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滑環故障分析及優化方案

2021-03-01
滑環為風力發電機組變槳系統提供動力電源,并負責控制系統和變槳系統的通訊數據傳輸和安全鏈信號的連接。雖然滑環在整個風力發電機組中所占整機價值比例非常低,但是滑環整體性能、可靠性及工作壽命卻會直接影響整機的性能和可靠性。由于早期滑環的原始設計缺陷和后期維護等各方面問題導致滑環造成的故障越來越多,給風電場造成了較大的經濟損失。本文以某型號滑環故障大量引發變槳安全鏈信號斷開問題進行分析并提出優化升級方案,并制定該型號滑環的中長期維護計劃,以最經濟的方式增加機組穩定性,減少機組故障停機時間和備件更換成本,提高風電場經濟效益。
隨著我國風電行業的持續快速發展,據中國風能協會(CWEA)資料數據顯示,截止到 2015 年底,我國風電累計裝機容量已達1.45億千瓦,累計裝機臺數92981臺,年發電量1863億千瓦時,占全部發電量的3.3%,風力發電已經成為我國第一大新能源發電技術。然而由于風電發展前期市場競爭非常劇烈,各主機廠商設備供應價格不斷降低,同時國外公司的技術壟斷以及采購規范等問題,導致我國大量風電機組設備采購價格和質量不斷下降,機組在運行過程中出現大量問題,機組更換備件成本居高不下,某風電場 2015年故障統計結果如圖1和圖2所示。
從圖 1和圖2可以看出,變槳故障和安全鏈故障次數占據風場全部故障次數的67.18%,故障時間占總故障時間的67%,而在變槳及安全鏈故障中,大部分又是由于機組滑環故障引起的。因此,針對滑環引起的故障進行優化升級并制定滑環的后期維護計劃對于風電機組的穩定性及提高風電場經濟效益就顯得至關重要。本文基于已有風場數據及故障信息資料,首先分析國內風場滑環運行及維護現狀,針對該風場滑環故障提出技改方案,并對滑環中長期維護策略進行探討并制定出詳細方案。
圖1 某風電場2015年故障次數統計
圖2 某風電場 2015年故障時間統計
滑環發展及維護現狀
根據我國各大主機廠商的市場份額及各自的技術類型統計,我國風電機組使用電動變槳系統份額高達79%,據此估算我國現階段運行機組滑環占有量高達六萬五千臺左右。而且隨著我國風電裝機容量以20%~30%的速度增長,預計很長一段時間內我國的風電滑環都將保持高速增長。
由于技術壁壘和壟斷,我國早期風電機組中所使用滑環大部分從國外進口,隨著國內不斷引進并吸收國外滑環先進設計和生產技術,目前國內一些企業已經具備生產出高性能優質滑環的技術實力。相關國內各風電機組滑環使用情況調查研究表明,國產滑環實際運行中的表現已經完全可以和進口滑環相媲美,同時國產滑環在價格、售后服務質量等方面完全超越進口滑環,而且國內滑環生產企業已經能夠針對缺陷滑環提供不同的升級產品和服務解決方案。因此,我國風電滑環市場將向國產滑環逐步替代進口滑環并占據市場主導地位過渡。
通過調查發現目前國內大量風電場在運行兩年以后滑環會集中出現大量故障,主要表現為滑環密封性能不足導致軸承進入橡膠粉末卡死軸承以及滑道污染嚴重導致變槳安全鏈信號閃斷,給機組運行帶來嚴峻考驗。由于進口滑環廠家并不提供五年質保期的免維護服務,而現場運維人員又對滑環維護缺乏必要的了解和專業維護技術以及必要的工具、備件,導致滑環出現問題后無法得到有效的維護,所以很多風電場都是對滑環進行簡單的清洗,由于沒有專用潤滑油,滑道和電刷無法進行有效的潤滑,而這又會進一步加速滑環的老化。
滑環故障原因分析
新疆某風電場裝機總量為98MW,于2012年建設并投入運行。該風場機組均使用德國的滑環產品。2015年4月份起,該風電場大量機組報出安全鏈繼電器2故障,現場通過中控室對安全鏈進行復位后機組恢復正常,再次啟動機組后仍然頻報出該故障。通過機組監控軟件錄取故障波形發現安全鏈繼電器2故障主要原因為安全鏈繼電器2回路24V信號斷開約20~100ms,從而引發PLC模塊檢測信號丟失,機組報出安全鏈繼電器2故障,而機組安全鏈繼電器2實際并未斷開,初步判斷為滑環電刷振動導致安全鏈信號瞬時斷開觸發主控故障,如圖3所示。
圖3 安全鏈故障波形
隨后通過拆卸滑環進行檢查發現,導電環道內有大量的橡膠粉末污染;電刷彈力下降導致轉子轉動時電刷振動大,信號傳輸易中斷;轉動轉子極其困難,拆卸軸承發現軸承內部進入大量橡膠粉末污染物,軸承內無潤滑油脂。上述問題表明該型號滑環設計存在重大缺陷,滑環機械密封性能無法滿足要求,導致軸承及轉子污染嚴重。由于該風場所使用滑環采購時并未提供技術和維護服務,所以無法得到廠家的質保維護。
滑環故障優化解決方案設計
