低温环境下风力机液压系统故障分析及优化.pdf

QIN JieHydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.04.015低温环境下风力机液压系统故障分析及优化秦杰（榆林轩能新能源有限公司，陕西榆林7 19 0 0 0）摘要：风电机组液压系统为各制动系统提供刹车所需动力来源，是风电机组的重要组成部分之一，该系统对风电机组的安全运行起着关键作用。针对北方某风电场风电机组在冬季低温环境下运行中，批量出现液压系统压力低这一故障，对风电机组液压系统原理进行了阐述,并以液压系统压力低为顶事件建立故障树对引发故障的可能原因进行分析。基于故障树分析，对可能的故障点逐一进行排查，最终定位故障原因为低温环境下液压泵吸油不畅导致液压系统建压失败。对于产生故障的原因，在保障原有性能的基础上,提出了优化解决措施,并经试验和验证,问题得以解决。通过该案例，可以为后续风电机组液压系统的故障处理和维护提供一定的参考。关键词：风电机组；液压系统；故障分析；优化中图分类号：TH137Abstract:The hydraulic system is one of the important components of the wind turbine,which plays a key role in the safe operation of the windturbine as the power source of the braking system of the wind turbine.In this paper,the principle of the hydraulic system is explained,and afault tree is established for the preliminary analysis of the cause of the fault with the low pressure of the hydraulic system as the top event.Based on this,the cause of the failure was analyzed and the possible failure points were investigated,and the cause of the failure was finallylocated as the failure of the system pressure building due to the poor suction of the hydraulic pump in the low temperature environment.For thecause of the failure,on the basis of ensuring the original performance,the optimization measures were proposed,and the problem was solved bytesting and verifying that the system pressure was normal.Key words:wind turbine;hydraulic system;failure analysis;optimization0引言风力发电方式具有无污染、绿色、可再生等优点。在国家政策的引导下,风电机组装机数量不断提高,已逐渐成为实现双碳目标的重要力量。风电机组大多选择建造在风能资源丰富的北方和山地，工作环境恶略。随着机组结构的日益复杂和风力的不确定性，风电机组需要经受各种复杂工况的考验,在后期复杂的交变载荷和冲击载荷作用下，常发生各种影响机组正常运行的故障和部件损坏 1-2 。收稿日期：2 0 2 3-0 5-15作者简介：秦杰(19 8 8-）,男,山西忻州人,工程师,学士,现从事风电场管理、风电机组故障诊断等方面的研究。文献标志码：A文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 4-0 10 1-0 4Failure Analysis and Optimization of Hydraulic System for WindTurbine Under Low Temperature Environment(Yulin Xuanneng New Energy Co.,Ltd.,Yulin 719000,China)障的原因予以分析 4-5。地处内蒙东北部某风电场，在12 月底的冬季低温环境下（室外平均气温达到-3 5）运行时，机组出现了批量性液压系统故障，故障主要集中在：液压系统压力低和液压泵打压时间过长。针对液压系统这一故障,对可能引发这一故障的原因建立了故障树进行分析,通过故障树展示的各事件之间因果关系,对各个可能出现的故障部位进行逐一排查和梳理，最后定位了101风电机组液压系统的主要作用是为机组制动系统提供动作所需要的工作压力，是风电机组正常运行不可缺失的一部分。液压系统主要为偏航刹车制动和高速轴刹车、风轮锁驱动装置提供所需工作压力 3 。