兆瓦级风力发电机组液压制动系统的设计与应用.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／2 0 1 5年 第 0 2期 d o i l 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 1 6 兆瓦级风力发电机组液压制动 系统的设计与应用 董连俊 大连华锐重工集团股份有限公司 液压装备厂， 辽宁 大连1 1 6 0 3 5 摘 要 阐述了风力发电机组液压制动系统的工作原理， 针对兆瓦级风力发电机组对液压制动系统的高集成化、 高可靠性的要求 ， 对液 压制动系统进行深入研究探讨 ； 针对现场实际应用中容易出现的问题进行了分析 ， 并提出相应的解决方案。 关键词 风力发电机组； 液压系统； 制动系统 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 2 0 0 4 2 04 De s i g n a n d Ap p l i c a t i o n o f Hy d r a u l i c Br a k e S y s t e m f o r M e g a wa t t Gr a d e d W i n d T u r b i n e DO NGL i a n -j u n Hy d r a u l i c E q u i p me n t P l a n t o f Da l i a n H u a r u i He a v y I n d u s t r y G r o u p C o ． ， L t d ． ， Da l i a n 1 1 6 0 3 5 ， C h i n a Ab s t r a c t F o r t h e p u r p o s e o f h i g h i n t e g r a t i o n a n d h i g h r e l i a b i l i t y , t h i s p a p e r i n t r o d u c e s p r i n c i p l e o f h y d r a u l i c b r a k e s y s t e m f o r wi n d t u r b i n e ， a n d c o n d u c t s i n d e p th r e s e a r c h o f thi s s y s t e m． Ac c o r d i n g t o p r o b l e ms d u r i n g a p p l i c a t i o n ， p r o p o s e s c o r r e s p o n d i n g r e s o l v i n g s c h e me ． Ke y wo r d s wi n d t u r b i n e ； h y d r a u l i c s y s t e m ； b r a k e s y s t e m O 引言 风能作为一种储量极其丰富的可再生能源 ， 受到 世界各国的高度重视。尤其是在倡导低碳经济的今 天 ， 风 电市场快速发展 ， 大型风力发电机组正朝着多样 化和大功率化方 向不断前行 。近年来 ， 兆瓦级风力发 电机组属于大型、 重型装备， 工作环境恶劣 低温、 大风 沙 、 潮湿等 ， 前期投入成本很高 ， 通常风电机组需有 2 0 年以上的使用寿命 。鉴于以上 ， 风电机组在安全性方 面有想 防高的要求 。制动系统是风力发电机组的重要 安全装置 ， 在风机的正常运行过程 中发挥着不可替代 的作用 。 国产变桨距风力发电机组 的液压系统和刹车机构 均是一个整体， 主要功能是驱动风机偏航对风和紧急 状态 下对高 速轴 进行刹 车 ， 但 不参 与对 桨距 角 的控 制。在实际应用中， 大型风力发电机组的主轴制动、 偏 航制动 、 风轮锁定等功能的实现依赖于小体积 、 大功率 的液压系统。 1 液压系统原理 1 ． 1 主轴制动回路 主轴制动系统是风力发电机组安全链上的重要装 置， 就主轴制动本身的型式而言， 分为主动式液压制动 和被动式液压制动两种 ； 根据其在风力发电机组上的 收稿 日期 2 0 1 4 0 8 2 0 基金项 目 十二 五国家科技 支撑计 划项 目 2 O 1 2 B A A 0 l B 0 o 作者简介 董连俊 1 9 8 2 一 ， 男， 河北丰润人 ， 工程师， 硕士， 现从事液压 控制系统的设计研究工作。 42 安装位置不同， 分为低速轴制动和高速轴制动。现以 安装于风力发电机组高速轴位置的主动式液压制动系 统为例， 介绍主轴制动回路的原理， 见图1 。 图 1主轴 制动 回路原 理图 主轴制动器 l 1 为主动式液压制动器 ， 当制动油缸 内充人压力油时， 制动器制动 ， 泄压时制动器松 闸。