考慮該風場滑環大量出現故障,導致機組故障頻發,首要的目標是通過技改提高滑環穩定性,通過加強維護來提高滑環使用壽命。
1 控制系統電路改進
通過安全鏈繼電器2故障波形看出,故障主要原因是由于振動導致滑環定子電刷跳動,而安全鏈繼電器2輸入PLC信號來自于安全鏈2主回路上,所以在安全鏈信號環道上電刷跳動時,會引起安全鏈信號斷開,如圖4所示。
圖4 安全鏈繼電器2電路圖
從圖中看出,PLC監控安全鏈繼電器2 OK信號來自于安全鏈2信號回路 N1#34 輸入點,如果滑環故障導致回路短時間斷開,則主控安全鏈信號也會隨之斷開,但是安全鏈繼電器2并未斷開。也就是說,主控是實時監控安全鏈回路信號的,但是由于繼電器的動作時間比信號中斷時間長,安全鏈繼電器 K65.6并未動作。
為了解決上述問題,我們可以增加一個二級繼電器 K65.8 來實現信號隔離,并通過 K65.6 的輔助觸點控制 K65.8繼電器,同時將 PLC監控安全鏈繼電器2 OK 信號接至K65.8繼電器上端,如圖5所示。
圖5 安全鏈繼電器2改進方案電路
這樣,即使安全鏈信號出現閃斷,由于其信號閃斷時間小于繼電器的斷開動作時間,只要 K65.6繼電器未動作,PLC安全鏈輸入信號就不會出現中斷。一般電磁繼電器的斷開動作時間為 0.3~0.5S之間,這樣,通過改進電路,可以有效避免信號閃斷引起的故障。
2 增加電刷觸點數量
該滑環預留了一個四通道備用信號通道,目前在機組中并未使用,為了提高安全鏈信號可靠性,可以將備用信號線和安全鏈信號線合并使用,通過這種方式增加安全鏈信號的電氣觸點數量,將原來單槽雙電刷結構改為雙槽四電刷結構,進一步提高了信號的穩定性。
滑環長期維護策略
由于目前我國棄風限電現象比較嚴重,風場年度經濟效益并不樂觀,如果在滑環出現故障就更換新的滑環,這樣將會進一步給風電場經濟效益帶來負面影響,該風電場滑環在機組運行兩年后滑環就集中爆發大量故障,一部分是由于滑環設計存在缺陷導致,一部分是由于滑環制造材料性能不夠導致質量下降造成的。因此需要就該風電場滑環中長期維護制定相應計劃。
1 備件采購
該風電場有 50臺機組,針對滑環現階段運行情況,建議采購 2~5個滑環現場備用。目前,國內滑環制造企業已經可以提供性價比很高的產品,并提供老舊滑環的升級和替代產品,建議采購國產滑環替代進口滑環。
同時,建議采購一定數量的滑環備件和維護工具及物料,如無水酒精、軟毛刷、熱風槍、電纜哈丁接頭,以方便后期維護使用。
2 缺陷整改
由于該型號滑環存在設計缺陷,現場需要對這些缺陷制定相應整改措施并盡快實施。針對滑環密封性能不夠,導致通心軸內部粉塵大量進入滑環內部,可以在通心軸PVC管處增加一級密封,保證污染物被有效隔離, 這樣可以避免滑環軸承及導電環道和電刷污染。 針對軸承出廠未進行潤滑問題, 建議將1~2臺機組該型號滑環使用備件進行替換,對替換下來的滑環進行整體維護,對軸承清洗并使用油脂潤滑,然后再進行更換并交替維護,這樣既不影響機組的運行,維護也可以正常進行。
3 定期維護
滑環的定期維護和機組定期維護時間應該同步,一般為半年進行一次。同時,頻繁的清洗滑環可能會對滑環使用壽命有一定影響,建議在定期維護時對滑環導電環道進行檢查,并視情況決定是否維護;清洗時嚴禁使用油基清洗劑以防對環道和電刷腐蝕;清洗時禁止拆卸電路板,清洗完使用熱風槍烘干,對每個導電環道滴入一滴潤滑油。
4 優化升級
該型號滑環是國內某公司代理德國產品,其產品在國內售后服務價格相對較高;同時,由于國內代理商獨家壟斷,從市場上采購該滑環的電刷備件必須通過該公司,而該公司給出的報價居高不下,購買一臺滑環的備件數量的價格已經接近購買一臺新滑環的價格。
通過調查研究,目前我國風電滑環主要采用兩種結構的滑環:硬金環/合金電刷結構和銀銅合金環/碳纖維電刷結構。而該型號滑環是采用的硬金環/合金電刷結構設計的。隨著材料技術的發展,目前國內滑環企業大多采用銀銅合金環/纖維刷結構,制造成本相對較低。因此可以通過尋找第三方滑環公司在后期需要更換電刷時將硬金環/合金電刷結構更換為銀銅合金環/纖維刷結構,采用這種更換滑環方案價格較為合理,大約為單臺滑環價格的六分之一左右,這樣可以大幅降低滑環后期的維護成本。
結語
通過對滑環故障進行深入分析,對控制系統電路改進、增加安全鏈信號導電環道電刷數量,該風場滑環故障得到有效控制,故障次數大幅減少。所制定的滑環后期維護計劃,可有效提高滑環使用壽命,并在滑環電刷和導電環道的備件更換方案上大幅減少維護費用,具有很高的經濟性和實用性。
來源:《中國風電后市場專題研討會論文集》
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