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海上风力发电机组齿轮箱维护现状及解决方法

发布日期:2015/6/12 11:38:17  (阅次)
  所属频道:   风力发电     关键词:  海上风电  齿轮箱  油液监测

1、海上风力发电齿轮箱维护现状

1.1 齿轮箱在双馈风力发电机组的作用

风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件,其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。通常风轮的转速很低,远达不到发电机发电所要求的转速,必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现,故也将齿轮箱称之为增速箱。根据机组的总体布置要求,有时将与风轮轮毂直接相连的传动轴(俗称大轴)与齿轮箱合为一体,也有将大轴与齿轮箱分别布置,其间利用涨紧套装置或联轴节连接的结构。为了增加机组的制动能力,常常在齿轮箱的输入端或输出端设置刹车装置,配合叶尖制动(定浆距风轮)或变浆距制动装置共同对机组传动系统进行联合制动。

1.2 海上风电对运行维护的考验

近年来,海上风电技术发展迅速,海上风电场的数目和装机容量不断增加,但是由于海上风电场较陆上风电场的工作环境更加恶劣,如盐雾的腐蚀、台风的破坏、海浪的载荷和海上撞击物( 主要是海冰) 的影响,如何提高海上风机的可靠性和利用率就成为研究重点和亟待解决的问题。通常情况下,陆上风电场设有运行维护中心,对风机的维护也相对简单,不易受天气等因素的影响。而海上风电场由于工作环境恶劣,螺栓及接触点等一些易损部件的失效加快,机械和电气系统的故障率也会大幅上升,需要增加检修和维护的频率。另外,由于环境的特殊性,海上风电场中如果发生机组故障,由于天气原因维护人员可能数月都不能到达故障点,且出海维修需要动用大型工程船进行运输与吊装,费用也十分昂贵 。为了使每台风机的投资尽量最小化,海上风电场的运行维护需要从长远角度来制定合理的维护和检修计,而维护和检修计划的制定则是基于对风电机组的状态监测、故障预测和诊断的。

为此,针对海上风电场的运行维护,对海上风电机组的齿轮箱状态监测与故障诊断以及风机监控系统提出了严峻的考验。

1.3 现有的齿轮箱维护方式

1.3.1 齿轮箱的故障率以及维修所耗费的时间

齿轮传动是机械设备中设备中最为常用的传动方式之一。风电齿轮箱运行状态的正常与否直接关系到整台机组的工作状况。据有关资料统计,齿轮箱发生故障有40%的原因是由于设计、制造、装配及原材料等因素引起的,即是由制造单位设计制造引起的;另有43%的原因是由于用户维护不及时和操作不当引起的;还有17%的原因是由于相邻条件(如电机、联轴节等)的故障或缺陷引起的。当然,风电齿轮箱故障原因是否有这比例关系,还要经过统计得出。由此可见,为了确保风电齿轮箱安全、正常地运行,提高齿轮传动的可靠性,一方面需要改进设计、提高加工制造精度以及改善装配质量,另一方面则必须提高运行管理和维护水平,对齿轮传动装置进行状态监测和故障诊断。

再者,由于齿轮箱的故障发生一般为突发故障,这样的故障往往面临着没有备品备件、维修周期长(一般为两个月)。单单从这些浪费的发电量就是一个可观的金额。针对1.5MW的路上风机发生的每一次事故,发电量损失基于0.54元每度,30%的风机利用率来说,60天损失的发电量约为60x24x1500x30%x0.54=349920元,随时尤为客观。

1.3.2 现有的齿轮箱维护方式

风力发电机组齿轮箱的日常运行维护内容主要包括:设备外观检查、噪音测试、油位检查、油温、电气接线检查等。具体工作任务包括:持续大风天气时,在中控室应注意观察齿轮油温、轴承温度;登机巡视风力发电机组时,应注意检查齿轮箱油位,检查齿轮泵接线、箱体及润滑管路有无渗漏现象,外设的润滑管路有无松动,清洁齿轮箱;离开机舱前,应开机听齿轮箱及齿轮泵运行有无异常声音。利用油标尺或油位窗检查油位是否正常,借助玻璃油窗观察油色是否正常,发现油位偏低应及时补充并查找具体渗漏点,及时处理。如果滤清器压差传感器报警应尽快更换滤芯,检查滤芯是否有铁屑并彻底清洗内部,如有较多铁屑应该化验齿轮箱润滑油品,通过化验结果,判断齿轮箱是否有潜在的危险。将新的滤芯安装到机组上后,应开机听齿轮泵和齿轮箱运行声音是否正常,观察齿轮泵出口压力表,压力是否正常。

