兆瓦级风力发电机组液压系统国产化研制.pdf

2 0 1 3年 5月 第 4 1 卷 第 l 0期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I C S M a v 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 1 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 0 ． 0 3 8 兆瓦级风 力发电机组液压 系统 国产化研制 孙红梅 ， 1 ．北京电子科技职业学院，北京 1 0 0 0 2 9 ；2 ． 高明 北京京城新能源有限公司，北京 1 0 0 0 4 0 摘要液压变桨相对于电动变桨具有响应快、变桨平稳、安全可靠等优点 ，在兆瓦级风力发电机组被普遍采用。针对 液压系统国产化过程中所面临的问题，从我国大部分风场特有的气候条件和使用特点出发，提出了液压系统国产化的技术 参数、元件材料选型要求和设计计算方法，研制出一套具有 自主知识产权的风力发电机组变桨液压系统，并通过了风场的 实际使用考核。 关键词 风力发 电；液压变桨 ；国产化 ；材料要求 中图分 类号 T H1 3 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 l 01 1 2 4 Lo c a l i z a t i o n De v e l o p o f Hy dr a u l i c Sy s t e m i n M e g a wa t t - c l a s s W i n d Po we r Ge n e r a t o r S UN Ho n g me i ， GAO Mi n g 1 ． B e i j i n g P o l y t e c h n i c ，B e i j i n g 1 0 0 0 2 9 ，C h i n a ； 2 ． B e i j i n g J i n g c h e n g N e w E n e r g y C o ． ，L t d ． ，B e i j i n g 1 0 0 0 4 0，C h i n a Ab s t r a c t As c o mp are d w i t h e l e c t ri c p i t c h， h y d r a u l i c p i t c h h a v i n g t h e me ri t s o f f a s t r e s p o n s e ， s t a b l e p i t c h ， s a f e a n d r e l i a b l e， w h i c h i s g e n e r a l l y u s e d i n t h e me g a w a t t c l a s s w i n d p o w e r g e n e r a t o r ． Ai mi n g a t t h e p r o b l e ms f a c e d b y t h e l o c a l i z a t i o n p r o c e s s o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m， c o n s i d e rin g t h e u n i q u e c l i ma t i c c o n d i t i o n s a n d u s e c h a r a c t e ris t i c s i n t h e mo s t o f w i n d f a r ms i n C h i n a，t h e l o c a l i z a t i o n o f t e c h n i c a l p ara me t e m o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m a n d s e l e c t i o n r e q u i r e me n t s f o r c o mp o n e n t ma t e ri als a n d d e s i g n c a l c u l a t i o n me t h o d s we r e p u t for w a r d ． T h e h y d r a u l i c s y s t e m f o r wi n d t u r b i n e p i t c h wi t h i n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u al p r o p e r t y rig h t s i s d e v e l o p e d ， an d i s p a s s e d t h e a s s e s s me n t o f a c t u a l u s e i n t h e wi n d f a r m． Ke y wo r d s W i n d p o we r g e n e r a t i o n； Hy d r a u l i c p i t c h； L o c ali z a t i o n； Ma t e ria l r e q u i r e me n t s 兆瓦级风力发 电机组是 目前各风机制造商研发的 主流产品，然而由于这种机组性能的要求，其体积必 然十分庞大 。