故障處理過程及分析
在輪轂用變槳操縱板轉(zhuǎn)動葉片，故障面葉片從92°～0°調(diào)槳，葉片運動較為平穩(wěn);從0°～92°，葉片采用快速電池收槳該面葉片振動明顯。
為進(jìn)一步收集故障現(xiàn)象，機組在故障風(fēng)速段并網(wǎng)運行，同時，通過機艙人機界面觀察變槳電機的溫升狀況，故障面的變槳電機溫度快速升至90℃以上，迅速超過變槳電機風(fēng)扇啟動溫度。然而，進(jìn)輪轂發(fā)現(xiàn)，變槳電機風(fēng)扇并沒有啟動。再檢查變槳電機插頭端子的風(fēng)扇供電，正常。再給故障面的變槳電機風(fēng)扇外加230V電源，風(fēng)扇也正常。該變槳系統(tǒng)的變槳電機風(fēng)扇啟動開關(guān)設(shè)在變槳電機內(nèi)。如變槳電機風(fēng)扇的啟動開關(guān)損壞，則需更換變槳電機。
因懷疑變槳電機風(fēng)扇啟動開關(guān)有問題，于是更換變槳電機。然而，更換變槳電機后，在8～12米/秒風(fēng)速段運行，該面的變槳電機溫度迅速超過140℃。再追溯以前的維修記錄，此前，該面葉片曾因此兩次更換變槳電機。這就是說，已三次更換變槳電機，均宣布無效。
給故障面的變槳軸承手動注油以后，機組在故障風(fēng)速段并網(wǎng)運行，雖然故障面仍比其他兩面的變槳電機溫度高，溫度時常在110～130℃左右，但變槳電機溫度能穩(wěn)定在140℃以下，暫時不會報“變槳電機溫度高”停機。
綜合幾方面分析：故障面葉片快速電池順槳時，有異常振動;三次更換變槳電機無效;給故障面的變槳軸承手動注油后，變槳電機溫度高的問題有明顯改善。可以確定“變槳電機溫度高”停機，應(yīng)當(dāng)由變槳軸承損壞造成，而與變槳電機風(fēng)扇啟動無關(guān)。要徹底解決“變槳電機溫度高”問題，需要更換變槳軸承。
該故障的信息收集與故障分析的難點：故障機組早在2009年就開始投運，運行時間已超過11年。由于各種原因，三面變槳軸承均有不同程度的損傷，均存在變槳電機電流偏大、溫度偏高的問題，不能僅通過變槳電機電流的比較發(fā)現(xiàn)問題。加之，機組故障停機時，風(fēng)速較大，氣溫很低，變槳電機很容易降溫和散熱;噪音大，很難通過聲音判斷變槳電機風(fēng)扇是否啟動;在操縱葉片、收集故障信息時，沒有筆記本電腦;配合處理故障的人員不足。
故障處理的啟示與心得
1、準(zhǔn)確地收集故障信息是正確判斷機組故障的前提。
第一，收集的故障信息不準(zhǔn)確造成故障分析、判斷的偏差，備件和發(fā)電量的損失。
維修人員在收集故障信息時，觀察變槳電機的溫度值與進(jìn)輪轂觀察變槳電機風(fēng)扇是否啟動之間存在時間差。在集控室，或機艙看到變槳電機溫度很高，而每次進(jìn)輪轂觀察到的現(xiàn)象是變槳電機風(fēng)扇沒有啟動。從而造成了誤判，并錯誤地多次更換變槳電機，這大大地增加了處理故障的時間。
該機組報故障是冬天、大風(fēng)季節(jié)，在機艙里觀察變槳電機溫度時，不能通過聲音判斷輪轂里的變槳電機風(fēng)扇是否啟動;該變槳系統(tǒng)的變槳控制器上沒有設(shè)計顯示界面，不便于在輪轂里查看變槳電機溫度，通常是在機艙或集控室察看變槳電機的溫升狀況。在風(fēng)大期，鎖輪轂難度大，在機艙里察看了變槳電機溫度后，然后再進(jìn)輪轂觀察變槳電機風(fēng)扇是否啟動，這之間的時間差會進(jìn)一步增大。