风 力发电机组正常运行发电时 ， 电磁铁 Y1 、 Y 2同时得 电， 制动器1 2 油缸内无压力油， 制动器处于松闸状态； 需要 制动时 ， 电磁铁 Y1 、 Y2 同时失电， 压力油经 电磁换 向阀 7 进入制动器油缸 ， 实现制动。采用这种“ 失电制动” 控 制方式的优点是 ， 当出现系统掉电等故障时， 主轴制动 器 能够及 时制动 ， 避免风机严重超速发生危险 。节流 阀 1 0 起延时制动 的作用 ， 防止主轴制动器突然制动对 风机传动链造成冲击 ， 进而保护传动链上的部件不受 损害。 Hy d r a u l i c s P n e u m a t i c s S e a l s ／ No ． 0 2 ． 2 0 1 5 1 ． 2 偏航制动回路 同一 地 区的风力 和风 向在不 同时刻是 不断变 化 的 ， 为 了最 大限度地有效捕获和利用风能 ， 风力发 电机 组设置 了偏航驱动器 。偏航驱动是指使机舱相对塔架 旋转的机械装置 ， 其 目的是保持风力机正向迎风和背 离风向或者在 电缆过度纽缆时解缆。 偏航制动器一般为主动式液压制动器 。按 照风力 发电机组的工况要求 ， 偏航制动器有三种工作状态 完 全刹车 、 半刹、 松闸。当风力发电机组正常发电时， 需 要风轮正 向迎 风 ， 此 时利用偏航制动器 的完全刹车状 态使风轮 固定 ； 当风 向改变 ， 需要对 风时 ， 风轮在偏航 驱动 电机 的作 用下 实现偏航 ， 为 了防止偏航 时产生振 动 ， 同时保证偏航位置的精准性， 偏航制动器仍需提供 一 定 的摩擦 阻尼 ； 为了防止偏航过程中电缆过度扭 曲， 在风轮单方 向旋转一定 圈数 之后 ， 风轮需要反 向旋转 进行解缆 ， 此时偏航制动器完全松闸。因此液压系统 需要向偏航制动器提供三种压力状态 完全压力、 部分 压力 、 零压力 。图2 为偏航制动回路原理 。 图 2 偏航制动 回路原 理图 在 图示位置时 ， 偏航制动器完全刹车 ； 电磁铁 Y3 、 Y 4 同时得电， 偏航制动器松闸， 风力发电机组处于解缆 状态 ； 溢流 阀 l 7 设 定压力为偏航 压力 ， 电磁铁 Y3 、 Y 5 同时得电， 蓄能器 图中未画出 向偏航制动器提供压 力实现半刹， 风力发电机组正常偏航。 1 ． 3 风轮锁定回路 风力发电机组需要停机维护时， 风轮锁定装置用 于 固定 叶轮 的位 置 ， 以保证 维护人员 和设备 的安 全 。 风轮锁实际上是一个双作用液压缸， 利用液压缸活塞 杆的伸出与缩 回实现对风轮的锁定和解锁 。图 3 为风 轮锁定 回路原理。 电磁铁 Y 6 得 电， 压力油经该换 向阀进入风轮锁无 杆 腔 ， 活塞杆伸 出并进入锁 紧孔 内 ， 实现对 风轮的锁 定 ； 电磁铁 Y 7 得 电， 压力油进人风轮锁有杆腔 ， 活塞杆 从锁紧孔退回， 实现对风轮的解锁 。 图3 风轮锁定 回路原理 图 2 液压系统整体设计 风力发 电机组机舱 内空 间非常有 限 ， 因此要求 各 部件结构紧凑 ， 便于设备的安装和维护。所以设计时 将以上提到的三种回路集成到一个系统中， 图4 为液压 系统原理图。 主轴制动 回路 中 ， 为 了获得符合风力发 电机组制 动力要求 的压力 ， 设置 了减压 阀2 2 。压力继 电器 2 4 用 于检测主轴制动器的松闸压力。正常情况下 ， 系统可 由主油路 中的蓄能器 2 7 进行保压 ， 同时主油路 中设置 了可 以调节 回差的压力 继电器 2 6 ， 当压力低于压力继 电器 2 6 设定的低点压力时 ， 液压泵 2 启动 ， 当压力值达 到压力继 电器 2 6 设定的高点压力 时， 液压泵停止工作 ， 这样可以防止液压泵频繁启动， 延长使用寿命 ， 同时节 约了能源。压力蓄能器 2 5 与节流阀 1 0 匹配设计 ， 以满 足主轴制动器的延迟时间和制动爬坡时间。 偏航制动 回路 中， 节流 阀2 9 可 以减少偏航 和解缆 动作 中偏航制动器 的沿程阻力损失 ， 并且可 以维持系 统主压力。蓄能器 3 0 确保偏航制动器柔性制动， 避免 系统过压 ， 并且确保在维护期间将 机舱 维持在指定 的 位置。 电磁换向阀3 3 将风轮锁回路与主回路隔离开， 防 止风轮锁意外启动。电磁铁 Y 8 与 Y 6 或 Y 7同时得电动 作。液控单向阀3 4 ． 1 和3 4 ． 2 组成液压锁， 防止风轮锁 活塞意外动作 。 手动泵2 1 用于紧急情况下对液压系统进行操作。 为了节省空间 ， 液压 系统 中的阀类零件均选用螺 纹插装型式， 根据以上原理设计的阀块三维模型如图5 所示。 液压站三维模型如图 6 所示 。