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風力發電機組偏航系統詳細介紹

2016-07-11

偏航系統是水平軸式風力發電機組必不可少的組成系統之一。偏航系統的主要作用有兩個。其一是與風力發電機組的控制系統相互配合,使風力發電機組的風輪始終處于迎風狀態,充分利用風能,提高風力發電機組的發電效率;其二是提供必要的鎖緊力矩,以保障風力發電機組的安全運行。風力發電機組的偏航系統一般分為主動偏航系統和被動偏航系統。被動偏航指的是依靠風力通過相關機構完成機組風輪對風動作的偏航方式,常見的有尾舵、舵輪和下風向三種;主動偏航指的是采用電力或液壓拖動來完成對風動作的偏航方式,常見的有齒輪驅動和滑動兩種形式。對于并網型風力發電機組來說,通常都采用主動偏航的齒輪驅動形式。
1.偏航系統的技術要求
1.1. 環境條件
  在進行偏航系統的設計時,必須考慮的環境條件如下:
1). 溫度;
2). 濕度;
3). 陽光輻射;
4). 雨、冰雹、雪和冰;
5). 化學活性物質;
6). 機械活動微粒;
7). 鹽霧。
8). 近海環境需要考慮附加特殊條件。
  應根據典型值或可變條件的限制,確定設計用的氣候條件。選擇設計值時,應考慮幾種氣候條件同時出現的可能性。在與年輪周期相對應的正常限制范圍內,氣候條件的變化應不影響所設計的風力發電機組偏航系統的正常運行。
1.2. 電纜
  為保證機組懸垂部分電纜不至于產生過度的紐絞而使電纜斷裂失效,必須使電纜有足夠的懸垂量,在設計上要采用冗余設計。電纜懸垂量的多少是根據電纜所允許的扭轉角度確定的。
1.3. 阻尼
  為避免風力發電機組在偏航過程中產生過大的振動而造成整機的共振,偏航系統在機組偏航時必須具有合適的阻尼力矩。阻尼力矩的大小要根據機艙和風輪質量總和的慣性力矩來確定。其基本的確定原則為確保風力發電機組在偏航時應動作平穩順暢不產生振動。只有在阻尼力矩的作用下,機組的風輪才能夠定位準確,充分利用風能進行發電。
1.4. 解纜和紐纜保護
  解纜和紐纜保護是風力發電機組的偏航系統所必須具有的主要功能。偏航系統的偏航動作會導致機艙和塔架之間的連接電纜發生紐絞,所以在偏航系統中應設置與方向有關的計數裝置或類似的程序對電纜的紐絞程度進行檢測。一般對于主動偏航系統來說,檢測裝置或類似的程序應在電纜達到規定的紐絞角度之前發解纜信號;對于被動偏航系統檢測裝置或類似的程序應在電纜達到危險的紐絞角度之前禁止機艙繼續同向旋轉,并進行人工解纜。偏航系統的解纜一般分為初級解纜和終極解纜。初級解纜是在一定的條件下進行的,一般與偏航圈數和風速相關。紐纜保護裝置是風力發電機組偏航系統必須具有的裝置,這個裝置的控制邏輯應具有最高級別的權限,一旦這個裝置被觸發,則風力發電機組必須進行緊急停機。
1.5. 偏航轉速
  對于并網型風力發電機組的運行狀態來說,風輪軸和葉片軸在機組的正常運行時不可避免的產生陀螺力矩,這個力矩過大將對風力發電機組的壽命和安全造成影響。為減少這個力矩對風力發電機組的影響,偏航系統的偏航轉速應根據風力發電機組功率的大小通過偏航系統力學分析來確定。根據實際生產和目前國內已安裝的機型的實際狀況,偏航系統的偏航轉速的推薦值見表5。