除了以上的常规维护,业主普遍采用离线油液实验室进行油液分析,每年两次对润滑油进行理化分析和磨粒分析,用来判断设备的运行情况。

再者,按照我们国家的相关要求,要在我国1.5MW以上的风机采取标配振动在线监测的手段对齿轮箱的异常振动进行监测,用来判断设备故障的发生。

1.4 齿轮箱维护方式的瓶颈或遇到的问题

离线油液分析即实验室分析,它主要基于石油产品质量评定方法、光谱元素分析与铁谱技术,从设备润滑系统或液压系统中取出一小瓶样品,送到实验室进行检测,并依靠专家经验对设备的油质状态、污染状态与磨损状态进行评价并给出指导建议,全部结果输入计算机系统,以方便查阅并形成历史趋势。 

离线监测是目前油液分析的主要形式,在为汽车、港口、石化、冶金、制气、化工、石油开采、运输、水泥、电力等行业的大型压力机、大型减速箱、气体压缩机、高精度伺服液压系统、大型燃气透平机、大型水轮机组等关键设备的润滑磨损状态分析中发挥了重要的作用。但是,离线监测也存在一些固有的问题。

1.4.1 技术上的问题

1)检测消耗时间太长。目前油液分析实验室采用的是石油产品质量评定的标准方法与检测实验室的管理体系,需要时间长,一般完成一个样品的检测全过程需要二到五天时间。检测结果精确,但事实上在状态监测中更注重的是趋势而不是数据的精度。

 2)部分检测仪器价格昂贵,体积庞大,不适合在企业一级推广使用。

3)分析铁谱对人员素质的依赖较大,不适合大面积推广以及检测流程的提速。

1.4.2 应用中的问题

1)取样不一定有代表性。有些大型润滑系统的用油量可到几十立方,而离线监测的取样量一般只有几百毫升。典型磨损颗粒被稀释而不一定能够被及时发现。 

2)送检周期太长。一般从取样到送至最近的专业油液实验室,到得到分析报告,需要几天甚至几个星期时间。  

3)应用地域有限制。有些交通不便的企业或取样不便的设备很难开展定期的离线监测。如远洋船舶与风电齿轮箱。

而对于在线式的振动监测,检测的WAV波形对于业主来说很难进行分析,而如果要达到一个很好地监测目的,这些分析需要收费,而且价格不菲。另外,振动监测往往受到外界的干扰比较严重。例如在风电机组转速随着风速的上升,振动值也会超标。另外如果随着其他部件的振动,齿轮箱会存在共振的可能性,这都使振动在线监测处在一个尴尬的境地。业主普遍反映振动监测一般没有用处,这些问题主要集中在虚报误报频繁,数据繁杂需要专业人员分析这些方面。

2、解决方法

2.1基于智能维护的管理理念提出

智能维护系统是在状态维护基础上发展起来的一种全新的预测性维护方式,其目的在于实现设备接近于零故障的运行效率。通过融入嵌入式智能代理技术和性能衰退预测技术,智能维护不仅提供了设备性能衰退监测的低成本解决方案,也使得企业在制定维护计划和准备维护资源(如备品备件)时的时间余量更为充足。特别是在备品备件的库存管理上,智能维护可使维护所需的备品备件库存大幅降低,从而为企业节约维护所需的库存成本。2002年,智能维护被美国财富杂志评选为未来制造业最热的三项技术之一。

我国从2006年开始大面积采用风机发电,大多数风电机组已经运行了5年,齿轮箱故障无法避免。随着机组运行对间的加长,目前这些机组陆续出现了故障(包括风轮叶片、电机、增速齿轮,及控制系统等),导致机组停止运行,严重影响发电量,造成经济损失。

目前,中国风电场主对运行维护的预算比较低,维护费用可以做得很便宜,但长期来看不值,3年、5年好对付,一旦风机运行超过10年,维护成本会有一个迅速上升的趋势。这时,风机的故障会越来越多,问题也会越来越大,前面少花的钱会在这个时期补回来,而且还影响风机的寿命。而选用合适的维护方法,则可以让风机在保持高可利用率的前提下,运行25年到30年。国外风机场主这方面已经走在了前面。目前有很多国际知名企业已把智能维护技术作为企业的主要发展战略以促进维护策略从平均故障间隔到平均衰退间隔的转变,实现企业设备和产品在其生命周期中近乎零的故障发生率,从而大大提高国际市场的竞争力。

2.2油液监测对降低风电机组维护成本的影响

2.2.1 提高风电机组可靠性

风电机组机械设备中的主齿轮箱,作为传动机构,对风力发电起着极其重要的作用。该齿轮箱具有造价高、维修困难的特点,由齿轮、轴承等摩擦副构成,以高粘度齿轮油予以润滑。润滑方式是基于集中循环润滑系统的强制式润滑。正常情况下,各摩擦副处于边界润滑状态,以正常的磨损速率运行。但当在用齿轮油被污染、油质下降、供油不足等造成润滑不良时,非正常的磨损状态出现了,会瞬间产生巨大磨损颗粒,或磨损率上升导致磨损颗粒数量显著增加。如果对此置若罔闻,任其发展,势必造成主齿轮箱相关摩擦副异常磨损,使相关摩擦副出现磨损故障,甚至导致严重的安全事故。而等主齿轮箱出现故障后再去维修,不仅会因停机造成发电损失,而且维修费用也将数倍或数十倍地增加。

