风力发电机组齿轮箱高速轴高温故障分析及改进

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1 齿轮箱高速轴高温故障现状

齿轮箱是风力发电机组传动链上的关键一环,其可靠性的高低决定了风力发电机组能否稳定发电。在日常工作中,需要从根本上降低齿轮箱的故障率,发现问题及时维修。在风力发电机组故障中,齿轮箱故障占15%～20%。可见,齿轮箱是一个高价值、高故障率的核心部件。在齿轮箱故障中,轴承高温故障占比约48%,研究解决齿轮箱的高温问题迫在眉睫。

基于2016年1月至2017年8月风力发电机组齿轮箱故障数据,得到2 MW风力发电机组齿轮箱故障数量最高,占比为80%。

目标厂家齿轮箱高速轴高温故障在齿轮箱故障中的占比约48%,如图1所示,且供应商配合度较高,因此选择目标厂家2 MW风力发电机组齿轮箱作为改进对象。

图1 目标厂家2 MW风力发电机组齿轮箱故障分布

2 改进目标

目标厂家2 MW风力发电机组齿轮箱高速轴高温故障平均每台每月发生1.75次,每次故障停机时间约10.9 min。对此进行改进,目标为一年内使齿轮箱高速轴高温故障发生率下降50%。

3 故障原因分析

基于可靠性与6σ思想,运用故障树方法对目标厂家2 MW风力发电机组齿轮箱高速轴高温故障进行原因分析。确定顶事件为主控制系统报齿轮箱高速轴温度高于95℃,导致风力发电机组停机。故障树方法中,外边界决定了分析的广度,内边界决定了研究的深度。通过对故障机制进行深入分析,明确各影响因素之间的关系,形成故障树。

针对2 MW风力发电机组齿轮箱高速轴高温故障,对热量的来源进行了分析。齿轮箱高速轴温度影响因素作用关系如图2所示。轴承运行时产生摩擦,导致滚珠轴承发热。温控阀失效,导致热量不能及时散出,且不能及时进行热交换,进而引起高温故障。齿轮箱高速轴高温故障树如图3所示。

图2 齿轮箱高速轴影响因素作用关系

通过简化故障树、建立故障树数学模型和求最小割集的方法,进行故障树定性分析,通过计算顶事件概率、重要度分析和灵敏度分析,进行故障树定量分析。在定性分析和定量分析的基础上,识别设计中的薄弱环节,采取相应措施。

对温控阀失效底事件进行深入分析,温控阀结构如图4所示。当润滑油温度低于45 ℃时,冷油路和热油路通。当润滑油温度为45～60 ℃时,冷油路通,热油路闭。当润滑油温度高于60 ℃时,冷油路闭,热油路通。

温控阀正常可往复运动3万次,在使用一定年限后,中温包密封介质失效,造成无法在润滑油温度变化后切换油路,即无法对润滑油进行冷却,进而导致高速轴高温故障。油液清洁度差、滤芯堵塞会增大温控阀触发频率,加速温控阀失效。外界环境风沙较大,散热板表面积灰严重,会导致散热能力下降,使温控阀动作次数增加,同样会引起温控阀过早失效。分析表明,温控阀失效的主要原因并非质量问题,而是因为接近设计使用寿命。基于风电场使用条件,将温控阀定性为易损件。

对喷油孔堵塞底事件进行深入分析,原因包括两方面:喷油孔设计过小,润滑系统中滤芯使用的单向阀存在脱落堵塞油孔现象。

图4 温控阀结构

4 改进措施

根据故障树分析得到的底事件分类,制订相应的改进措施。从耗费时间、实施成本、可执行性、底事件最小割集阶数、底事件出现频次、底事件实际发生频次、改进空间等七个维度对改进措施评分决策分别进行评分,形成改进措施决策表,见表1,并重点实施总分最高的底事件改进措施。

表1 改进措施决策表

针对评分较高的主控设置及策略、温控阀失效、喷油孔堵塞、冷却器结垢堵塞进行重点改进。对于主控设置及策略,修改相关控制参数和控制逻辑,齿轮箱润滑油加热器启动油温值设置为15 ℃,齿轮箱润滑油泵低速润滑模式启动油温值设置为10 ℃,删除齿轮箱润滑油泵低速和高速润滑模式启动最低风轮速度值、齿轮箱润滑油泵电机加热带停止加热和启动加热油温值。此外,对于对齿轮箱无影响的参数,保持原设置值,具体包括齿轮箱高速轴风轮侧轴承温度最高值95 ℃、齿轮箱高速轴电机侧轴承温度最高值95 ℃、齿轮箱冷却水温度最高值55 ℃、齿轮箱润滑油温度最高值75 ℃、齿轮箱入口油温最高值70 ℃。

对于温控阀失效,目前2 MW风力发电机组齿轮箱所使用的石蜡式温控阀,使用寿命为30 000次左右,之后会有石蜡泄漏引起失效的风险,对此提出以下改进措施:① 优化温控阀位置,便于进行更换;② 开发压力随动阀代替现有温控阀,压力随动阀的机械弹簧设计寿命为100万次;③ 有条件的风电场增加离线过滤器,去除润滑油颗粒物、氧化产物,保证油品质量。

对于喷油孔堵塞,目前喷油孔尺寸为2-φ3 mm,设计尺寸更改为2-φ3.5 mm。与此同时,在喷油板中开孔,提高回油散热的效率。使用锥面密封单向阀,在滤筒底部增加过滤网,这样可以防止异物进入润滑油路。

对于冷却器结垢堵塞,增加定期维护,防止冷却器被柳絮、杨絮、芦苇絮、灰尘等堵塞,避免影响冷却效果。增加清扫装置定期清扫,保证散热效果。此外,可以研究专用清洗剂,用高压枪清洗冷却器内的结垢。

改进后,主控制系统逻辑如图5所示,喷油孔尺寸更改及喷油板开孔如图6所示,滤筒底部增加过滤网如图7所示,冷却器定期维护前后对比如图8所示。

图5 改进后主控制系统逻辑

图6 喷油孔尺寸更改及喷油板开孔

图7 滤筒底部增加过滤网

图8 冷却器定期维护前后对比

5 改进效果

2018年3月至6月,风电场2 MW风力发电机组齿轮箱共发生高速轴高温故障477次,机组数为67台,齿轮箱高速轴高温故障平均每台每月发生1.78次。改进措施实施后,2019年3月至6月,风电场2 MW风力发电机组齿轮箱共发生高速轴高温故障201次,平均每台每月发生0.75次。齿轮箱高速轴高温故障发生率下降57.9%,实现了改进目标。

以上网电价0.5元/kW、单次故障停机时间10.9 min计,改进措施实施后,1 a可减少电量成本损失超150 000元。

6 结束语

笔者针对2 MW风力发电机组齿轮箱高速轴高温故障,应用故障树分析方法,分析了故障原因,并提出了改进措施。通过实施改进措施,减少了齿轮箱高速轴高温故障的发生次数,降低了故障发生率。在分析与改善的过程中,应用了可靠性与6σ思想,为解决类似故障、提高电力系统可靠性提供了借鉴。