關(guān)于風(fēng)電機(jī)組檢修維護(hù)的要點(diǎn)討論

彭凌云， 韓 虎

（1.中電建新能源集團(tuán)有限公司， 北京 102600； 2.中國水利水電第四工程局有限公司， 甘肅 蘭州 730050）

0 引言

由于風(fēng)電機(jī)組的特殊性， 我國風(fēng)電機(jī)組多位于干旱荒漠地區(qū)、高山地區(qū)、近海地區(qū)，近幾年已開始向深海區(qū)發(fā)展。 風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行在惡劣的環(huán)境因素中面臨著嚴(yán)峻考驗(yàn)， 一些不利的環(huán)境因素都會對風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行帶來不同程度的負(fù)面影響，如風(fēng)沙侵襲、雷電襲擊、曝曬冷凍、鹽堿侵蝕等。由于風(fēng)具有空間的不均勻性和時間的非定常性， 加上風(fēng)電機(jī)組本身制造工藝和結(jié)構(gòu)的特殊性，極易導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)生多種電氣或機(jī)械故障。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時間的不斷增長，風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)、齒輪箱、變槳系統(tǒng)、葉片、塔架等均可能陸續(xù)出現(xiàn)各類故障，如不及時處理解決，將會嚴(yán)重縮短風(fēng)電機(jī)組使用壽命。 因此，必須采取有效的措施及時對風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行檢修維護(hù)。本文將對其進(jìn)行分析說明，具體如下：

1 風(fēng)電機(jī)組基本結(jié)構(gòu)說明

風(fēng)電機(jī)組是利用風(fēng)能帶動葉輪轉(zhuǎn)動， 在動力裝置的加速下，使得風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生電力。根據(jù)風(fēng)輪軸線的方位， 可以將其劃分為水平軸向機(jī)組和垂直軸向機(jī)組兩種類型。 目前風(fēng)電機(jī)組主要采用水平軸向機(jī)組，包括雙饋式風(fēng)電機(jī)組、直驅(qū)式永磁風(fēng)電機(jī)組、半直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組。 在現(xiàn)有的風(fēng)機(jī)類型中，多為雙饋式風(fēng)電機(jī)組，其結(jié)構(gòu)由葉輪、發(fā)電機(jī)、齒輪箱、變槳系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、控制柜、機(jī)艙、塔架等構(gòu)成。

2 風(fēng)電機(jī)組的常見故障及常規(guī)處置方式分析

2.1 主控系統(tǒng)常見故障及常規(guī)處置方式分析

主控系統(tǒng)如同風(fēng)機(jī)的大腦， 顧名思義在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中起著中心控制的作用。 主要對機(jī)艙數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并完成判斷和處理；對各部分的傳感器進(jìn)行故障監(jiān)測；根據(jù)變頻和變槳系統(tǒng)的通信資料進(jìn)行全面的分析； 通過發(fā)送控制命令來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各類控制，包括系統(tǒng)的啟動和停機(jī)、并網(wǎng)與脫網(wǎng)、開槳與收槳、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、風(fēng)機(jī)遠(yuǎn)程控制等。目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)多為PLC 模塊化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)不同的控制要求配置不同的模塊從而實(shí)現(xiàn)不同的控制功能，使整個控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性。同時采用模塊化組合可以提高控制系統(tǒng)的靈活性和可靠性[1]。 PLC的故障一般可分為外部設(shè)備故障、系統(tǒng)故障和硬件故障。產(chǎn)生原因及處理方法見表1。

表1 PLC 故障類型及處理方法

需要注意的是PLC 是由半導(dǎo)體元件構(gòu)成， 在長時間的工作中難免會出現(xiàn)老化，必須進(jìn)行例行的檢修，在這個過程中，如果在運(yùn)行中出現(xiàn)不合格的地方，相對應(yīng)的就需要作好紀(jì)錄并進(jìn)行維修。

