分析技改機組與未技改機組能效分析結果，技改機組的平均利用小時數顯著高于未技改機組，比未技改機組平均高173.0 h，平均能量利用率提高近10.0%，平均停機損失率降低4.7%，平均功率曲線達標率提高20.2%。

3.2 年利用小時數分析

將SCADA 數據的風速、功率，計算出10 min 平均值，篩除異常數據后，采用標準GB/T 18451.2—2021《風力發電機組 功率特性測試》中的方法，將風速按0.5 m/s 劃分區間，根據式（1）計算每一風速區間的風速平均值和輸出功率平均值。

式中：Vi為第i 個區間的平均風速；Vn，i，j為第i 個區間內第j 個數組的風速；Pi為第i 個區間的平均功率；Pn，i，j為第i 個區間內第j 個數組的功率；Ni為第i 個區間內10 min 平均數據的數組個數。

根據運行數據對未技改機組與技改機組性分別進行功率曲線擬合，擬合功率曲線如圖4 和圖5 所示。該風場統計的2021 年全場平均風速為6.87 m/s，利用未技改機組與技改機組的平均擬合功率曲線，以瑞利分布為風頻分布，可以計算得到未技改與技改機組的年理論利用小時數分別為2 873.9 h/a，2 377.6 h/a。

圖4 未技改機組擬合功率曲線

圖5 技改機組擬合功率曲線

考慮到未技改機組的平均運行可利用率86.4%，技改機組的平均運行可利用率為90.1%，則未技改機組折算年利用小時數為2 054.2 h，技改機組折算年利用小時數為2 589.4 h，平均提高535.2 h，提高26.1%。

4 結論

安全性與可靠性分析方面，對比未技改機組與技改機組載荷測試結果，技術改造對風電機組載荷無明顯影響，符合安全要求，可以保證機組安全、穩定運行；設備運行溫度數據統計分析，技改效果良好，明顯降低了軸承運行溫度，軸承運行溫度符合安全要求；可靠性角度統計分析，技改機組相比未技改機組運行更加穩定，技改機組相比未技改機組臺均停機次數、臺均停機時長大幅降低，臺均設備運行可利用率大幅提高。

發電性能分析方面，技改機組的平均利用小時數顯著高于未技改機組，能量利用率明顯提高，停機損失率大幅下降；折算年發電量角度對比，未技改機組與技改機組折算年利用小時數分別為2 054.2 h、2 589.4 h，發電量可提升26.1%。

綜上所述，此次技改后機組穩定性、安全性都得到了保障，大幅減少限功率運行及停機情況，設備可靠性顯著提升，可大幅度提高發電量。主軸軸承受力較為復雜，隨著風力的變化而變化，且會產生振動，因此軸承故障情況涉及面較廣，難以得到準確的故障原因[7]。為降低風電機組在亞健康狀態下的發電量損失，需對機組此類狀態進行判別與評估，制定更具針對性的運行維護方案，避免機組狀態進一步惡化導致各類故障的發生[8]。