  偏航系統是水平軸式風力發電機組必不可少的組成系統之一。偏航系統的主要作用有兩個。其一是與風力發電機組的控制系統相互配合,使風力發電機組的風輪始終處于迎風狀態,充分利用風能,提高風力發電機組的發電效率;其二是提供必要的鎖緊力矩,以保障風力發電機組的安全運行。風力發電機組的偏航系統一般分為主動偏航系統和被動偏航系統。被動偏航指的是依靠風力通過相關機構完成機組風輪對風動作的偏航方式,常見的有尾舵、舵輪和下風向三種;主動偏航指的是采用電力或液壓拖動來完成對風動作的偏航方式,常見的有齒輪驅動和滑動兩種形式。對于并網型風力發電機組來說,通常都采用主動偏航的齒輪驅動形式。
1.偏航系統的技術要求
1.1. 環境條件
  在進行偏航系統的設計時,必須考慮的環境條件如下:
1). 溫度;
2). 濕度;
3). 陽光輻射;
4). 雨、冰雹、雪和冰;
5). 化學活性物質;
6). 機械活動微粒;
7). 鹽霧。
8). 近海環境需要考慮附加特殊條件。
  應根據典型值或可變條件的限制,確定設計用的氣候條件。選擇設計值時,應考慮幾種氣候條件同時出現的可能性。在與年輪周期相對應的正常限制范圍內,氣候條件的變化應不影響所設計的風力發電機組偏航系統的正常運行。
1.2. 電纜
  為保證機組懸垂部分電纜不至于產生過度的紐絞而使電纜斷裂失效,必須使電纜有足夠的懸垂量,在設計上要采用冗余設計。電纜懸垂量的多少是根據電纜所允許的扭轉角度確定的。
1.3. 阻尼
  為避免風力發電機組在偏航過程中產生過大的振動而造成整機的共振,偏航系統在機組偏航時必須具有合適的阻尼力矩。阻尼力矩的大小要根據機艙和風輪質量總和的慣性力矩來確定。其基本的確定原則為確保風力發電機組在偏航時應動作平穩順暢不產生振動。只有在阻尼力矩的作用下,機組的風輪才能夠定位準確,充分利用風能進行發電。
1.4. 解纜和紐纜保護
  解纜和紐纜保護是風力發電機組的偏航系統所必須具有的主要功能。偏航系統的偏航動作會導致機艙和塔架之間的連接電纜發生紐絞,所以在偏航系統中應設置與方向有關的計數裝置或類似的程序對電纜的紐絞程度進行檢測。一般對于主動偏航系統來說,檢測裝置或類似的程序應在電纜達到規定的紐絞角度之前發解纜信號;對于被動偏航系統檢測裝置或類似的程序應在電纜達到危險的紐絞角度之前禁止機艙繼續同向旋轉,并進行人工解纜。偏航系統的解纜一般分為初級解纜和終極解纜。初級解纜是在一定的條件下進行的,一般與偏航圈數和風速相關。紐纜保護裝置是風力發電機組偏航系統必須具有的裝置,這個裝置的控制邏輯應具有最高級別的權限,一旦這個裝置被觸發,則風力發電機組必須進行緊急停機。
1.5. 偏航轉速
  對于并網型風力發電機組的運行狀態來說,風輪軸和葉片軸在機組的正常運行時不可避免的產生陀螺力矩,這個力矩過大將對風力發電機組的壽命和安全造成影響。為減少這個力矩對風力發電機組的影響,偏航系統的偏航轉速應根據風力發電機組功率的大小通過偏航系統力學分析來確定。根據實際生產和目前國內已安裝的機型的實際狀況,偏航系統的偏航轉速的推薦值見表5。

