故障處理過(guò)程及分析
在輪轂用變槳操縱板轉動(dòng)葉片，故障面葉片從92°～0°調槳，葉片運動(dòng)較為平穩;從0°～92°，葉片采用快速電池收槳該面葉片振動(dòng)明顯。
為進(jìn)一步收集故障現象，機組在故障風(fēng)速段并網(wǎng)運行，同時(shí)，通過(guò)機艙人機界面觀(guān)察變槳電機的溫升狀況，故障面的變槳電機溫度快速升至90℃以上，迅速超過(guò)變槳電機風(fēng)扇啟動(dòng)溫度。然而，進(jìn)輪轂發(fā)現，變槳電機風(fēng)扇并沒(méi)有啟動(dòng)。再檢查變槳電機插頭端子的風(fēng)扇供電，正常。再給故障面的變槳電機風(fēng)扇外加230V電源，風(fēng)扇也正常。該變槳系統的變槳電機風(fēng)扇啟動(dòng)開(kāi)關(guān)設在變槳電機內。如變槳電機風(fēng)扇的啟動(dòng)開(kāi)關(guān)損壞，則需更換變槳電機。
因懷疑變槳電機風(fēng)扇啟動(dòng)開(kāi)關(guān)有問(wèn)題，于是更換變槳電機。然而，更換變槳電機后，在8～12米/秒風(fēng)速段運行，該面的變槳電機溫度迅速超過(guò)140℃。再追溯以前的維修記錄，此前，該面葉片曾因此兩次更換變槳電機。這就是說(shuō)，已三次更換變槳電機，均宣布無(wú)效。
給故障面的變槳軸承手動(dòng)注油以后，機組在故障風(fēng)速段并網(wǎng)運行，雖然故障面仍比其他兩面的變槳電機溫度高，溫度時(shí)常在110～130℃左右，但變槳電機溫度能穩定在140℃以下，暫時(shí)不會(huì )報“變槳電機溫度高”停機。
綜合幾方面分析：故障面葉片快速電池順槳時(shí)，有異常振動(dòng);三次更換變槳電機無(wú)效;給故障面的變槳軸承手動(dòng)注油后，變槳電機溫度高的問(wèn)題有明顯改善?？梢源_定“變槳電機溫度高”停機，應當由變槳軸承損壞造成，而與變槳電機風(fēng)扇啟動(dòng)無(wú)關(guān)。要徹底解決“變槳電機溫度高”問(wèn)題，需要更換變槳軸承。
該故障的信息收集與故障分析的難點(diǎn)：故障機組早在2009年就開(kāi)始投運，運行時(shí)間已超過(guò)11年。由于各種原因，三面變槳軸承均有不同程度的損傷，均存在變槳電機電流偏大、溫度偏高的問(wèn)題，不能僅通過(guò)變槳電機電流的比較發(fā)現問(wèn)題。加之，機組故障停機時(shí)，風(fēng)速較大，氣溫很低，變槳電機很容易降溫和散熱;噪音大，很難通過(guò)聲音判斷變槳電機風(fēng)扇是否啟動(dòng);在操縱葉片、收集故障信息時(shí)，沒(méi)有筆記本電腦;配合處理故障的人員不足。
故障處理的啟示與心得
1、準確地收集故障信息是正確判斷機組故障的前提。
第一，收集的故障信息不準確造成故障分析、判斷的偏差，備件和發(fā)電量的損失。
維修人員在收集故障信息時(shí)，觀(guān)察變槳電機的溫度值與進(jìn)輪轂觀(guān)察變槳電機風(fēng)扇是否啟動(dòng)之間存在時(shí)間差。在集控室，或機艙看到變槳電機溫度很高，而每次進(jìn)輪轂觀(guān)察到的現象是變槳電機風(fēng)扇沒(méi)有啟動(dòng)。從而造成了誤判，并錯誤地多次更換變槳電機，這大大地增加了處理故障的時(shí)間。
