某1.5MW風機齒輪箱潤滑系統機械泵電氣化改造研究

 

　　風電齒輪箱作為風機的核心部件之一，其潤滑系統對整個發電機組的工作狀況及使用壽命起到至關重要的作用[1-3]。風力發電機中不同部件故障占故障總數的百分比如圖1.1所示，其中，潤滑系統的失效占風機失效類型的13.0%。因此，有效保證潤滑系統各部件的正常工作，是風機運維中的重要環節。在對某風場1.5MW風機的監測過程中，發現其監測系統頻繁出現入口處油壓過低的報警，經過風電場現場咨詢勘查及技術分析，準備對主齒輪箱潤滑系統機械泵進行電氣化改進。

 

圖1.1 風力發電機不同部位故障比例

 

　　2 潤滑系統的組成

 

　　潤滑系統指的是向機械設備或設備組的摩擦點供送潤滑劑的系統，包括用以輸送、分配、調節、冷卻和精華潤滑劑以及指示、報警和監控潤滑壓力、流量和溫度等參數的整套裝置。在風力發電機的潤滑中，潤滑部位包括主軸承部分的潤滑、齒輪箱部分的潤滑、電機部分的潤滑、偏航部分的潤滑、變槳部分的潤滑。其中，風力發電機的主要潤滑部分是齒輪箱。其潤滑系統主要由球閥、電動泵組、機械泵、組合式油液污染控制元件、冷卻器、壓力傳感器、功能閥組和軟管組成其中，電動泵組、組合式油液污染控制元件和功能閥組集成與一體，機械泵安裝與齒輪箱上，風冷卻器通過軟管串接于系統中。齒輪箱運行前由電動泵提供潤滑油至齒輪箱各個潤滑點，齒輪運行后開始驅動機械泵，此時潤滑系統由電動泵和機械泵同時供油。

 

　　3 油壓低的原因

 

　　當齒輪箱中的潤滑油系統存在著冷油器的泄漏或者是潤滑油系統的堵塞問題時，如果不及時地進行處理，必定會引起潤滑油壓過低的問題。

 

　　3.2 油箱油位過低

 

　　如果齒輪箱潤滑系統油位過低，則會大大縮短系統回油時在油箱內的停留時間，容易導致油中所含有的水和空氣無法有效地排除。此外，油箱油位過低還會讓潤滑系統吸入口無法有效地浸入油面，從而加大了泵中的空氣含量，空氣會在設備的運行過程中逐漸進入到主油泵，進而導致主油泵出口油壓過低的問題。經現場檢查，未發現油位低于標準油位的狀況。

 

　　3.3 機械泵正常工作異常

 

　　風電齒輪箱設計機械泵是為了在電動泵不工作的情況下，繼續對齒輪箱各潤滑部位(主要是軸承、齒面嚙合)進行供油，減小軸承和齒輪件的磨損，以提高齒輪箱的壽命。但是隨著齒輪箱長時間的運行，機械泵出現故障的頻次也不斷增加，以致更換機械泵。機械泵出現的故障主要包括振動噪音偏大、機械泵不抽油、溫度過高等。經現場檢查，機械泵在運行過程中噪音偏大。拆解后，機械泵齒輪箱存在嚴重磨損(如圖2)。

 

 

　　以上結果表明，該齒輪箱潤滑系統入口油壓低是由機械泵齒輪的磨損引起的，為此，對主齒輪箱潤滑系統機械泵進行電氣化改進。要求在改造完成后輔助潤滑系統作為齒輪主潤滑系統的輔助系統，應能輔助提供穩定的潤滑冷卻油壓，保證齒輪箱潤滑系統正常工作，并且新增電動潤滑泵應能接受風機主控系統發出的控制指令，根據風機待機或運行的不同狀態，執行相應的運行工作流程。潤滑系統應能在出現故障時自動停機保護，并能即時反饋到風機主控中顯示報警信息。

 

　　4 改進方案

 

　　根據前期方案比選，考慮現場實際尺寸空間及后期維護操作等情況，更換機械齒輪泵為電動油泵，實現風機啟動即持續供油的可控模式，與原電動泵一同工作，保證齒輪箱足夠的潤滑油量油壓。電動機與油泵為內置連接，滿足安裝空間尺寸和原設計油量要求。

 

　　新電機型號: REP-MDK25-D15功率1.5kw 6極，新油泵排量25升/分。

 

基本原理圖如圖4.1：

 

圖4.1 齒輪箱電氣化改造原理圖

 

　　4.2 電氣部分方案

 

　　根據潤滑系統計算選型，電動泵電機功率1.5kW，三相，400V△-690VY接法，額定電流3.2A。

 

　　分析目前風機機組齒輪箱潤滑泵工作控制情況，錄波如圖示，可以看出在齒輪箱處于低轉速(<200rpm)情況下，電動泵處于間斷工作模式，啟動約3min-停止2min。而在齒輪箱高轉速情況(>200rpm)情況下，電動泵連續工作。

 