另一方面，實際情況是變槳電機風(fēng)扇的啟動、工作均正常，在機組停機后，變槳電機溫度迅速下降。再者，外界氣溫較低，加劇了變槳電機散熱和傳熱，進(jìn)一步加速了變槳電機溫度的降低。當(dāng)維修人員進(jìn)輪轂，變槳電機溫度已降到較低的溫度，變槳電機風(fēng)扇的啟動開關(guān)自動斷開。因此，每次看到的現(xiàn)象都是變槳電機風(fēng)扇沒有工作，從而產(chǎn)生誤判。這使得機組的停機時間大大增加。
及時、準(zhǔn)確地收集信息是正確判斷故障的前提。如果察看變槳電機溫度與觀察變槳電機風(fēng)扇啟動是同時進(jìn)行，那么，維修人員就能觀察到變槳電機風(fēng)扇啟動的真實情況，也就不會產(chǎn)生誤判。
第二，沒能借助變槳調(diào)試軟件操縱葉片和收集信息，致使收集的信息出現(xiàn)錯誤。
如果現(xiàn)場人員操縱葉片，不是采用變槳操縱板，而是運用筆記本電腦。一方面，在輪轂使用變槳調(diào)試軟件操縱葉片不間斷地轉(zhuǎn)動，變槳電機溫度不斷上升。另一方面，通過變槳調(diào)試界面仔細(xì)地觀察故障面變槳電機的溫升狀況。當(dāng)變槳電機溫度升至變槳電機風(fēng)扇啟動溫度以上時，自然就能觀察變槳電機風(fēng)扇啟動的真實情況。這樣就能極其便捷地知道，故障并非是變槳電機風(fēng)扇啟動所致。
現(xiàn)場維修人員不能借助調(diào)試軟件檢查機組及部件故障，會使收集信息不準(zhǔn)確，判斷故障困難，甚至產(chǎn)生誤判。從而大大增加了機組的維修時間。有的風(fēng)電場沒有給現(xiàn)場人員配備足夠的筆記本電腦，大大降低了收集故障信息的準(zhǔn)確性和便捷性。
有不少主控、整機廠家沒有從現(xiàn)場運維的角度去考慮機組主控的軟硬件設(shè)計，以及設(shè)計出與之配套專門用于現(xiàn)場維修的主控軟件。給準(zhǔn)確收集機組信息，現(xiàn)場維修、維護(hù)帶來了極大的不便。有的機組甚至把機組絕大部分的基本信息均儲存在后臺，而不是主控。這不僅使給現(xiàn)場機組維修收集故障信息帶來不便，而且，還可能因數(shù)據(jù)包丟失或環(huán)網(wǎng)通訊中斷，造成機組基本數(shù)據(jù)的丟失。設(shè)計者更沒有考慮提供專門用于機組維修、維護(hù)的主控軟件。這無疑給現(xiàn)場準(zhǔn)確收集信息增加了障礙，帶來了困難。
2、不適當(dāng)?shù)墓β士刂品绞健㈠e誤的超速參數(shù)設(shè)置縮短了變槳軸承使用壽命。
當(dāng)機組報“變槳電機溫度高”停機時，還有一個極其重要的現(xiàn)象，風(fēng)速通常是在8～12米/秒。這就是說，機組在8米/秒風(fēng)速以下，或12米/秒以上運行時，機組很少，或不會報此故障停機。
究其原因如下：
第一，機組并網(wǎng)后的葉片運動方式?jīng)Q定了變槳軸承在某個位置損傷以后，不能通過適當(dāng)措施使故障位置有所偏移。
在通常情況下，機組并網(wǎng)后，葉片度數(shù)固定在最大迎風(fēng)面位置不變，或只在很小范圍內(nèi)做進(jìn)槳、順槳的往復(fù)運動，而不會做整圈運動。葉片的某個度數(shù)與變槳軸承的內(nèi)圈、外圈以及變槳軸承齒圈之間的相對位置始終是固定不變的。如因機組葉片在0°～8°之間的區(qū)間范圍內(nèi)頻繁變槳，造成了變槳軸承的嚴(yán)重磨損，并出現(xiàn)“變槳電機溫度高”問題，則不能通過適當(dāng)?shù)姆绞绞棺儤S承的故障位置有所偏移，解決0°～8°區(qū)間范圍內(nèi)的變槳軸承損傷問題。
這就是說，在某個度數(shù)范圍，如因頻繁變槳造成了變槳軸承的內(nèi)外圈之間或變槳軸承齒圈嚴(yán)重磨損，造成了變槳電機嚴(yán)重過流、異響等問題，則只有更換變槳軸承，才能使問題得到根本解決。