該機組報故障是冬天、大風(fēng)季節，在機艙里觀(guān)察變槳電機溫度時(shí)，不能通過(guò)聲音判斷輪轂里的變槳電機風(fēng)扇是否啟動(dòng);該變槳系統的變槳控制器上沒(méi)有設計顯示界面，不便于在輪轂里查看變槳電機溫度，通常是在機艙或集控室察看變槳電機的溫升狀況。在風(fēng)大期，鎖輪轂難度大，在機艙里察看了變槳電機溫度后，然后再進(jìn)輪轂觀(guān)察變槳電機風(fēng)扇是否啟動(dòng)，這之間的時(shí)間差會(huì )進(jìn)一步增大。
另一方面，實(shí)際情況是變槳電機風(fēng)扇的啟動(dòng)、工作均正常，在機組停機后，變槳電機溫度迅速下降。再者，外界氣溫較低，加劇了變槳電機散熱和傳熱，進(jìn)一步加速了變槳電機溫度的降低。當維修人員進(jìn)輪轂，變槳電機溫度已降到較低的溫度，變槳電機風(fēng)扇的啟動(dòng)開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷開(kāi)。因此，每次看到的現象都是變槳電機風(fēng)扇沒(méi)有工作，從而產(chǎn)生誤判。這使得機組的停機時(shí)間大大增加。
及時(shí)、準確地收集信息是正確判斷故障的前提。如果察看變槳電機溫度與觀(guān)察變槳電機風(fēng)扇啟動(dòng)是同時(shí)進(jìn)行，那么，維修人員就能觀(guān)察到變槳電機風(fēng)扇啟動(dòng)的真實(shí)情況，也就不會(huì )產(chǎn)生誤判。
第二，沒(méi)能借助變槳調試軟件操縱葉片和收集信息，致使收集的信息出現錯誤。
如果現場(chǎng)人員操縱葉片，不是采用變槳操縱板，而是運用筆記本電腦。一方面，在輪轂使用變槳調試軟件操縱葉片不間斷地轉動(dòng)，變槳電機溫度不斷上升。另一方面，通過(guò)變槳調試界面仔細地觀(guān)察故障面變槳電機的溫升狀況。當變槳電機溫度升至變槳電機風(fēng)扇啟動(dòng)溫度以上時(shí)，自然就能觀(guān)察變槳電機風(fēng)扇啟動(dòng)的真實(shí)情況。這樣就能極其便捷地知道，故障并非是變槳電機風(fēng)扇啟動(dòng)所致。
現場(chǎng)維修人員不能借助調試軟件檢查機組及部件故障，會(huì )使收集信息不準確，判斷故障困難，甚至產(chǎn)生誤判。從而大大增加了機組的維修時(shí)間。有的風(fēng)電場(chǎng)沒(méi)有給現場(chǎng)人員配備足夠的筆記本電腦，大大降低了收集故障信息的準確性和便捷性。
有不少主控、整機廠(chǎng)家沒(méi)有從現場(chǎng)運維的角度去考慮機組主控的軟硬件設計，以及設計出與之配套專(zhuān)門(mén)用于現場(chǎng)維修的主控軟件。給準確收集機組信息，現場(chǎng)維修、維護帶來(lái)了極大的不便。有的機組甚至把機組絕大部分的基本信息均儲存在后臺，而不是主控。這不僅使給現場(chǎng)機組維修收集故障信息帶來(lái)不便，而且，還可能因數據包丟失或環(huán)網(wǎng)通訊中斷，造成機組基本數據的丟失。設計者更沒(méi)有考慮提供專(zhuān)門(mén)用于機組維修、維護的主控軟件。這無(wú)疑給現場(chǎng)準確收集信息增加了障礙，帶來(lái)了困難。
2、不適當的功率控制方式、錯誤的超速參數設置縮短了變槳軸承使用壽命。
當機組報“變槳電機溫度高”停機時(shí)，還有一個(gè)極其重要的現象，風(fēng)速通常是在8～12米/秒。這就是說(shuō)，機組在8米/秒風(fēng)速以下，或12米/秒以上運行時(shí)，機組很少，或不會(huì )報此故障停機。
究其原因如下：