这样就要求在生产和发 电等过程 中所 需的动力系统和调节系统有大功率的输出、可靠的控 制精度、 所占空间少等特点。液压系统拥有符合上述 要求的特性 单位体积小 、质量轻 、 动态响应好 、 扭矩 大并且无需 变速机构 ，所 以在风 电行业 中液压 变桨 系统得 到广 泛应用 。 目前 ，随着 国内企业研 发和加工水平的提高，叶片、轴承、齿轮箱、制动系 统等很多部件都较好地实现了国产化 ，金风、华锐等 公 司也 已经成 功地 实现 兆瓦级 风力发 电机组 的生产 和 吊装 ，且应用情 况 良好 。本文主要从 风机的实 际低温 工作环境 出发 ，介 绍 了工 作介质 液压油 、电机泵 组 、 蓄能器、油缸等几个主要部件的设计计算和选型，从 这几个方面 阐述风机液压变桨系统的国产化。 1 液压变桨的优势 在风力发电技术比较发达的国家，如德国、丹麦 等 ，在大 型兆瓦级 的风力发 电机组上普遍采用液压变 桨的控制方式。液压变桨与电动变桨相比，具有如下 优势 1 驱动力矩大、变桨平稳。对于兆瓦级的风 力发 电机组 ，桨 叶长度 达 4 0 m，需 要 的变桨 力矩较 大。液压变桨系统通过油缸带动桨叶转动，最高工作 压力为 1 6 MP a ，最大输出力达 1 9 0 k N，使变桨过程 平稳可靠 。 2 变桨 速度 快 。液压 变桨 的 油缸 直接 带 动桨 叶转动 ，没有中间环节 ，变 桨速度快 。而 电动变桨 因 为功率限制，电动机需要经过多级减速才能驱动桨叶 转动 ，变桨速度慢 。 3 安全性高。液压变桨系统使用蓄能器作为 备用动力 ，当电源失去时，依靠蓄能器内储存的能量 驱 动桨叶 回到顺桨位置 。电动变桨无论使用蓄 电池还 是超级 电容 ，可靠性差 ，易出现故 障。 这些优势使得液压变桨更适合应用于大型兆瓦级 风力发电机组上 。 我国的风力发 电主要 是走 引进 技 术 国产 化 的道 收稿 日期 2 0 1 2 0 71 6 基金项目北京市教委科研基地国家高等职业教育综合改革试验区资助项 目 作者简介孙红梅 1 9 7 8 一 ，女，博士研究生，讲师，主要研究方向为流体传动与控制。E ma i l s u n h 0 n g me i 3 4 1 2 s o hu ．c o rn 。 第 1 O期 孙红梅 等兆瓦级风力发电机组液压系统国产化研制 1 1 3 路 。液压 系统 作为 风力 发 电机 组 的关 键 部件 ，往往 整套从国外采购，成本很高。另外 ，我国的风力资源 集中在北方地区，冬季极端气温很低 ，必须使用低温 型液压 系 统。低 温 型 风 力 发 电机 组 的 温 度 要 求 为 一 3 0℃工作 ，一 4 5℃生存，而国外的液压系统基本 上都只能满足最低 一2 0℃的工作要求。所以，低温 型变桨液压系统的研制既可以打破国外对变桨液压系 统的垄断 ，又能适应我国风机实际使用的需要 ，具有 重要 的现实意义 和商业价值 。 2 液压元件及其材料的理论分析与设计计算 2 ． 1 液 压 油的 选择 风力发 电机组 的液压系统工作环境在夏季和冬季 温差很大 ，对液压油 的要求很高 ，要求液压油 的黏度 指数要高 ，即油的黏度不能受温度影响太大。同时， 液压系统在低温下工作 ，要求液压油在低温下具有 良 好 的流动性 ，满足 液压泵 和液压 阀的工作要求 。 根据这个要求 ，选择 3 种液压油进行对 比 ，其性 能对 比见表 1 。 表 1 3种液压油的参数对比 通过 比较 3种液压油 的各项参数 ，可知壳牌得力 士A r c t i c 3 2最适合应用于风力发电机组液压系统。该 液压油既能保证低温的启动性能又能保证高温时的润 滑性 能 ，适应温度 范围广 。 2 ． 2 电机泵组的选型要 求 电机泵组用于输出液压系统工作所需的压力油。 一 旦 电机泵组 出现故 障 ，就会造成整套液压 系统停止 运行 。所 以 ，电机泵组是液压 系统 的关键元件 ，对可 靠性要求很高。同时，电机泵组长期不间断运行 ，对 寿命也有很高的要求。 电动机采用特殊定 制的低 温型电动机。电动机 功 率 3 0 k W，工作电压 6 9 0 V、5 0 H z ，防护等级 I P 5 5 ， 绝缘等级 F级。