液压系统发生故障后将直接导致风电机组无法正常工作或发生事故,因此有必要对风电机组液压系统出现故液压气动与密封/2 0 2 4年第4期液压系统故障原因,提出了对应的解决方案。1液压系统工作原理和故障分析1.1结构组成和工作原理风电机组液压系统的主要作用是为机组各制动系统提供动作所需要的工作压力，这些功能由一个液压系统完成，系统集成度较高 6-7 。液压系统主要组成部分是液压站和各制动回路，液压站负责提供稳定的工作压力给各制动模块，包括高速轴刹车部分、风轮锁定装置、对风偏航模块。图1展示为某型风电机组液压制动系统各模块工作原理简图,在整个液压系统主回路中由很多部件组成，如滤芯、油泵等，其中重要的辅助部件是压力传感器和蓄能器，当液压泵打压或者系统出现泄漏时，蓄能器具有防止系统超过额定压力和补偿系统压力损失，稳定系统工作压力的功能；压力传感器安装在系统主回路中，随时监测系统压力是否为额定工作压力，当压力传感器监测到系统压力低于额定工作压力时，主控发出信号启动液压泵为系统补充压力，当压力传感器监测到系统压力达到额定压力时，停止液压泵工作，具体液压系统压力控制流程图见图2。偏航制动9.115barM1-79.39.49.12P要求偏航系统处于完全制动状态；当机组对风偏差超过控制策略设定值,机组需要对风时，为了保证风电机组对风偏航工作平稳和偏航精度,要求液压系统为制动器提供一定的阻尼压力，此时为阻尼运行状态；当机组处于手动状态进行手动偏航或者机组在正常对风时，偏航系统驱动机舱旋转一定角度超过扭缆极限角度，需要通过反转来解缆时，此时偏航制动回路释放压力，偏航刹车夹钳制动状态解除。压力设主控定值PLC压力传感器制动系统图2 液压系统压力控制流程高速轴刹车回路的动作逻辑：一种是风电机组处于紧急停机模式下,另一种是机组出现故障需要将旋转部件锁定时，此时需要投入高速轴刹车，确保传动系统和风轮处于静止状态，液压系统提供工作压力推动高速轴刹车夹钳夹紧刹车盘，保证人身安全。1.2液压系统压力低动态故障树通过对液压系统工作原理及结构组成进行分析研究,推断液压系统压力低故障的可能因素,建立动态逻主轴制动辑关系，其故障树展示模型如图3 所示。V-0.075 L8.10Pe-25bar8.19.7MIX9.5TB液压泵GMM78.78.8Lias barl140 bar18.68.128.14APM2MM12T(T2)AM3(TT（117.119.24.1V-2.8LJ7PO-1OCbarPI-140barP2-160bar在风电机组正常运行中，液压系统偏航制动回路共有3 种运行状态，分别是制动状态、释放压力状态和阻尼运行状态。当机组对风偏差在控制策略范围内时，保证风机始终处在迎风状态，此时偏航驱动停止，102图3 故障树模型展示图141.2M1.3图1液压系统工作原理简图51故障树事件说明：定义“液压系统系统（低温环境下)压力低故障”为顶事件G,具体见表1。2试验过程及故障排查定位根据图3 所示故障树所列故障原因进行一一排查,对偏航制动回路进行检查，检查偏航制动器本体和各连接管路，未发现泄漏点，通过手动/自动偏航转换开关，观察偏航制动、手动偏航、自动偏航各电磁阀通Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024电状态未发现异常。力低这一故障的分析和排查，结合最终定位的故障原因为低温导致的液压泵吸油不畅,因此对该液压系统表1故障树说明以下几个方面进行优化改进：编号享事件故障部分顶事液压系统1件压力低液压泵故障油路故障液M.压压力继电器故障系2M统州回供油故障单向阀故障路M/2偏航制动偏航制动器液压缸故障3M2高速轴制动4M;检查主轴制动主液压回路和制动器本体，未发现明显故障点，通过手动刹车开关，观察制动电磁阀可以正常通电。最后，我们检查液压系统主回路，液压油位正常，排除因泄漏导致油位低引起的液压系统故障，多次重复启动液压泵，听到管路内部有断断续续的轻微流动声音,拆开油管，再次启动油泵，依然未见有液压油流出，最后将故障定位在液压泵本体内部。值得一提的一个故障现象是，在气温回升至约-24 上下时,对液压系统进行测试打压,现象为系统可以建压，但是报出打压时间过长故障，需要重复多次打压可以正常建压，具体见图4。通过对上述故障现象和故障原因分析，对引起液压系统压力低这一故障的可能因素逐一进行了分析和验证,最终对液压泵体进行拆解，拆除吸油滤芯,再次启动液压泵，系统建压成功，故障消除，验证了上述故障分析的正确性。3结果与优化改进图5为液压系统改进位置简图通过对液压系统压故障原因主回路蓄能器主溢流阀故障溢流阀故障过滤器故障截止阀故障回路二位二通电磁换向阀故障偏航溢流阀故障二位二通电磁换向阀故障高速轴制动器液压缸故障回路截止阀故障备注TioTITI2TI3T4Ti5Ti6TT,T,T4T,T.,T,TT，18161412aN/d10864201图5液压系统改进位置简图（1）在保证原有功能的基础上，将液压油泵吸油滤芯更改为过滤精度较低滤芯。经现场测试观察，拆除滤芯系统可以正常建压，采用过滤精度较低滤芯，可以有效降低液压系统在低温情况下吸油不畅问题。