第一，機組并網(wǎng)后的葉片運動(dòng)方式?jīng)Q定了變槳軸承在某個(gè)位置損傷以后，不能通過(guò)適當措施使故障位置有所偏移。
在通常情況下，機組并網(wǎng)后，葉片度數固定在最大迎風(fēng)面位置不變，或只在很小范圍內做進(jìn)槳、順槳的往復運動(dòng)，而不會(huì )做整圈運動(dòng)。葉片的某個(gè)度數與變槳軸承的內圈、外圈以及變槳軸承齒圈之間的相對位置始終是固定不變的。如因機組葉片在0°～8°之間的區間范圍內頻繁變槳，造成了變槳軸承的嚴重磨損，并出現“變槳電機溫度高”問(wèn)題，則不能通過(guò)適當的方式使變槳軸承的故障位置有所偏移，解決0°～8°區間范圍內的變槳軸承損傷問(wèn)題。
這就是說(shuō)，在某個(gè)度數范圍，如因頻繁變槳造成了變槳軸承的內外圈之間或變槳軸承齒圈嚴重磨損，造成了變槳電機嚴重過(guò)流、異響等問(wèn)題，則只有更換變槳軸承，才能使問(wèn)題得到根本解決。
第二，不適當功率控制方式使變槳軸承使用壽命縮短。
該82型故障機組同步轉速為1500rpm，并網(wǎng)運行范圍1000～2000rpm。采用的功率控制方式：首先，嚴格按照葉片設計的葉尖最佳速比控制葉輪轉速，風(fēng)速大小決定葉輪轉速的高低。其次，再根據風(fēng)能大小確定給定扭矩。因此，隨著(zhù)風(fēng)速的增加，葉輪轉速迅速增加，當增加到額定轉速以后，風(fēng)速再繼續增加，功率控制的目標轉速將不再變化。其后，隨著(zhù)風(fēng)速的增加，只能增加給定扭矩。
這種功率控制方式，隨風(fēng)速的增加，轉速上升得很快。在8米/秒風(fēng)速左右就達到了額定轉速1800rpm，距機組的最大運行轉速2000rpm，僅有200rpm，此時(shí)，機組功率還遠未達到額定功率1.5MW。如遇極端陣風(fēng)，就必須順槳。在陣風(fēng)過(guò)后，又需再次進(jìn)槳。在8～12米/秒風(fēng)速段，順槳、進(jìn)槳頻繁，從而不可避免地造成變槳軸承使用壽命的縮短。
另一方面，超過(guò)8米/秒風(fēng)速，轉速已升至1800rpm，受轉速裕度的限制，不能充分利用葉輪進(jìn)行儲能，吸收陣風(fēng)帶來(lái)的風(fēng)能。在機組還未達到1.5MW滿(mǎn)負荷發(fā)電時(shí)，完全可以通過(guò)適當功率控制方式使之不變槳。不僅可以增加發(fā)電量、延長(cháng)變槳軸承壽命，而且，還能延長(cháng)變槳系統休眠期，減少變槳系統故障機率和備件用量。
風(fēng)速在8米/秒以下，葉輪轉速較低，轉速裕度大，陣風(fēng)來(lái)臨通常也不會(huì )變槳。變槳電機不工作，自然不會(huì )出現“變槳電機溫度高”的問(wèn)題;當風(fēng)速在12米/秒以上，雖然機組不停地調槳，但葉片在這些位置上運動(dòng)較少，變槳軸承磨損小，因此，也不會(huì )報“變槳電機溫度高”停機。
以上分析可知，在8～12米/秒風(fēng)速段，機組報“變槳電機溫度高”停機，這與采取的功率控制方式有著(zhù)必然的聯(lián)系。
第三，該機型錯誤的超速參數設置加劇了槳軸承壽命損壞。
該機型因執行錯誤的超速參數，必然會(huì )導致機組報超速停機。當機組轉速升至額定轉速1800rpm以后，遇到極端陣風(fēng)會(huì )觸發(fā)超速停機。為處理該機型的超速停機問(wèn)題，只能通過(guò)修改變槳控制參數等盡可能地把機組轉速穩定在1800rpm左右，又進(jìn)一步使機組的變槳次數增加。并且，該機型執行錯誤的超速參數設置已超過(guò)10年，至今仍未得到糾正，從而加劇了變槳軸承的損壞。