由于主齿轮箱在用齿轮油中含有磨损下来的磨粒和污染杂质,带有丰富的摩擦学信息,通过油液监测技术,定期取样检测在用齿轮油,测定在用齿轮油的理化性能,分析磨损颗粒和污染杂质,监控风电机组齿轮箱的润滑状态和磨损状态,使齿轮箱总是处于良好或正常的润滑状态和磨损状态,同时也能及时发现润滑隐患和由润滑不当造成的故障隐患,提前预测故障萌芽,及时消除故障隐患,不因停机而耽误发电生产,以最小的代价换取齿轮箱的正常运行,最大限度地延长风电机组齿轮箱的使用寿命,从而产生显而易见的效益。从这个意义上说,对风电机组实施油液监测,提高了风电机组的可靠性,降低了机组维护成本。

譬如,龙源集团开展油液监测工作已有三年,三年来共检测 15000 多台次,其中提出警告 973 台次,提出润滑状态异常、建议换油或采取其他措施的 454 台次,有效地避免了磨损故障的发生,提高了风电机组的可靠性,在一定程度上降低了维护成本。图 1 示出了龙源集团三年来油液监测结果。

值得一提的是,由于油液监测工作能较早发现磨损故障隐患,可能在较短时间内不一定出现故障,也难有被现场及时确认的手段,油液监测的结果有时难于一时被风电场所验证,因而个别风电场对油液监测持有异议。这可以理解,但这种理念需要更新。因为根据油液监测结果,在用润滑油不能满足使用要求时,就会存在风电机组有关摩擦副磨损加剧、有关摩擦副点蚀严重、极压条件下摩擦副磨损失效等安全隐患。如不及时消除,势必造成摩擦副磨损失效和磨损故障,风电机组有关部件就达不到设计寿命,其可靠性就大打折扣。

2.2.2 降低润滑成本

通过油液监测将定期换油变为按质换油,即根据油液监测结果决定是否更换新油,可使风电场节省可观的润滑成本。润滑油是由基础油和各种添加剂组成。在用齿轮油使用过程中,一旦齿轮油的各种添加剂耗尽、本身严重氧化、粘度发生严重变化,齿轮油的各种性能就下降,或者一旦齿轮油被严重污染,都会造成在用齿轮油不能满足使用要求的后果。此时就必须立即更换。然而,在用齿轮油虽有

成分轻微变化,性能轻微下降,油品稍有污染,使用年限超过齿轮箱制造商或供油商建议的年限,但经检测,在用齿轮油的各种性能仍能满足使用要求,就可以继续使用而不必更换。一般说来,风电机组主齿轮箱所用的合成齿轮油,齿轮箱制造商建议使用3 年就需更换。供油商近几年则建议换油期为 3 5 年。如果按油液监测结果进行按质换油,就可能超过了齿轮箱制造商或供油商建议的使用期限,这样就延长了换油周期,节省了换油费用,降低了润滑成本。

以龙源集团某风电场为例。该风电场使用的是全合成齿轮油。油品供应商推荐的换油周期为 3 5 年。该风电场风电机组齿轮箱在用油已使用近 6 年,经定期取样检测,发现该在用齿轮油各项指标均正常,仍能满足使用要求,建议风电场继续使用,取得了较好的经济效益。因此,根据油液监测结果实施按质换油,不能满足使用要求的要及时换掉,能满足使用要求的要继续使用,既可以保证机组设备处于良好的润滑状态,又能避免定期换油造成的换油成本浪费。从这个意义上说,也降低了润滑成本。

2.3 保障风电机组润滑的可靠性

通过油液监测对风电场所用新润滑油品实施把关,主要包括所购新油油品是否合格、注入到主齿轮箱的油品是否正确等三个方面。有信誉的供油商都能提供第三方检验合格证明,保证油品质量,但个别供油商有时以次充好、以假充真。如果应用了这样的润滑油,轻则造成磨损故障,重则造成严重的安全事故。入库前如有疑问,可以根据需要进行质量抽检,以保证所购油品质量。库存新油油品是否变质是一个常被风电场所忽略的问题。新油入库后,由于温度、湿度、灰尘等各种环境因素的影响,其性能会有不同程度的劣变。储存时间越长,劣变程度越大。一般来说,如果保存得当,全合成油品可保存三年或更长。但由于环境因素的不确定性,加之储存措施难免不周,如存储时间过长,所以最好在使用前进行一次抽检。通过检测,以确定油品质量是否可靠。这可以有效避免因油品劣化导致润滑不良而产生磨损故障或事故。对刚刚注入到主齿轮箱的齿轮油短时间内进行一次检查十分必要。因为这既可以有效避免共组人员因疏忽大意而用错油,又可验证换油是否规范。因疏忽大意用错油的案例在许多行业并不鲜见,所以风电行业也要特别注意。更换新油要有严格的程序,如不严格遵守,就会出问题。例如,旧油冲洗不彻底,就可能导致新油污染等。

 

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