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    淺談2MW雙饋風力發電機軸承超溫原因分析及治理

    2022-07-12 來源:風能產業作者:羅振斌 劉偉軍 李陽 瀏覽數:1065

    隨著清潔能源的發展壯大,風力發電機組的裝機量越來越大,保證風力發電機組的安全穩定運行成為風場的主要任務。風力發電機是風力發電機組重要的組成部分,由于自身及外界因素影響,發電機軸承溫度過高造成系統故障頻繁出現,本文從發電機軸承自身和運行工況角度闡述了造成軸承溫度升高的原因,并根據實際原因提出幾項解決措施,本文主要對風電機組發電機軸承超溫故障進行淺層的分析說明。

       1 引言
      風力發電機組在風電場運行過程中,常因發電機軸承溫度超溫而導致系統故障。當該故障發生時,風力發電機往往采取降功率運行或者停機等措施進行處置,這不僅降低了風電機組風能利用率,同時也增加了損失電量,導致風場發電量效益下降。為切實減少或消除該故障現象發生,針對軸承超溫現象,從原理上對引起發電機軸承溫升的原因進行深層分析,有效解決發電機軸承超溫問題。
      2 軸承配置
      2MW機組發電機配置2MW空水冷電機,型號為FDYS2.0-4KS。該型電機軸承結構為三軸承結構,即前軸承為一個圓柱滾子軸承和一個深溝球軸承,后軸承為一個圓柱滾子軸承。徑向載荷主要由圓柱滾子軸承承擔,軸向載荷由球軸承承擔,后軸承軸向浮動。該電機兩端均采用絕緣端蓋加深溝球軸承支撐,分別裝配于機座兩端端蓋的軸承室內。傳動端為定位軸承,定位軸承的尺寸設計,能恰好吸收電機自身產生的徑向力和軸向力,設計時沒有考慮吸收任何外部導入的附加的軸向載荷。非傳動端為游動軸承,裝配預緊力彈簧。
      前、后兩軸承內蓋均裝配有潤滑脂,型號:KluberplexBEM 41-141;注油嘴用于加注油脂,前后端軸承蓋中都裝有甩油環,能將多余的油脂從軸承蓋中甩出,軸承蓋底部開有泄油口和集油器。
      3 發電機冷卻和通風
      發電機采用空/空冷卻方式,電機內部通過空冷器頂部風機作用形成內循環風路,把熱量傳到電機背部散熱器內。散熱器上的軸流風機將設備周圍的空氣吸入使之通過散熱器管路形成外部風路,把熱量帶走。
      空冷器與滑環室及N端端蓋中的軸承冷卻器相聯,使部分冷卻風通過空冷器管道進入滑環室冷卻滑環,并經過濾器將碳粉過濾后吹出。
      通過發電機內部的冷卻空氣與安裝位置無關,冷卻空氣必須嚴格限制腐蝕性氣體和水蒸汽的含量(最大相對濕度為80%,最大粉塵含量為1mg/m3,最大SO2含量為1.5mg/m3)。
      4 發電機軸承超溫原因分析
      針對發電機軸承超溫現象,主要有以下幾方面原因:
     ?。?)潤滑不良
      發電機軸承潤滑不良、缺油或多油以及可能存在的內部油路遺留的廢油脂未及時清理,造成潤滑狀態不良引起的軸承溫度升高。
      圖1:發電機BS端軸承滾柱內廢脂較多
     ?。?)異常振動
      發電機軸承若出現早中期磨損,軸承振動相對增加,運行過程中狀態不穩定,導致軸承潤滑油膜破裂造成軸承溫度上升,但新油膜形成后溫度又回落達到新的穩定運行狀態。
     ?。?)電蝕
      發電機軸承絕緣降低時,導致其在運行過程中軸承滾道與滾子接觸面放電使油膜遭到破壞,形成火花放電,造成軸承內圈、外圈、滾動體之間的直接接觸,使得接觸的表面出現局部熔融現象,對軸承的溝道造成損傷,引起軸承電腐蝕,從而引起軸承早期失效。軸承出現電蝕后,在運行過程中,會造成潤滑油膜的損傷,從而在一定程度上造成相對運動摩擦的加劇,產生較多的熱量,從而加劇軸承的運行溫度。
     ?。?)熱穩定
      發電機負載運行時,其產生的損耗在電機內部產生一定熱量,通過冷卻系統進行熱量交換,以達到穩定的溫度熱平衡狀態。在此過程中,由于發電機繞組溫度直接影響內部循環空氣溫度,而軸承運行環境溫度及對流散熱主要受此溫度的影響,因此在穩定狀態之前,軸承運行溫度受此內風路運行空氣溫度的影響。對于前軸承,其主要散熱途徑為軸承與外側空氣的傳導散熱和內側空氣的對流換熱;對于后軸承,其主要散熱途徑為軸承與外側空氣(即滑環室內空氣)和內側空氣的對流換熱。發電機較長時間運行在滿發容性工況時,在一定程度上會使得內風路循環溫度偏高,影響軸承的對流散熱,尤其是在夏季,機艙環境溫度相對較高,軸承座及外表面散熱相對緩慢,從而造成軸承溫度偏高,出現高溫夏季軸承報警情況。
     ?。?)散熱不良
      發電機外軸承蓋中的廢油脂堆積,造成軸承散熱不良。
     ?。?)軸承磨損
      軸承運行情況與多種因素有關,運行轉速、載荷變化、潤滑情況等,軸承本身為旋轉機械結構元件,運行過程中,滾道和滾動體運行會存在一定程度磨損。為減小磨損,保證軸承壽命,軸承必須采用相應的潤滑措施,避免滾動體和滾道直接接觸,產生滑動磨損。電機在靜止狀態下,油脂受轉軸重量長期擠壓,油膜變得很薄,甚至消失,電機在啟動過程中,由于滾動體和滾道相對運行,滾動體在旋轉過程,油膜逐漸形成到穩定,在這個過程中,軸承會出現一些輕微的磨損,這種磨損是軸承運行中允許的工況,也是軸承運行存在壽命限制的原因。
     