合理的超速參數，不僅能保證機組在極端風(fēng)況條件下不會(huì )報超速停機，而且，還能充分地保證葉輪儲能，保護變槳軸承、變槳電機等機組零部件。詳細的超速參數設置原理可參見(jiàn)，本人去年撰寫(xiě)的論文：《雙饋風(fēng)電機組的轉速控制與超速參數設置》、《雙饋風(fēng)電機組轉速控制與失控分析》和《風(fēng)電機組超速問(wèn)題案例分析》，分別刊登在《風(fēng)能》2019年第6、7和8期上。
3、多年來(lái)的現場(chǎng)實(shí)踐證明，Mita主控WP3100所采用的功率控制方式較優(yōu)，值得學(xué)習和借鑒。
Mita主控WP3100所采用的功率控制方式，除充分考慮跟葉尖最佳速比提高機組效率之外，還充分考慮并保證了葉輪儲能所需的轉速裕度，保護變槳軸承等機組重要部件。
其功率控制方式是：在機組到達額定功率之前，機組轉速隨風(fēng)速的增加而增加。在轉速上升的同時(shí)，扭矩也隨之增加。當機組轉速在1600rpm以下時(shí)，葉尖最佳比是功率控制考慮的主要因素，轉速上升速率較快，扭矩上升速率較慢;轉速在1600rpm以上時(shí)，隨著(zhù)風(fēng)速的增加，轉速上升速率很慢，扭矩上升速率較快;機組達到滿(mǎn)負荷時(shí)，功率控制目標轉速和扭矩均不再增加，此時(shí)，按額定轉速和額定扭矩較為穩定地控制機組功率，按滿(mǎn)負荷功率進(jìn)行變槳調節。
在機組達到額定功率之前，功率控制的目標轉速低于額定轉速值，并且，在機組轉速較高時(shí)，隨轉速的增加，扭矩急劇增加，當陣風(fēng)來(lái)臨，機組增加功率輸出的同時(shí)，增加機組轉速，這樣可以使葉片一直處于最大迎風(fēng)面位置，不順槳。這樣，即便是在10米/秒風(fēng)速的情況下，出現極端陣風(fēng)，也可以不順槳。只有當持續風(fēng)能超過(guò)機組滿(mǎn)負荷功率1.5MW時(shí)，葉輪才會(huì )通過(guò)順槳釋放出過(guò)多的能量。 因此，機組在額定風(fēng)速之前，葉片均可由槳電機剎車(chē)器制動(dòng)，使變槳系統長(cháng)期處于休眠狀態(tài)。
就這種葉輪直徑為82米的82型機組來(lái)說(shuō)，如果按照Mita主控WP3100的功率控制方式，只有超過(guò)機組的滿(mǎn)負風(fēng)速時(shí)，葉片才會(huì )順槳。這不僅能充分吸收陣風(fēng)帶來(lái)的能量;還能有效地減小陣風(fēng)對機組的沖擊;延長(cháng)變槳軸承等重要部件的使用壽命;減少變槳系統耗電;降低變槳系統故障機率和備件用量。
因此，我們在實(shí)施控制功率控制策略時(shí)，應充分理解，并認真學(xué)習和研究國外一流廠(chǎng)家的先進(jìn)經(jīng)驗。綜合考慮提高機組效率、部件壽命以及維護和維修成本等多種因素，方能在機組壽命期內使度電成本最低。
4、不正確的注油方式縮短變槳軸承的使用壽命。
在處理故障時(shí)，當變槳軸承手動(dòng)注油以后，變槳電機溫升狀況得到了明顯改善。這說(shuō)明變槳軸承內部潤滑不足，這是變槳軸承壽命縮短的又一重要因素。
變槳軸承注油方式應根據機組環(huán)境條件的不同而不同。“常溫型”機組因機組所處環(huán)境的氣溫較高，潤滑脂粘性較小，可采用自動(dòng)注油方式;而在內蒙古地區的“低溫型”機組，冬天氣溫很低，潤滑脂粘性很大，自動(dòng)潤滑油泵很難把潤滑油打到變槳軸承內，采取手動(dòng)注油更能保證變槳軸承的充分潤滑，避免不必要的變槳軸承損壞。