表5偏航轉速推薦值

風力發電機組功率(kw) 100~200 250~350 500~700 800~1000 1200~1500偏航轉速(r/min) ≤0.3 ≤0.18 ≤0.1 ≤0.092 ≤0.085 1.6. 偏航液壓系統  并網型風力發電機組的偏航系統一般都設有液壓裝置,液壓裝置的作用是拖動偏航制動器松開或鎖緊。一般液壓管路應采用無縫鋼管制成,柔性管路連接部分應采用合適的高壓軟管。螺接管路連接組件應通過試驗保證偏航系統所要求的密封和承受工作中出現的動載荷。液壓元器件的設計、選型和布置應符合液壓裝置的有關具體規定和要求。液壓管路應能夠保持清潔并具有良好的抗氧化性能。液壓系統在額定的工作壓力下不應出現滲漏現象。  1.7. 偏航制動器  采用齒輪驅動的偏航系統時,為避免振蕩的風向變化,引起偏航輪齒產生交變負荷,應采用偏航制動器(或稱偏航阻尼器)來吸收微小自由偏轉振蕩,防止偏航齒輪的交變應力引起輪齒過早損傷。對于由風向沖擊葉片或風輪產生偏航力矩的裝置,應經試驗證實其有效性。  1.8. 偏航計數器  偏航系統中都設有偏航計數器,偏航計數器的作用是用來記錄偏航系統所運轉的圈數,當偏航系統的偏航圈數達到計數器的設定條件時,則觸發自動解纜動作,機組進行自動解纜并復位。計數器的設定條件是根據機組懸垂部分電纜的允許扭轉角度來確定的,其原則是要小于電纜所允許扭轉的角度。  1.9. 潤滑  偏航系統必須設置潤滑裝置,以保證驅動齒輪和偏航齒圈的潤滑。目前國內的機組的偏航系統一般都采用潤滑脂和潤滑油相結合的潤滑方式,定期更換潤滑油和潤滑脂。  1.10. 密封  偏航系統必須采取密封措施,以保證系統內的清結和相鄰部件之間的運動不會產生有害的影響。  1.11. 表面防腐處理  偏航系統各組成部件的表面處理必須適應風力發電機組的工作環境。風力發電機組比較典型的工作環境除風況之外,其他環境(氣候)條件如熱、光、腐蝕、機械、電或其他物理作用應加以考慮。  2.偏航系統的組成  偏航系統一般由偏航軸承、偏航驅動裝置、偏航制動器、偏航計數器、紐纜保護裝置、偏航液壓回路等幾個部分組成。偏航系統的一般組成結構見圖5。

  風力發電機組的偏航系統一般有外齒形式和內齒形式兩種。偏航驅動裝置可以采用電機驅動或液壓馬達驅動,制動器可以是常閉式或常開式。常開式制動器一般是指有液壓力或電磁力拖動時,制動器處于鎖緊狀態的制動器;常閉式制動器一般是指有液壓力或電磁力拖動時,制動器處于松開狀態的制動器。采用常開式制動器時,偏航系統必須具有偏航定位鎖緊裝置或防逆傳動裝置。
2.1. 偏航軸承
  偏航軸承的軸承內外圈分別與機組的機艙和塔體用螺栓連接。輪齒可采用內齒或外齒形式。外齒形式是輪齒位于偏航軸承的外圈上,加工相對來說比較簡單;內齒形式是輪齒位于偏航軸承的內圈上,嚙合受力效果較好,結構緊湊。具體采用內齒形式或外齒形式應根據機組的具體結構和總體布置進行選擇。偏航齒圈的結構簡圖見圖6。

  圖6偏航齒圈結構簡圖
(1)、偏航齒圈的輪齒強度計算方法參照DIN3990和GB3480《漸開線園柱齒輪承載能力計算方法》及GB6413《漸開線園柱齒輪膠合承載能力計算方法》進行計算。
(2)、偏航軸承部分的計算方法參照DIN281或JB/T2300《回轉支承》來進行計算,偏航軸承的潤滑應使用制造商推薦的潤滑劑和潤滑油,軸承必須進行密封。

2.2.驅動裝置
  驅動裝置一般由驅動電機或驅動馬達、減速器、傳動齒輪、輪齒間隙調整機構等組成。驅動裝置的減速器一般可采用行星減速器或蝸輪蝸桿與行星減速器串聯;傳動齒輪一般采用漸開線圓柱齒輪。傳動齒輪的齒面和齒根應采取淬火處理,一般硬度值應達到HRC55~62。驅動裝置的結構簡圖見圖7

