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】孙勇 1 5 MW风力发电机组液控技术研究【D】杭州：浙江大 学，2 0 1 1 8 8 雷天觉 新编液压工程手册 M 北京：北京理工大学 出版 社。2 0 0 8 (t-接 第 4 1 页)N u m e fi c S i mu l a t i o n J J o u rna l o f D y n a mi c S y s t e m s Me a s u r e m e n t a n d C o n t r o l，1 9 9 6，(4)：7 2 1 7 2 4 【4】章宏甲，等 液压传动【M】北京：机械工业出版社，2 0 0 3：9 8 9 9 【5】盛骤，等 概率论 与数理 统计【M】北京：高等教育出版社，20 03：2 6-28 【6】刘伊生，等 建设工程造价管理【M 北京：中国计划出版社，2 0 1 3：1 8 9 1 9 4 【7】姚佳 直动式三通电液比例减压阀动态性能研究【J】液压气 动与密封，2 0 1 3(2)：2 4 2 6 【8】马海荣 几何精度设计与检测 M】北京：机械工业出版社，20 04：1-3 45