2.2 齒輪箱常見故障及常規(guī)處置方式分析

齒輪箱位于風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙內(nèi)部， 用于連接主軸和風(fēng)電機(jī)組，是雙饋式發(fā)電機(jī)驅(qū)動鏈條中的一個關(guān)鍵部件。通常，由于葉輪的速度無法達(dá)到發(fā)電機(jī)的要求，所以必須由變速箱傳動機(jī)構(gòu)的加速動作來完成。 由于風(fēng)機(jī)通常位于風(fēng)力資源較豐富的地區(qū)， 某些特定的天氣條件及無規(guī)律風(fēng)向和負(fù)載風(fēng)力的沖擊，都有可能使風(fēng)電機(jī)組發(fā)生損壞，而齒輪箱位于塔架頂部的機(jī)艙內(nèi)部，空間狹窄，一旦出現(xiàn)問題很難維修， 故必須對其發(fā)生故障的原因進(jìn)行全面的研究分析，并對其進(jìn)行定期檢修維護(hù)。

通常情況下， 齒輪箱的故障主要表現(xiàn)在齒輪缺陷和軸承缺陷兩個方面。 其中，齒輪缺陷包含齒輪的斷裂、點(diǎn)蝕、膠合、塑性變形、磨損等；軸承缺陷包含點(diǎn)蝕、疲勞剝落、磨損、裂紋、壓痕等。與主控、變槳、變流器等電器設(shè)備不同，齒輪箱的日常維護(hù)和保養(yǎng)更為重要，在日常檢修維護(hù)中， 需要進(jìn)行的工作一般包括對齒輪箱低速端、 高速端、各連接處管路、冷卻器等進(jìn)行密封性檢查，觀察是否存在滲油、漏油及損壞情況；按照規(guī)定的力矩值檢查主要緊固螺栓力矩，包括漲緊套緊固螺栓、墊塊與齒輪箱連接螺栓、彈性支撐與機(jī)座連接螺栓等；目測或用內(nèi)窺鏡檢查油的顏色是否有變化，定期采集油樣進(jìn)行化驗(yàn)，根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果判斷是否需要換油；定時開啟齒輪箱，觀察孔蓋，觀察齒面嚙合情況，并對油色和雜質(zhì)進(jìn)行檢測；對變速箱各傳感器的聯(lián)接情況進(jìn)行檢查， 并對各傳感器的性能進(jìn)行檢查，尤其加強(qiáng)對運(yùn)行中齒輪箱各項(xiàng)監(jiān)控點(diǎn)溫度、齒輪箱散熱系統(tǒng)的重點(diǎn)監(jiān)控， 避免潤滑油過溫導(dǎo)致油品變濃稠引起金屬件產(chǎn)生裂紋的風(fēng)險； 對彈性支承進(jìn)行周期性的測試，并在工作條件下對其進(jìn)行檢查，如發(fā)生老化，出現(xiàn)粉末物質(zhì)脫落情況，需及時進(jìn)行更換[2]。

2.3 變槳系統(tǒng)常見故障及常規(guī)處置方式分析

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)中，變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是實(shí)現(xiàn)全風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制和提高風(fēng)能利用率的關(guān)鍵設(shè)備。 風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)共由三個驅(qū)動裝置組成，均單獨(dú)裝有變槳電機(jī)、變槳減速器和變槳軸承， 可以根據(jù)風(fēng)力的變化同時或單獨(dú)調(diào)節(jié)槳葉與風(fēng)向之間的角度，在發(fā)生故障時，先使葉片順槳，以保證機(jī)組安全可靠停機(jī)。

由于變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電器件多，加之經(jīng)常變動，致使其成為風(fēng)電機(jī)組中故障率最高的部件。 其中的常見故障為槳葉傾角故障、變槳接近開關(guān)故障、變槳電機(jī)溫度高故障、變槳安全鏈故障、變槳電池充電器故障等。 處理變槳系統(tǒng)故障前， 應(yīng)熟悉掌握變槳系統(tǒng)的工作原理及各電器件的作用，根據(jù)故障類型逐一對各電器件進(jìn)行排查，快速找出故障原因并按照操作流程及時完成處理。 以某風(fēng)電場日常處理風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)故障為例， 闡述故障處理的簡要步驟流程。 具體如下：

（1）電場運(yùn)行值班員從中央監(jiān)控系統(tǒng)中監(jiān)測到GW2#機(jī)組報2 號變槳接近開關(guān)故障、變槳安全鏈故障，值班員隨即通知檢修人員進(jìn)行處理。