第二，不適當(dāng)功率控制方式使變槳軸承使用壽命縮短。
該82型故障機組同步轉(zhuǎn)速為1500rpm，并網(wǎng)運行范圍1000～2000rpm。采用的功率控制方式：首先，嚴(yán)格按照葉片設(shè)計的葉尖最佳速比控制葉輪轉(zhuǎn)速，風(fēng)速大小決定葉輪轉(zhuǎn)速的高低。其次，再根據(jù)風(fēng)能大小確定給定扭矩。因此，隨著風(fēng)速的增加，葉輪轉(zhuǎn)速迅速增加，當(dāng)增加到額定轉(zhuǎn)速以后，風(fēng)速再繼續(xù)增加，功率控制的目標(biāo)轉(zhuǎn)速將不再變化。其后，隨著風(fēng)速的增加，只能增加給定扭矩。
這種功率控制方式，隨風(fēng)速的增加，轉(zhuǎn)速上升得很快。在8米/秒風(fēng)速左右就達(dá)到了額定轉(zhuǎn)速1800rpm，距機組的最大運行轉(zhuǎn)速2000rpm，僅有200rpm，此時，機組功率還遠(yuǎn)未達(dá)到額定功率1.5MW。如遇極端陣風(fēng)，就必須順槳。在陣風(fēng)過后，又需再次進(jìn)槳。在8～12米/秒風(fēng)速段，順槳、進(jìn)槳頻繁，從而不可避免地造成變槳軸承使用壽命的縮短。
另一方面，超過8米/秒風(fēng)速，轉(zhuǎn)速已升至1800rpm，受轉(zhuǎn)速裕度的限制，不能充分利用葉輪進(jìn)行儲能，吸收陣風(fēng)帶來的風(fēng)能。在機組還未達(dá)到1.5MW滿負(fù)荷發(fā)電時，完全可以通過適當(dāng)功率控制方式使之不變槳。不僅可以增加發(fā)電量、延長變槳軸承壽命，而且，還能延長變槳系統(tǒng)休眠期，減少變槳系統(tǒng)故障機率和備件用量。
風(fēng)速在8米/秒以下，葉輪轉(zhuǎn)速較低，轉(zhuǎn)速裕度大，陣風(fēng)來臨通常也不會變槳。變槳電機不工作，自然不會出現(xiàn)“變槳電機溫度高”的問題;當(dāng)風(fēng)速在12米/秒以上，雖然機組不停地調(diào)槳，但葉片在這些位置上運動較少，變槳軸承磨損小，因此，也不會報“變槳電機溫度高”停機。
以上分析可知，在8～12米/秒風(fēng)速段，機組報“變槳電機溫度高”停機，這與采取的功率控制方式有著必然的聯(lián)系。
第三，該機型錯誤的超速參數(shù)設(shè)置加劇了槳軸承壽命損壞。
該機型因執(zhí)行錯誤的超速參數(shù)，必然會導(dǎo)致機組報超速停機。當(dāng)機組轉(zhuǎn)速升至額定轉(zhuǎn)速1800rpm以后，遇到極端陣風(fēng)會觸發(fā)超速停機。為處理該機型的超速停機問題，只能通過修改變槳控制參數(shù)等盡可能地把機組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1800rpm左右，又進(jìn)一步使機組的變槳次數(shù)增加。并且，該機型執(zhí)行錯誤的超速參數(shù)設(shè)置已超過10年，至今仍未得到糾正，從而加劇了變槳軸承的損壞。
合理的超速參數(shù)，不僅能保證機組在極端風(fēng)況條件下不會報超速停機，而且，還能充分地保證葉輪儲能，保護(hù)變槳軸承、變槳電機等機組零部件。詳細(xì)的超速參數(shù)設(shè)置原理可參見，本人去年撰寫的論文：《雙饋風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)速控制與超速參數(shù)設(shè)置》、《雙饋風(fēng)電機組轉(zhuǎn)速控制與失控分析》和《風(fēng)電機組超速問題案例分析》，分別刊登在《風(fēng)能》2019年第6、7和8期上。