（2）将吸油滤芯至油泵进油管加粗,在气温回升至2 3 上下时，实际观察液压泵的打压效果并不理想,容易报出打压时间过长故障，管路中不能充满油液,造成系统频繁打压的情况，并且容易造成管路防砾裂和损坏液压泵。（3）优化系统设计选型，充分考虑各种工况，合理选定系统原件，提升系统的通流能力，增加系统稳定性,更好的实现制动功能。总的来说，液压油作为在制动系统动作时，将能量传递到工作位置的介质，外界环境温度的变化和工作压力的高低对液压油属性的影响最大,液压油的属性会直接影响到液压系统能否正常工作。液压油黏度随工作压力增大而加大,随温度的升高而减小，温度变化对液压油黏度有直接的影响,液压油油温降低时,油液黏度迅速增大 8-9 。故在北方极端天气情况下，风电机组液压系统批量性出现了液压系统压力低这一故10360图4液压泵打压曲线吸油滤芯119t/s液压气动与密封/2 0 2 4年第4期障。通过一系列的测试,最终确定了优化方案,故障得以排除。通过对吸油滤芯和进油管进行改造，最终故障消除,液压系统未有类似的故障再次发生，问题得以解决,可以为风电机组同类液压系统故障的解决提供参考。4结论（1）针对低温环境下风电机组液压系统出现故障这一问题，阐述了液压系统工作原理和系统工作流程，以液压系统压力低这一故障为顶部事件的故障树模型进行分析，同时结合液压系统实际故障现象和数据,对故障原因进行了分析和定位，可以为液压系统故障处理和维护工作提供可以借鉴的经验。（2）根据方案优化后，现场风电机组液压系统没有出现同类型的故障,验证了优化方案的可行性。结果表明：在极低温工况下回油阻力较大导致了该系统压力异常问题出现，因此需要注意两个方面：一是液压系统在设计时应充分考虑严苛工况下的运行状态，二是温度对油品黏度影响较大，液压回路设计时，需充分考虑润滑油黏度对流量的影响，对后续该类液压系统引用本文：秦杰.低温环境下风力机液压系统故障分析及优化 J.液压气动与密封,2 0 2 4,44（4）：10 1-10 4.QIN Jie.Failure Analysis and Optimization of Hydraulic System for Wind Turbine Under Low Temperature Environment J.HydraulicsPneumatics&Seals,2024,44(4):101-104.+.设计和阀件的选用具有一定参考意义。参考文献1王绍平，王冰，丁杰.基于支持向量机和顺序前项选择算法的PNN风电机组液压变桨的故障诊断 J.液压气动与密封,2 0 2 0,40(4):7 2 -7 8.2秦杰.基于SCADA数据的齿轮箱轴承温度高故障诊断J.风能,2 0 2 0(5):8 6 -8 9.3贾福强，高英杰，杨育林，等.风力发电中液压系统的应用概述 J.液压气动与密封,2 0 10,3 0（8）:11-14.4王立飞，张朋朋，魏铁建.WT2000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 14,3 4（8）：8 1-8 4.5 王一甲，范煜晟.大型风力发电机组的液压系统原理及应用 J.液压气动与密封，2 0 15,3 5（8）：44-46.6管小兴，丹晨，高宏伟，等.MW级风力发电机组液压制动系统研究 J.液压气动与密封，2 0 18,3 8（11)：54-58.7范昌勇，车芳芳.一种风力发电液压制动系统的研究 J.液压气动与密封,2 0 2 0,40（10）：4-8.8吴卫峰.液压油对液压系统副作用分析 J.机械研究与应用,2 0 0 8(3):48-49,51.9赵倩，郭德鹏，陈建平，等.基于液压系统的风机叶片液压自调角系统 J.机电工程,2 0 2 3,40（1）：7 6-8 2.+2024年2 月工程机械行业主要产品销售快报（之三）工业车辆据中国工程机械工业协会对叉车主要制造企业统计，2 0 2 4年2 月当月销售各类叉车6 8 0 42 台，同比下降3 4.2%。其中国内41557 台，同比下降43.7%；出口2 6 48 5台，同比下降10.8%。压路机据中国工程机械工业协会对压路机主要制造企业统计，2 0 2 4年2 月当月销售各类压路机9 55台，同比下降3 1.7%，其中国内3 14台，同比下降51.9%；出口6 41台，同比下降14%。摊铺机据中国工程机械工业协会对摊铺机主要制造企业统计,2 0 2 4年2 月当月销售各类摊铺机6 9 台，同比下降3 8.9%，其中国内47 台，同比下降50.5%；出口2 2 台，同比增长2 2.2%。升降工作平台据中国工程机械工业协会对升降工作平台主要制造企业统计,2 0 2 4年2 月当月销售各类升降工作平台10609台，同比下降45.4%，其中国内5158 台，同比下降58.3%；出口5451台，同比下降2 2.8%。高空作业车据中国工程机械工业协会对高空作业车主要制造企业统计，2 0 2 4年2 月当月销售各类高空作业车2 58台，同比增长0.7 8%，其中国内2 45台，同比下降3.54%；出口13 台，同比增加11台。摘自中国液压气动密封件工业协会公众号104