为了能在低温下工作，该电动机还配 有加热带 、金属风叶及用于低温 的轴承润滑脂 。在 电 动机停止 时加热带工作 ，避免低温下 电机 因结露而烧 毁。考虑到低温情况下液压油的黏度 比较高 ，要求油 泵的自吸性能要好。选择力士乐公司的内啮合齿轮泵 作为液压系统的主油泵，该油泵启动黏度达21 0 I l 1 2 ／ s ，可在黏度 为 5 1 0 m ／ s 的条件 下长期 工作 ， 适合 于在 一 3 0℃的温度下 连续 工作。 2 ． 3 蓄能器的设计计算 蓄能器对 于 风力 发 电机 组变 桨 液压 系统 至 关重 要 。系统中共 有两组 蓄能器 一组 为主蓄能器 ，负责 向液压系统提供压力，保证油泵间歇工作；另一组为 安全蓄能器，当液压系统失去动力时 ，利用蓄能器内 储存的能量推动桨叶回到顺桨位置。 选择蓄能器时需要考虑在低温下蓄能器的寿命和 低温对蓄能器有效容积的影响。对于普通的皮囊式蓄 能器 ，皮囊材料为丁氰橡胶 ，当温度低 于 一1 0℃ 时 ， 该橡胶件就会产生冷脆现象，在充油放油的过程中极 易损坏 。如果要在 一 3 0℃温 度下 工作 ，皮 囊必 须选 用耐低温的E C O材料或低温丁晴橡胶。 下面 比较一 下不 同温度 下 蓄能器 有 效容 积 的 变 化 。 把蓄能器充放油过程按照绝热过程考虑，根据公 式 1 计算蓄能器的有效容积 1 ／1 1、 △ p g v 0 ‘ p 一 p-- T -J 式 中 A V为蓄能器 的有效容积 当压力 由P 变 为 P 时蓄能器 排出的油量 ； 为蓄能器容积 ； K为绝热系数，K1 ． 4 ； P 为蓄能器充气压力 ，系统 中为 6 b l P a 2 0℃ 时数值 ； P 为 蓄 能 器 最 低 工 作 压 力 ，系 统 中 为 6 ． 5 MP a P 为蓄能器 最高工作 压力，系统 中为 l 6 ． 5 MP a 。 在不 同温度下 ，根据公式 2 计算 不 同温 度下 蓄能器的有效容积 p AV 常数 2 式 中 为绝对温度 K 。 计算结果如表 2所示。 表 2 不 同温度下蓄能器的有效容积 AV L 温度／ C 一 3 0 2 0 0 2 0 4 0 3 5 L蓄能器 l 3 ． 3 0 1 3 ． 8 5 1 4 ． 9 5 1 6 ． 0 4 1 7 ． 1 3 5 O L蓄能器 1 9 ． o o 1 9 ， 7 8 2 1 ． 3 5 2 2 ． 9 1 2 4 ． 4 7 2 4 ． 5 L蓄能器 9 ． 3 1 9 ． 7 0 1 0 ． 4 6 1 1 ． 2 3 1 2 ． O 0 根据计算结果可知 在低温下蓄能器的有效容积 会减少 。 主蓄能器采用 3个 5 0 L的蓄能器 ，在低温下有 1 1 4 机床与液压 第 4 1 卷 效容积总共减少 1 1 ． 7 L ，可以通过增加泵 的启 动时间 来弥补 。而对于安全蓄能器 ，其储存的能量用作停电 状 态下驱动桨叶到顺 桨位 置 ，功能 十分重要 。所 以， 低温下需采用 2个 2 4 ． 5 L蓄能器替代 1 个 3 5 L蓄能 器来作为安全蓄能器 ，以保证有足够能量来推动安全 油泵动作 。 2 ． 4油缸 的 设计 液压系统共有 3 个 控制油缸 和 3个安全油缸来完 成变桨功能。控制油缸受比例阀控制，根据功率输出 要求实时调节桨叶的角度；安全油缸接收风机安全系 统的信号，当出现停机信号时，推动桨叶回到顺桨位 置 。 油缸 的设计 重点要 考虑工作温度 和使用 寿命 。冲 击功是检 验材 料 寿命 的一个 重 要指 标 ，经 过低 温测 试 ，普通 的碳 钢材 料 如 4 5号钢 在 一4 0℃左 右 时 ，冲击功下降，不适合用作油缸筒体 的材料。而 Q 3 4 5 E材料 ，在 一4 0℃的冲击功大于 2 7 J ，故选择 Q 3 4 5 E材料作为油缸筒 的材料 。 对于 Q 3 4 5 E材料 制 成 的油缸 筒体 ，强度 校核 如 下 油缸体壁厚按下面公式计算 蕊 取 p 2 5 MP a D 0 ． 1 2 5 m 3 4 5 MP a ，取 n 2 ，则 [ o r ] 1 7 2 ． 5 M P a 计算得 ，6 ≥9 ． 7 m m 设计 中取 6 1 2 ． 5 m m，可 以保证 足够 的安 全 系 数 。 对于活 塞 杆 ，选 择 4 0 C r N i M o A材料 。活 塞杆 直 径 d 6 5 l n l n ，因为 ≥1 0 d ，所 以要进行压杆稳定性 校核 。 E J1 0 一 式中 E 2 1 0 1 0 M P a ； J0 ． 0 4 9 a s； K 1； LB0． 9 m。 计算得 ，F 2 2 3 8 1 2 1 N F ≤ ，取 n 3 ． 5 ，得 F≤6 3 9 4 6 3 N 当P 2 5 MP a时，F 3 0 6 7 9 6 N6 3 9 4 6 3 N ， 压杆稳定性符合要求。 