（2）檢修人員履行兩票手續(xù)及安全技術(shù)交底后到達(dá)機(jī)位，通過對故障發(fā)生時的故障波形圖和故障b 數(shù)據(jù)見表2，進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)1 號和3 號葉片收回，2 號葉片始終保持在7 度，限位開關(guān)與旋轉(zhuǎn)編碼器發(fā)出故障警告，由此判斷2號變槳電機(jī)旋轉(zhuǎn)編碼器及其附件系統(tǒng)失效， 葉片有可能沖限位達(dá)到92 度。

表2 故障b 葉片角度

（3）檢修人員鎖定葉輪及液壓站后帶好專用工器具進(jìn)入輪轂進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)葉片確已沖限，隨即按步驟對該故障進(jìn)行處理，處理步驟如下：①首先將變槳柜斷電， 變槳模式在手動模式下（即將Q1 開關(guān)打到OFF的位置），將S1 開關(guān)打到Manual 位置（見圖1）；②拆卸變槳電機(jī)后蓋；③拆卸變槳電機(jī)風(fēng)扇；④拆卸旋編的信號線及旋編固定塊螺栓；⑤按上述步驟順序安裝旋編；⑥旋編測試，強(qiáng)制變槳角度到葉片機(jī)械零度，葉片機(jī)械對零，然后旋編清零——將1X3：13、14 短接片取出，插入1X3：12、13 端子（將其短接）維持三秒鐘立即取出，將1X3：13、14端子短接片恢復(fù)，使用對講機(jī)與面板觀察人員通話，確定清零成功后，手動變槳調(diào)整5 度接近開關(guān)和87 度接近開關(guān)，調(diào)試完畢后手動變槳至60 度左右，觀察手動變槳速度是否正常，S1 開關(guān)打回Auto 檔位進(jìn)行自動變槳， 觀察此時的變槳速度以及最終的停止位置是否在87 度左右；一般情況下由于葉片回降有一定慣性會達(dá)到88 度左右（屬正常情況）；⑦故障處理完畢后，啟機(jī)風(fēng)機(jī)恢復(fù)發(fā)電。

圖1 變槳柜控制面板

另外，為預(yù)防故障發(fā)生，在日常檢查過程中，應(yīng)對變槳系統(tǒng)進(jìn)行手動變槳測試、 急停收槳測試、 充電回路測試，定期檢查蓄電池單體電池電壓，定期做蓄電池充放電實(shí)驗(yàn)。 對變槳電機(jī)、變槳軸承密封性、通訊系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)進(jìn)行檢查，定期進(jìn)行滑環(huán)清洗工作。 同時定期對輪轂內(nèi)所有螺栓和器件設(shè)備的力矩進(jìn)行抽檢， 保障風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行[3]。

2.4 葉片常見缺陷及常規(guī)處置方式分析

葉片是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中最重要的能源， 它通常由纖維加強(qiáng)的復(fù)合材料制造，是風(fēng)電機(jī)組的動力源泉，葉片能否正常運(yùn)行直接影響機(jī)組安全和發(fā)電效率。 因其長期運(yùn)轉(zhuǎn)在自然環(huán)境中，在暴風(fēng)、雷雨、冰雪、沙塵等惡劣氣候的影響下，容易產(chǎn)生疲勞裂紋，甚至斷裂，嚴(yán)重時會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)發(fā)生倒塔事故。

葉片常見缺陷有表面裂紋、腐蝕、砂眼、開裂等，造成葉片缺陷的原因多種多樣，除自然因素影響外，人為因素涉及設(shè)計(jì)生產(chǎn)到安裝使用全過程，如設(shè)計(jì)不完善、生產(chǎn)過程控制不嚴(yán)謹(jǐn)、運(yùn)行操作不得當(dāng)都會造成葉片缺陷。葉片不同于一般電器件，一旦嚴(yán)重?fù)p壞，更換代價太大，所以對于葉片缺陷的處理，必須做到早發(fā)現(xiàn)、早修復(fù)、常檢查。日常巡視中，可通過目測法、聽聲法判定葉片是否受損，做好跟蹤記錄，盡早制定方案進(jìn)行修復(fù)。 另外，需定期對葉片防雷系統(tǒng)進(jìn)行檢查， 及時將葉尖排水孔中的雜質(zhì)清理干凈，減少葉片遭受雷擊的可能，最大限度保護(hù)葉片。在超低溫環(huán)境中運(yùn)行的機(jī)組，可增加葉片的除冰系統(tǒng)，有效提高葉片運(yùn)行的可靠性，提升發(fā)電效率。