根据风力发电机组 的使用环境条件 ， 各组成部件的低温 、 防腐 、 可靠性要 43 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 2 ．2 0 1 5 动泵结合使用进行手动锁紧和解锁 。 3 ． 2 常见故障及处理 目前 国内运行 的兆瓦级三叶片 、 变桨距 风力 发电 机组所采用的液压制动系统， 原理差别不大。在风力 发电机组长时间运行 中， 无论进 口产品还是 国产产 品， 都存在一定的故障， 为了防止对风机造成不利影响， 必 须及 时排除。 1 电机频繁启动 故障表现 电机启动 ， 系统压力达到压力继 电器 2 6 设定的高点后 ， 电机停转 ， 通过压力表观察到主油路压 力下降 ， 下降至压力继电器设定的低点后 ， 电机重新 启动。 排查及处理 导致这一 问题 的主要原 因往往是泄 漏 。液 压系统的泄漏可分为内泄和外 泄 ， 内泄情况复 杂 。 可能原 因是油封性能不佳或损坏 ， 需重点检查 阀类 或者液压泵 ， 跟踪液压系统各点 的压力变化 ， 确定故 障 点位置 ， 及时调节或更换液压元件 ； 外泄除了少数因元 件壳体或者管道破损引起外， 大部分是密封问题产生 的 ， 所 以应及 时更换密封件 。 2 噪声过大 故障表现 液压系统工作时噪声过大 。 排查及处理 噪声分为很多种 ， 包括机械故障导致 的噪声， 溢流阀、 减压阀等压力控制元件的尖叫声 ， 气 蚀和困油的异常声音等等。针对此类故障， 应采取下 列措施进行排查 对于机械故障导致的噪声 ， 应检查电 机 、 联轴 器与液 压泵是否 同心 、 联轴器是 否故 障或 松 动、 各部位紧固件是否松动、 电动机转向是否正确； 对 于压力控制元件 的异常 噪声 ， 应检查各 阀的设定值是 否符合相关文件 的要求 ； 对于气蚀和 困油产生 的异常 噪声 ， 必须及时排气并对液压泵进行处理 。 3 主轴制动器工作故障 故障表现 主轴制动器工作故障表现为制动力矩 不足 、 制动器制动缓慢 、 制动器制动失效等。 排查及处理 主轴制动器故障可能是由制动器本 身造成的 ， 也可能是液压系统故障造成的 ， 对于液压系 统原因造成的故障， 可按照以下方法排查 应检查动力 传送是否 出现 问题 即电机 、 联轴器 、 齿 轮泵是否故 障 ， 管路是否泄漏 ， 溢流 阀、 减压阀等压力元件设定值是否 正常 ， 流量阀 、 控制 阀是否故障 ， 以及各元件是否被污 染物阻塞。 4 油温过高 故障表现 液位液温继电器高温报警。 排 查及 处 理 继 电器 的报警 点 温度 一般 设置 为 7 0 C， 首先应排 除是否是继 电器故 障导致的误报警 ， 方 法是用手触摸液压 阀、 油箱等部位 ， 如果无有灼热感 ， 则说明继电器故障信号错误 ， 否则继续进行排查。导 致液压系统温度过高的原因主要包括 液压泵气蚀 、 液 压油内混有空气 、 液压泵过载 、 液压油污染导致过滤器 及液压元件阻塞等 ， 因此在维修过程 中应及 时对 系统 进行排气、 检查工作负载是否超载、 更换滤芯、 检测并 更换受污染的液压油等。 4结 论 对兆 瓦级风力 发 电机 组液压制 动系统 的原理进 行 了介 绍 ， 设计 了集成 化 的液压控 制系统 ， 并结合 现 场应用对常见故障进行了分析。液压传动控制以其 自身 的优点 ， 越来 越多地应用于 以风力发 电为代表的 可再 生能源领域 ， 为发展低碳 经济保驾护航 ， 所 以对 此类 液压控 制系统 的深 入研究具有 重要 的工程 实际 意 义。 参考文献 [ 1 】 姜继海， 苏文海， 李阳， 等． 兆瓦级风力机节能型电一 液复合 变桨距 系统实验研究[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 3 ， 2 5 7 - 6 1 ． [ 2 ] 王立飞， 张朋朋， 魏铁建． WT 2 0 0 0 液压制动系统存在的问 题及改进措施【 J 】 ． 液压气动与密封， 2 0 1 4 ， 8 8 1 - 8 4 ． 【 3 】 潘树军， 王剑彬． 国产风机液压传动系统故障分析与技术 改造【 J ] ． 内蒙古电力技术， 2 0 1 1 ， 2 9 2 6 0 6 2 ． [ 4 ] 王晓东， 朱少辉． 兆瓦级风力发电机组液压系统的设计与 应用[ J ] ． 科技创新与生产力， 2 0 1 2 ， 1 0 9 7 1 0 2 ． [ 5 ] T o n y B u o n ， 等． 风能技术[ M】 ． 武鑫， 等译． 北京 科学出版社， 2 0o 7． [ 6 】 呼吉亚， 段朝辉． 浅谈液压系统在风力发电机中的应用I J 1 ． 机电产品开发与创新， 2 0 1 1 ． 2 4 2 1 1 2 1 1 4 ． [ 7 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