圖7 偏航驅動裝置結構簡圖

2.3.偏航制動器
  偏航制動器一般采用液壓拖動的鉗盤式制動器,其結構簡圖見圖8。
(1)、偏航制動器是偏航系統中的重要部件,制動器應在額定負載下,制動力矩穩定,其值應不小于設計值。在機組偏航過程中,制動器提供的阻尼力矩應保持平穩,與設計值的偏差應小于5%,制動過程不得有異常噪聲。制動器在額定負載下閉合時,制動襯墊和制動盤的貼合面積應不小于設計面積的50%;制動襯墊周邊與制動鉗體的配合間隙任一處應不大于0.5mm。制動器應設有自動補償機構,以便在制動襯塊磨損時進行自動補償,保證制動力矩和偏航阻尼力矩的穩定。在偏航系統中,制動器可以采用常閉式和常開式兩種結構形式,常閉式制動器是在有動力的條件下處于松開狀態,常開式制動器則是處于鎖緊狀態。兩種形式相比較并考慮失效保護,一般采用常閉式制動器。
(2)、制動盤通常位于塔架或塔架與機艙的適配器上,一般為環狀,制動盤的材質應具有足夠的強度和韌性,如果采用焊接連接,材質還應具有比較好的可焊性,此外,在機組壽命期內制動盤不應出現疲勞損壞。制動盤的連接、固定必須可靠牢固,表面粗糙度應達到Ra3.2。
(3)、制動鉗由制動鉗體和制動襯塊組成。制動鉗體一般采用高強度螺栓連接用經過計算的足夠的力矩固定于機艙的機架上。制動襯塊應由專用的摩擦材料制成,一般推薦用銅基或鐵基粉末冶金材料制成,銅基粉末冶金材料多用于濕式制動器,而鐵基粉末冶金材料多用于干式制動器。—般每臺風機的偏航制動器都備有2個可以更換的制動襯塊。

2.4.偏航計數器

  偏航計數器是記錄偏航系統旋轉圈數的裝置,當偏航系統旋轉的圈數達到設計所規定的初級解纜和終極解纜圈數時,計數器則給控制系統發信號使機組自動進行解纜。計數器一般是一個帶控制開關的蝸輪蝸桿裝置或是與其相類似的程序。
  五、紐纜保護裝置
  紐纜保護裝置是偏航系統必須具有的裝置,它是出于失效保護的目的而安裝在偏航系統中的。它的作用是在偏航系統的偏航動作失效后,電纜的紐絞達到威脅機組安全運行的程度而觸發該裝置,使機組進行緊急停機。一般情況下,這個裝置是獨立于控制系統的,一旦這個裝置被觸發,則機組必須進行緊急停機。
3.偏航系統的維護
3.1. 偏航系統零部件的維護
  (1)、偏航制動器
  (2)、偏航軸承
  (3)、偏航驅動裝置
3.2. 偏航系統的維修和保養
4.偏航系統的常見故障
4.1. 齒圈齒面磨損
  原因:
  齒輪副的長期嚙合運轉;
  相互嚙合的齒輪副齒側間隙中滲入雜質;
  潤滑油或潤滑脂嚴重缺失使齒輪副處于干摩擦狀態。
4.2. 液壓管路滲漏
  原因:
  管路接頭松動或損壞;
  密封件損壞。
4.3. 偏航壓力不穩
  原因:
  液壓管路出現滲漏;
  液壓系統的保壓蓄能裝置出現故障;
  液壓系統元器件損壞。
4.4. 異常噪聲
  原因:
  潤滑油或潤滑脂嚴重缺失;
  偏航阻尼力矩過大;
  齒輪副輪齒損壞;
  偏航驅動裝置中油位過低。
4.5. 偏航定位不準確
  原因:
  風向標信號不準確;
  偏航系統的阻尼力矩過大或過小;
  偏航制動力矩達不到機組的設計值;
  偏航系統的偏航齒圈與偏航驅動裝置的齒輪之間的齒側間隙過大。
4.6. 偏航計數器故障
  原因:
  連接螺栓松動;
  異物侵入;
  連接電纜損壞;
  磨損。


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