3、多年來的現(xiàn)場實踐證明，Mita主控WP3100所采用的功率控制方式較優(yōu)，值得學(xué)習(xí)和借鑒。
Mita主控WP3100所采用的功率控制方式，除充分考慮跟葉尖最佳速比提高機組效率之外，還充分考慮并保證了葉輪儲能所需的轉(zhuǎn)速裕度，保護(hù)變槳軸承等機組重要部件。
其功率控制方式是：在機組到達(dá)額定功率之前，機組轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的增加而增加。在轉(zhuǎn)速上升的同時，扭矩也隨之增加。當(dāng)機組轉(zhuǎn)速在1600rpm以下時，葉尖最佳比是功率控制考慮的主要因素，轉(zhuǎn)速上升速率較快，扭矩上升速率較慢;轉(zhuǎn)速在1600rpm以上時，隨著風(fēng)速的增加，轉(zhuǎn)速上升速率很慢，扭矩上升速率較快;機組達(dá)到滿負(fù)荷時，功率控制目標(biāo)轉(zhuǎn)速和扭矩均不再增加，此時，按額定轉(zhuǎn)速和額定扭矩較為穩(wěn)定地控制機組功率，按滿負(fù)荷功率進(jìn)行變槳調(diào)節(jié)。
在機組達(dá)到額定功率之前，功率控制的目標(biāo)轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速值，并且，在機組轉(zhuǎn)速較高時，隨轉(zhuǎn)速的增加，扭矩急劇增加，當(dāng)陣風(fēng)來臨，機組增加功率輸出的同時，增加機組轉(zhuǎn)速，這樣可以使葉片一直處于最大迎風(fēng)面位置，不順槳。這樣，即便是在10米/秒風(fēng)速的情況下，出現(xiàn)極端陣風(fēng)，也可以不順槳。只有當(dāng)持續(xù)風(fēng)能超過機組滿負(fù)荷功率1.5MW時，葉輪才會通過順槳釋放出過多的能量。 因此，機組在額定風(fēng)速之前，葉片均可由槳電機剎車器制動，使變槳系統(tǒng)長期處于休眠狀態(tài)。
就這種葉輪直徑為82米的82型機組來說，如果按照Mita主控WP3100的功率控制方式，只有超過機組的滿負(fù)風(fēng)速時，葉片才會順槳。這不僅能充分吸收陣風(fēng)帶來的能量;還能有效地減小陣風(fēng)對機組的沖擊;延長變槳軸承等重要部件的使用壽命;減少變槳系統(tǒng)耗電;降低變槳系統(tǒng)故障機率和備件用量。
因此，我們在實施控制功率控制策略時，應(yīng)充分理解，并認(rèn)真學(xué)習(xí)和研究國外一流廠家的先進(jìn)經(jīng)驗。綜合考慮提高機組效率、部件壽命以及維護(hù)和維修成本等多種因素，方能在機組壽命期內(nèi)使度電成本最低。
4、不正確的注油方式縮短變槳軸承的使用壽命。
在處理故障時，當(dāng)變槳軸承手動注油以后，變槳電機溫升狀況得到了明顯改善。這說明變槳軸承內(nèi)部潤滑不足，這是變槳軸承壽命縮短的又一重要因素。
變槳軸承注油方式應(yīng)根據(jù)機組環(huán)境條件的不同而不同。“常溫型”機組因機組所處環(huán)境的氣溫較高，潤滑脂粘性較小，可采用自動注油方式;而在內(nèi)蒙古地區(qū)的“低溫型”機組，冬天氣溫很低，潤滑脂粘性很大，自動潤滑油泵很難把潤滑油打到變槳軸承內(nèi)，采取手動注油更能保證變槳軸承的充分潤滑，避免不必要的變槳軸承損壞。
