光热电站定日镜俯仰角驱动器失效原因分析

朱 君 何氏正 何聚龙

上海电气亮源光热工程有限公司 上海 201199

1 分析背景

定日镜是构成光热电站的主要设备,对于一座100 MW光热电站,一般需要3万至5万台定日镜。在一些100 MW塔式光热电站项目中,考虑到太阳能法向辐射及聚热备用余量,可能设计超过5万台定日镜。数量如此多的定日镜对安全性设计提出了较高要求,需确保定日镜在电站25～35 a的设计使用寿命中追踪精度可靠,并且安全稳定运行。

塔式光热电站项目所采用的定日镜,一般为采用双驱动器追踪太阳光。在俯仰角方向控制定日镜运行,并对其姿态进行调整的驱动装置即为俯仰角驱动器。俯仰角驱动器的安全稳定运行关系到定日镜的运行安全、使用寿命,以及光场造价、运维费用等诸多方面。笔者针对俯仰角驱动器的失效原因进行分析,为类似工程项目的建设提供参考。

2 定日镜结构

以某光热电站项目所采用的小定日镜为例,该定日镜可作为一个独立的运动单元安装在单个立柱上。每台定日镜由双轴驱动,跟踪太阳光,并将聚光焦点保持在塔的吸热器上。双轴驱动采用两台驱动装置,以调整定日镜的方位角和俯仰角。定日镜如图1所示,俯仰角驱动器如图2所示。

图1 定日镜总体结构

3 现场调查

现场巡查时,发现有定日镜损坏,如图3所示。反射镜组件发生破碎,破碎部位为反射镜组件下部、中间位置。

图3 定日镜损坏

镜子碎裂的原因是镜子与立柱发生碰撞。根据进一步调查发现,俯仰角驱动器也出现损坏,导致俯仰角驱动器杆不受控制。拆机后,对俯仰角驱动器损坏位置进行分析,发现由于俯仰角驱动器后端位置锁紧结构的螺母发生脱落,造成俯仰角驱动器内部传动机构的滚珠丝杠轴端发生移位,导致俯仰角驱动器杆失去固定支撑,不受控制。定日镜在风载及巨大自重惯性的作用下,与立柱发生碰撞,导致镜子碎裂。

4 材质第三方检测

损坏的俯仰角驱动器螺母如图4所示。经过对数例损坏的俯仰角驱动器螺母进行分析,发现有的螺母螺纹完好,但由于螺母发生逆向旋转,进而产生脱落,导致俯仰角驱动器失效。有的螺母螺纹已损坏,强力拉脱导致俯仰角驱动器损坏。对此,将损坏的螺母送具备资质的第三方机构进行相关检测,验证材质物化指标是否满足要求。

图4 俯仰角驱动器螺母

检测结果表明,螺母的材质物化指标满足相关标准要求。

5 锁紧原因

在俯仰角驱动器中,滚珠丝杠机构一端通过锁紧垫片与螺母固定的形式,与蜗轮蜗杆机构固定连接,这是典型的机械传动机构锁紧固定形式,如图5所示。

图5 俯仰角驱动器传动机构锁紧固定形式

滚珠丝杠机构的另一端与俯仰角驱动器轴通过扣押的形式刚性连接。定日镜在风载作用下,俯仰角驱动器轴承受相应拉伸力。这一拉伸力传导至螺母上,会使螺母产生反向自旋运动。锁紧垫片的折弯边可以阻止螺母自旋松脱,从而对紧固结构起到保护作用。

6 失效原因分析

针对现场俯仰角驱动器的锁紧结构遭到损坏的失效形式与特点,对潜在的失效原因进行分析。

6.1 生产工艺控制不严

(1) 预紧力未控制到位。俯仰角驱动器是定日镜的重要承载部件,俯仰角驱动器所受到的拉力最终会传导至锁紧结构。因此,对俯仰角驱动器预紧力的控制需严格按照技术规范执行,否则可能导致设备内部弹簧垫片张紧力过小,产生的预紧力不足,进而使螺母在受到力的作用时产生返退效应。

(2) 锁紧垫片折弯边未完全贴上螺母。锁紧垫片的折弯工艺通过人工使用折弯钳进行操作,对于工人的经验及责任心有较高要求,折弯边应与六角螺母完全贴合,最大间隙不应超过0.5 mm,如图6所示。生产过程中应100%对锁紧垫片进行检查,否则可能导致锁紧垫片无法提供足够的支撑,不能抵抗螺母的旋转。

图6 锁紧垫片折弯边完全贴合

6.2 锁紧结构设计原因

锁紧垫片需固定在蜗轮上,锁紧垫片是带有开口折角结构的标准件,折角厚度为1 mm,而蜗轮定位孔宽度为3 mm,理论上锁紧垫片在蜗轮定位孔宽度方向有2 mm的活动空间。蜗轮定位孔如图7所示。随着定日镜长时间运行及受风载振动影响,锁紧垫片可能会发生移位,并超出0.5 mm的最大间隙要求,从而可能导致俯仰角驱动器锁紧结构螺母返退,并造成定日镜损坏的潜在风险。