      圖2:發電機內圈磨損痕跡
      圖3:BS柱軸承滾柱輕微磨損
     ?。?)軸承電腐蝕
      軸承電腐蝕主要是由于軸電壓擊穿油膜,在滾動體和滾道面形成微小的燒蝕痕跡,基于本電機軸承組結構和軸電流產生的機理,分析原因如下:
      軸電壓一般有兩種機理產生,一種是定轉子的同心度偏差造成轉子旋轉過程中與磁場感應出軸電壓,該部分軸電壓可以通過增加軸承組絕緣來有效的避免軸電流的產生;另一種是由于轉子變流器的高頻諧波在定子轉子繞組與鐵心中形成電壓,該部分軸電壓頻率較高,增加軸絕緣不能有效削弱軸電流,現常用的辦法就是以等電位的方式抑制軸電流的大??;軸電壓本身對軸承沒有損害,但形成軸電流且通過軸承滾動體和滾道面后會對軸承造成損傷,軸電壓本身只能削弱,不能完全消除,該電機主要采用增強絕緣和等電位的方法來抑制軸電流,從目前風電行業采取的軸電流防護措施看,是一種完善的抑制軸電流的措施。

     
     
    圖4:發電機BS柱軸承外圈滾道局部(約占整圓周1/3)電腐蝕
     
      5 排查及治理方法
      結合上述引起軸承運行溫度偏高的影響因素分析,目前業內判斷發電機軸承超溫故障依據主要有三點;一是CMS在線振動報警系統發電機分析報告,二是查看發電機軸承運行溫度,三是聽軸承運行聲音做輔助。特制定以下排查治理方法:
     ?。?)加強發電機潤滑系統維護
      a)監測發電機軸承運行溫度,定期維護中,重點檢查發電機軸承的潤滑情況,排查自動潤滑系統的工作情況,注油泵是否工作正常,油路有無堵塞,前后出脂量是否正常;
      b)針對短時加脂策略的影響因素,結合電機在風場運行的實際情況,選取幾臺夏季頻繁超溫機組,對發電機前、后端軸承進行手動加脂200ml,然后將自動潤滑系統停止工作2個月,監測軸承的運行狀態。
     ?。?)加強發電機軸承振動監測檢查
      針對發電機出現的振動情況,相關檢查項如下:
      a)采用便攜式振動測試儀,檢測發電機軸承空載額定運行狀態下,驅動端和非驅動端軸承振動速度,檢測位置為水平、豎直和軸向。
      b)檢查廢油脂收集情況及廢油脂顏色狀態,排查廢脂中金屬顆粒狀態,間接評定軸承有無磨損情況。
      c)檢查在線振動傳感器安裝有無松動情況。CMS監測可以預警電機軸承的運行情況,并通過不同級別指導維護人員采取不同等級的措施,加強關注軸承的運行溫度和軸承潤滑系統的運行情況,提高電機的運行質量。
      d)空轉軸承聲音檢查:在發電機轉速范圍內,分別在800rpm或接近額定轉速狀態下進行軸承聲音評定,關注正常停機狀態下,隨電機轉速降低軸承的聲音狀態。正常情況下,圓柱滾子軸承的聲音是一種規則或不規則的嘯叫聲,該聲音是由軸承內部的無規律擾動造成的,主要原因為徑向軸承在工作中存在非負荷區影響,在該區域滾動體的非受控運動及滾動體由非負荷區進入負荷區時的運動狀態的變化導致的聲音,該種聲音屬正常運行聲音。
      e)建議后續評定軸承運行聲音可采用聽診器進行評定,其類別如下:
      正常聲音:沒有忽高忽低的金屬連續性聲音;
      滾柱落下的聲音:該聲音在低轉速或接近停機時,由于旋轉位于靠近頂部非負荷圈處的滾柱靠著自身重力比仍在旋轉的保持架早落下的緣故產生的,該“殼托”樣聲音對運轉無影響。
      “嘎吱嘎吱”聲:該聲音多是軸承內部發出的聲音,與負荷無關,它是由于滾柱在非負荷圈內不規則運行所產生,并與軸承的潤滑狀態有關,長期不運行的電機在重新開始運轉的階段或冬季時較易出現,此聲音多在添加潤滑脂后就會消失。出現該聲音且未出現異常的振動和溫度時,軸承運轉正常。
      “哐當哐當”聲:該聲音多是軸承嚴重磨損或存在壓痕時出現的聲響,此時多伴隨著軸承振動的異?,F象,建議更換軸承。
      為避免軸承電蝕問題,發電機通過采用端蓋絕緣結構,將軸承電流通路隔斷;采用雙端軸接地碳刷方式,將轉軸上的電流經接地裝置進行導流,避免對軸承影響。
      a)軸承座絕緣檢測:采用搖表或絕緣表檢測軸承座絕緣性能。
      b)軸電壓檢測:分別檢測AS/BS端軸對端蓋的電壓,測量時另一側接地碳刷保持接地狀態。
      c)接地電流定量測量:電機在負載狀態下,采用電流鉗對接地碳刷與端蓋之間的鏈接線進行電流測定。
     ?。?)定期分析發電機運行數據定
      針對出現超溫情況的典型機組發電機,對其超溫時間段負載滿發狀態的運行溫度數據進行收集,分析其在散熱途徑上的熱穩定因素影響,其主要涉及到的數據有:風速、轉速、有功功率、無功功率、繞組溫度、前軸承溫度、后軸承溫度、內風路進風、內風路出風、機艙溫度、環境溫度、冷卻水溫、滑環室溫度,所有數據按照間隔2分鐘收集。
     ?。?)關注軸承散熱
      機組季度巡檢時排查發電機前、后軸承外軸承蓋內的廢油脂堆積情況,若廢油脂堆積較多,清理后可解決軸承超溫問題。
      6 結束語
      發電機軸承溫度過高不僅會造成系統故障,還可能降低使用壽命,燒壞軸承。因此,做好日常維護工作十分必要。在上文中,對風電機組發電機軸承超溫故障進行分析并提出維護措施,在未來工作當中,還需要進一步加大該方面研究分析力度,不斷提高風力發電機組設備可靠性。
      參考文獻:
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      [2]李通.雙饋風力發電機組故障分析及防范措施[J].電子世界,2019(18):141-142
      [3]姜銳,滕偉,劉瀟波,等.風電機組發電機軸承電腐蝕故障的分析診斷[J].中國電力,2019,52(06):128-133
      作者:國華(哈密)新能源有限公司 羅振斌 劉偉軍 李陽  
    閱讀上文 >> 液壓變槳風電機組變槳油缸漏油綜合治理
    閱讀下文 >> 金風1.5MW機組SWITCH變流器過流故障處理心得

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