2.5 塔架常見缺陷及常規(guī)處置方式分析

塔架是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主機(jī)的支撐， 根據(jù)整體高度分為若干節(jié)，每節(jié)之間用高強(qiáng)度螺栓通過法蘭連接，內(nèi)部裝有塔架平臺、照明系統(tǒng)、爬梯、電纜等部件。早期風(fēng)電機(jī)組爬梯上配備有安全滑軌和助爬器， 現(xiàn)已普遍升級為免爬器或電梯，為運(yùn)維人員上下風(fēng)機(jī)提供了更大的便利。風(fēng)機(jī)塔架缺陷如不及時處理，將會直接導(dǎo)致倒塔事故的發(fā)生，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。

塔架常見缺陷一般分為表面缺陷、 內(nèi)部缺陷和內(nèi)部件缺陷。表面缺陷主要表現(xiàn)在脫漆和銹蝕，在風(fēng)沙、鹽霧、潮濕、腐蝕等惡劣自然條件的長期侵襲下，塔架表面的油漆會逐步出現(xiàn)鼓包、起皮、脫落等現(xiàn)象，進(jìn)而在塔架母材表面形成銹蝕。 在日常巡檢過程中，如發(fā)現(xiàn)上述缺陷，需盡快制定專項(xiàng)修復(fù)方案，按照塔架防腐技術(shù)規(guī)范要求，對受損部位進(jìn)行修復(fù)。 內(nèi)部缺陷主要表現(xiàn)為焊縫及塔架母材內(nèi)部缺陷，如焊縫裂紋、咬邊、夾渣、鋼板夾層等。 該類缺陷應(yīng)在塔架交貨出廠前全部處理完畢， 保證探傷檢測合格，不允許帶缺陷轉(zhuǎn)入現(xiàn)場進(jìn)行吊裝。這就要求塔架制作廠嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行塔筒制作， 把好各工序質(zhì)量關(guān)，將各類隱患缺陷消除在產(chǎn)線上，確保塔架出廠驗(yàn)收合格。萬一在風(fēng)場發(fā)現(xiàn)該類缺陷，應(yīng)及時委派專業(yè)人員進(jìn)行處理，處理完成后應(yīng)再次進(jìn)行探傷檢測，確保探傷合格。塔架內(nèi)部件缺陷主要有內(nèi)部件缺失、斷裂、變形、螺栓松動等。在日常巡檢過程中，應(yīng)全面排查塔架內(nèi)各部件的安裝情況，發(fā)現(xiàn)有缺失、斷裂、變形等情況，應(yīng)及時進(jìn)行更換和修復(fù)，否則會引發(fā)高空墜落、設(shè)備及人員損傷等事故。在定期檢修過程中，根據(jù)檢修要求對塔架內(nèi)部連接螺栓按比例進(jìn)行力矩檢測，對于法蘭高強(qiáng)度連接螺栓，要按照不同螺栓規(guī)格選擇不同的液壓力矩扳手， 設(shè)定對應(yīng)的力矩值（表3 所示）進(jìn)行檢查，如螺母不能被旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)角度小于20°，說明預(yù)緊力仍在限度以內(nèi)，如螺母能被旋轉(zhuǎn)且旋轉(zhuǎn)角度大于20°，則必須將螺母全部松開再按照規(guī)定的力矩重新打緊。 對于塔架基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)部螺栓應(yīng)提高力矩檢查頻次，平臺、爬梯等部位的連接螺栓，用相應(yīng)規(guī)格的力矩扳手進(jìn)行檢測， 確保所有螺栓預(yù)緊力都在限度以內(nèi)。螺栓力矩檢驗(yàn)完畢之后，均應(yīng)用筆在螺栓頭部做好力矩標(biāo)識，為下次檢驗(yàn)提供依據(jù)。