图7 蜗轮定位孔

对此,可以选取带自锁功能的螺母。螺栓螺母结构依靠螺栓螺母之间的相对摩擦力实现预紧力,并达到自锁。理论上,当螺纹升角小于螺纹当量摩擦角时,螺栓螺母结构可以达到自锁条件,即无论如何施加载荷,轴向力在螺纹斜面的分量都小于螺纹结构的最大静摩擦力。但是在实际应用场景中,受力条件比较复杂,并且会受到各种因素的影响,如温度、材料特性、载荷振动、空气湿度等,具备一般自锁功能的螺纹结构也可能会产生松动。

应选择螺纹升角小的螺纹,同时选取具有自锁设计的螺母结构。对于滚珠丝杠的端部螺栓螺纹设计,应与选用的螺母结构相匹配,从而提高螺母自锁能力的可靠性,避免发生螺母返退导致俯仰角驱动器失效。

还需要提高俯仰角驱动器的承载能力。现场对失效的俯仰角驱动器进行分析时,发现相当部分的螺母结构螺纹被剪切损坏,说明定日镜在极端天气时承受了极大载荷。通过具备资质的第三方机构对随机选取的俯仰角驱动器进行相关力学测试,俯仰角驱动器拉力测试结果如图8所示。

图8 俯仰角驱动器拉力测试结果

俯仰角驱动器设计载荷为20 kN左右的拉力,即当俯仰角驱动器轴承受20 kN拉力时,不发生损坏,则俯仰角驱动器满足设计要求。测试时俯仰角驱动器在受到接近30 kN的拉力时依然完好无损,锁紧结构未发生破坏。测试结果证明俯仰角驱动器满足设计要求,螺母螺纹结构可承受20 kN的设计载荷。但是,现场发现螺母螺纹发生了剪切损坏,如图9所示。

图9 螺母螺纹剪切损坏

现场出现这一现象,说明定日镜受到较强的风载影响,俯仰角驱动器或因承受超出设计值的拉力而导致损坏,或因制造工艺控制不严导致锁紧垫片与螺母先行松脱,螺母螺纹不断受到振动冲击力,使螺纹遭到剪切破坏。因此,在设计中需加强对该部位的安全冗余设计,同时需对加工制造工艺进行严格把控。

6.3 极端天气影响

光热电站项目现场一般位于沙漠或戈壁地区,长年处于大温差、高盐、高湿、大风的不利气象条件之下,比较容易出现极端恶劣天气。在定日镜破损现场,风速曾在15 min内达到并超过十级。这一时间短于定日镜回至安全位所需要的响应时间,造成定日镜过长时间暴露在强风之下。因此需要加强对极端天气的预警报告,寻求气象部门帮助,充分利用项目周边的气象站设施,增加天气预报频次。

7 现场应急处理方案

俯仰角驱动器的运行安全关系到定日镜的稳定运行及安全,甚至影响项目的顺利发电与交付。因此,基于俯仰角驱动器技术规范,制订了一套俯仰角驱动器维护方案。

对锁紧结构按照技术规范进行加固,逐个排查隐患,并及时更换损坏的螺母结构,避免因质量控制问题对定日镜运行安全造成影响。

8 俯仰角驱动器失效对策

(1) 加强气象预测监测。沙漠或戈壁中气候条件变幻莫测,沙尘暴往往短时间内就会生成,并有可能产生大风,单纯依靠项目的气象预测系统难以满足项目运行的需求。因此,需寻求第三方合作,采集第三方气象预报数据及周围气象站数据,进行预测,并综合卫星云图、降水云图等,在自动预警系统的基础上,结合人工进行判断,增强气象预报预警的安全冗余,使定日镜在极端天气来临前能够安全回位。

(2) 优化定日镜回位时间。需要进一步开发定日镜快速回位的指令程序,一方面加强气象预警,另一方面加速定日镜回位,使定日镜尽可能提前回到安全位。一般定日镜从睡眠位置,即镜面垂直地面回到安全位的响应时间为15～25 min,因此需要优化回位程序,加快定日镜电机的运行速度,缩短定日镜的回位时间。

(3) 优化定日镜安全冗余设计。在设计阶段,需要对定日镜各系统部件进行进一步优化,如对定日镜主要的抗风载受力部件俯仰角驱动器加强力学安全冗余设计。具体为增加俯仰角驱动器的振动测试、寿命测试,优化锁紧结构设计,采用具有自锁功能的螺母,同时加强对锁紧垫片折弯工艺的质量控制,列入质量控制检查点,确保工序100%合格后才能出厂。

9 结束语

根据十四五可再生能源规划,我国进一步明确了新能源发展方向,基于风、光、储互补型新能源的大基地建设是未来的导向。根据规划,大基地项目基本上含有塔式光热电站。截至目前,我国在建、拟开发的光热电站项目总装机容量已超过4 GW。因此,对塔式光热电站关键技术的突破及项目中积累的运维经验,可以为新的光热电站项目的开发提供重要指导。

笔者对光热电站项目中出现的定日镜俯仰角驱动器失效原因进行分析,采取修复措施及时处理现场出现的问题,为今后光热电站项目定日镜关键设备的设计优化、测试验证、生产制造、现场安装、缺陷修复等积累经验,并提供参考。