3 试验测试与使用考核 在消化吸收国外先进技术的基础上，结合我国风 场的实际使用情况，研制出低温型的风机变桨液压系 统样机 。为检 验样 机 的各 项性 能指 标及 考核 使 用效 果 ，对样机进行 了性能测试和实际使用考 核。 3 ． 1 常规 试验 按照 “ 液压系统通用技术条件”的要求，在常 温下对风机变桨液压系统进行性能试验。试验 内容包 括 耐压试验 、油泵承卸载试验 、内泄漏试 验 、跑合 试验、加载试验、控制闭环试验等。经过试验，各项 静动态指标均达到 了设计要求 。 3 ． 2低 温试验 风机变桨液压系统要求能在 一 3 0℃温度下工作 ， 一 4 5℃温 度下 生存 。为检验 低温下的各项性能指标 ， 对样机进行了低温工作试验，就是将样机置于低温箱 中 ，在低温下完 成各种 动作试 验 如 图 1 。低 温试 验过程如 下 1 将常温试验合格的样机置于低温箱 中，将 环境温度冷却至 一 3 0℃； 2 待 到油温 达到 一 3 0℃后启 动 电机 ，观察压 力和温度的变化 ； 3 通过驱 动各 电磁 阀 ，检 验液 压 系统 的各 个 动作 ； 4 比例阀 、油缸 、位移 传感 器组成 闭环 回路 ， 通过外加信号测量闭环运动曲线 ，与常温状态下的曲 线进行对 比； 5 系 统 停 机 ，将 温 度 冷 却 至 一4 5℃ ，保 温 1 2 h以 上 ； 6 将温度恢复 至 一 3 0℃ ，进 行液压 系统 的各 种 动作试验 ，检查各项指标及外泄漏 ； 7 将温度恢复到常温 ，在常温下重新进行试 验，将试验数据与低温试验前数据进行对 比分析。 图 1 低温试验 3 ． 3 油缸寿命试验 为考核油缸的长期工作性能，对油缸进行 了 2 O 万次动作试验。 选取一套控制油缸和一套安全油缸，组成相互加 载回路进行测试。测试压力为 1 0 MP a ，动作速度为 第 1 0期 孙红梅 等兆瓦级风力发电机组液压系统国产化研制 1 1 5 1 0 0 m m ／ s ，油缸行程为 4 5 0 m m。 ， 经过 2 0万次动作试验后 ，测试油缸的滞缓率曲 线 如图2 和内泄漏量与测试前对 比，滞缓率曲线 没有变化 ，内泄漏量从 0增加到 2滴／ m i n 。可以证 明 两套油缸经过 长期工作 以后 ，各方 面性能 指标都 没有 下降 。 图2 控制油缸的滞缓率曲线 3 ． 4实际使 用考核 完成各项试验之后 ，样 机安装 在内蒙古霍林 河风 场 ，进行实际发 电考核 。经过两年的运行 ，国产 化的 变桨液压系统各项性能指标完全能满足风机 的使用要 求，已经超过进口产品的水平。 4结论 结 合我国风场主要分 布在内蒙 、东北 、西北地 区 的实 际情况 ，在消化 吸收国外先进技术 的基础上 ，研 制的低温型风机变桨液压系统能满足风机的使用需 要 ，并通过了实际使用考核。这套液压系统的研制 ， 填补 了我 国兆 瓦级 风力 发 电机 组变 桨 液压 系统 的空 白，打破了国外供应商垄断的局面，大大降低了风力 发 电机组 液 压 系 统 的采 购 价 格 ，初 步 预 计 将 降 低 3 0 ％ ，为国内风机设备供应商生产成本的降低起到了 积极的作用 。 参考文献 【 1 】胡东 ， 赵湘文， 蔡旭． 基于 S i m H y d r a u l i c s 的兆瓦级风机 液压型变桨系统仿真[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 9 ， 3 7 1 0 2 052 08． 【 2 】田亚平 ， 刘绍杰． 兆瓦级风力发电机桨距机构设计及分 析[ J ] ． 沈阳理工大学学报 ， 2 0 0 5 4 4 3 4 6 ． 【 3 】陈晓波， 林勇刚， 李伟． 基于 B l a d e d 的电液比例变桨距． 风力机半物理仿真平台 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 6 1 2 1 1 61 1 7． 【 4 】孟晓凤 ， 邹文杰． 一种 7 5 0 k W 风力发电机组的液压变 桨机构[ J ] ． 科技与生活， 2 0 1 0 1 6 1 3 7 ， 1 7 0 ． 【 5 】王树强， 刘绍杰． 兆瓦级风力发 电机液压变桨距系统设 计及建模[ J ] ． 沈阳工业学院学报， 2 0 0 4 3 3 23 4 ． 【 6 】屈 圭， 梅沪光 ， 吴晓丹． 大型风电机综合液压系统设计 [ J ] ． 机电产品开发与创新， 2 0 0 9 7 2 93 1 ． 【 7 】叶航冶． 风力发 电控制系统 [ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 2 ． 【 8 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