表3 液壓扳手輸入壓力（MPa）-輸出扭矩（Nm）對照表

3 風(fēng)電機(jī)組日常維護(hù)及定期運(yùn)行維護(hù)內(nèi)容及要求分析

3.1 風(fēng)電機(jī)組定期運(yùn)行維護(hù)內(nèi)容及要求分析

風(fēng)電場必須對風(fēng)電機(jī)組設(shè)備進(jìn)行定期維護(hù)， 檢查由惡劣環(huán)境中的雨雪、風(fēng)沙、雷電等因素所造成的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行問題，發(fā)現(xiàn)問題及時進(jìn)行處理解決。 在日常維修中，維修人員要長期保證風(fēng)電機(jī)組的清潔衛(wèi)生， 以降低風(fēng)電機(jī)組故障發(fā)生率。 另外，還應(yīng)及時檢查螺栓、墊圈等緊固元件的連接和機(jī)械性能， 確保其能夠滿足實(shí)際使用的要求。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般采用干油潤滑或稀油潤滑的方式對內(nèi)部機(jī)構(gòu)進(jìn)行潤滑， 干油潤滑一般是在軸承的偏航齒輪上進(jìn)行，這類齒輪長期運(yùn)行會導(dǎo)致潤滑油的溫度升高，從而引起潤滑油的老化， 操作人員應(yīng)及時補(bǔ)充、 更換潤滑油，嚴(yán)格按照油品、油耗控制補(bǔ)充量，以防發(fā)生故障。稀油潤滑多用于變速箱的保養(yǎng)，維修保養(yǎng)要經(jīng)常抽樣檢驗(yàn)，一旦出現(xiàn)問題，要立即進(jìn)行替換。 此外，操作人員在保養(yǎng)軸承和潤滑體系時，應(yīng)仔細(xì)查看油脂種類，對油口及有關(guān)部位進(jìn)行徹底清洗，以保證潤滑管道暢通，并按要求的數(shù)量進(jìn)行潤滑。 維護(hù)人員必須根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際工作情況，對定、轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行維護(hù)，并對繞組的絕緣電阻進(jìn)行檢測。絕緣電阻值減小不僅受繞組溫度的影響，在存儲或運(yùn)輸過程中受潮也會降低電氣設(shè)備的絕緣電阻值。 一般繞組干燥的新電動機(jī)絕緣特性良好， 在發(fā)生故障時進(jìn)行檢測即可。而對長期停機(jī)和初次使用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其絕緣電阻的檢測至少每年進(jìn)行一次[4]。

3.2 風(fēng)電機(jī)組日常維護(hù)維護(hù)內(nèi)容及要求分析

除常規(guī)檢修之外， 風(fēng)機(jī)設(shè)備在日常運(yùn)行中遇到的各類問題要盡快處理， 避免對風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成不利的影響，排除故障后，運(yùn)維人員還要結(jié)合故障特點(diǎn)， 有針對性地進(jìn)行日常維修工作。 如檢查塔筒門上的通風(fēng)口是否正常，是否需要更換濾棉； 逐一排查監(jiān)控柜內(nèi)部裝置是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)， 有無放電或其它雜音； 風(fēng)機(jī)夾板和電纜是否存在松動、偏移現(xiàn)象；檢查滅火器支架結(jié)構(gòu)是否正常， 滅火器是否在有效使用期內(nèi)； 檢查助爬器或免爬器功能及安全裝置是否完好，緊急逃生裝置是否正常；檢查急救箱內(nèi)物品是否完整，藥品是否過期等。 在完成日常維護(hù)工作后， 運(yùn)行維護(hù)人員還要及時清理風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部雜物， 擦拭液壓站的接口部位，確保風(fēng)電機(jī)組干凈、整潔[5]。

4 結(jié)束語

目前，風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅速，風(fēng)電場在全國范圍內(nèi)遍地開花，為保證風(fēng)電場安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高經(jīng)濟(jì)效益，因此，對風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的定期維修與保養(yǎng)顯得尤為必要。 風(fēng)場必須制定一套完善的精細(xì)化運(yùn)維工作方案， 包括日常巡檢和定期維護(hù)，對主控、變槳、變流器等電氣裝置；對齒輪箱、葉片等機(jī)械裝置進(jìn)行相應(yīng)的檢修，保證風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行。 總之，對于風(fēng)電機(jī)組運(yùn)維人員而言，應(yīng)熟悉掌握相應(yīng)機(jī)型風(fēng)電機(jī)組的故障診斷技術(shù)手冊， 根據(jù)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行故障特點(diǎn)，有針對性地制定運(yùn)行維護(hù)方案，及時完成故障處理，從而保障風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。