　　這種工作模式跟原有齒輪泵工作模式基本一致，兩者在正常發電情況下處于同時啟停狀態。為簡化新電動泵控制電路，盡量減少對原有風機主控電路進行變更和操作，所以在本次技改中將新增電動泵和原齒輪箱電動泵并聯控制，同時啟停。

 

　　4.3 技改接線方案

 

　　考慮到原風機控制柜內預留部分冗余控制電路，實際并未安裝，所以可以在主控柜內原有控制電路的基礎上進行調整，用作新加電動泵的控制電路。

 

　　具體如下：

 

　　1.電動泵現場配線(4x1.5mm²，從齒輪箱電動泵接入風機主控柜，接線端子X1，要求做好防護，并在通電前測量接地電阻和絕緣電阻。

 

　　2.油泵電機接地連接。

 

　　3.斷開原冗余控制電路繼電器到主控模塊DO 509的連接。

 

　　4.將繼電器控制線圈接入主控模塊DO 513。

 

　　5.更換原電動機斷路器，替換為GV2-ME08C(原有輔助觸點繼續使用)。

 

　　6.更換原有指示標簽為“齒輪箱油泵2”

 

　　7.替換相關電路圖。

 

　　8.通電試運行，檢查相序和電流、電壓。

 

　　9.做好相關記錄。

 

 

　　停機確認→排油盛裝→原機械齒輪泵拆除→原齒輪箱孔洞使用新端蓋封堵→集成電動泵安裝固定(利用原孔洞地腳及端蓋支架，吸排油管選用原軟管)→管路連接→ 電路及控制線路連接加注潤滑油→試車前檢查清理→試車

 

　　5.2 改進工藝步驟

 

　　按風場及風機技術要求選擇適合天氣停機確認，鎖定風輪鎖。

 

　　5.2.2 排油盛裝

 

　　清潔齒輪箱檢查口，打開齒輪箱目視檢查潤滑油。如無異常，使用準備好同牌號的清潔空油桶排油。

 

　　準備好接油盤放置在機械泵下方，拆下機械齒輪泵所連接的油管，根據情況確定是否還需電動泵排油。拆下機械泵聯軸器法蘭盤四根M8螺栓，機械泵及膠管口用清潔抹布包好，螺栓妥善放置。機械泵及油管位置如下圖1。

 

圖1 機械泵位置

圖2 端蓋支架

 

　　5.2.4 集成電機泵安裝

 

　　使用新的端蓋支架(如圖2)，上好密封圈，用原四根M8聯軸器法蘭螺栓固定，下支腿一端連接到原有齒輪箱端蓋(如圖3)，另一端固定到新電機支架上，固定方法如圖4。

 

圖3 已有端蓋

 

圖4 新電動泵固定方式示意圖

 

　　5.2.5 管路連接

 

　　檢查連接新膠管，使用清洗劑清理干凈接口，并檢查吸油排油管螺栓緊固后。

 

　　5.2.6 電路及控制線路連接

 

　　按電氣線路及控制線路見齒輪箱技改方案(電氣部分)要求接線。

 

圖5 柜內電氣接線

 

　　5.2.7 加注潤滑油

 

　　使用手動或電動濾油車加注已抽出的潤滑油，檢查油位，根據情況是否補充加注。

 

　　5.2.8 檢查清理

 

　　檢查管路螺栓緊固，齒輪箱檢查口內無異常，電路及控制線路接線無誤，清理工具及新舊抹布，確認無誤后，通電準備測試。

 

　　6 結論

 

　　某1.5MW風機經過電氣化改造最終效果如圖6.1所示，

 

圖6.1 電氣化改造后的齒輪箱

 

　　隨后對改造的系統進行實驗，單機測試新電動泵運行不小于15分鐘，待壓力穩定后觀察潤滑系統壓力并記錄，工作正常。與原電動泵聯動測試運行，不小于15分鐘，待壓力穩定后觀察潤滑系統壓力并記錄。運行正常后解除鎖定通知業主，啟動風機，注意觀察齒輪箱運行各項參數(如圖6.2)。與改造前的齒輪箱各項參數(如圖6.3)對比，齒輪箱入口壓力由0.5bar提高到1.5bar，壓力提高了3倍，有效解決了齒輪箱入口壓力低的問題。

 

圖6.2 改造后風機及油壓狀況

 

圖6.3 改造前風機及油壓狀況

 

　　以上結果表明，改造非常成功，即解決了齒輪箱入口油壓低的問題，新增電動潤滑泵又能接受風機主控系統發出的控制指令，根據風機待機或運行的不同狀態，執行相應的運行工作流程，提高了風機齒輪箱的智能化成都，同時提高了潤滑系統在出現故障時自動停機保護能力，能即時反饋到風機主控中顯示報警信息。

 

　　參考文獻：

 

　　[1]、薛凱.淺析齒輪箱潤滑系統的結構和控制原理[J].液壓與氣動,2011(03):58-59.

 

　　[2]、李廣偉,趙登利,于良峰.風電齒輪箱潤滑系統故障分析及解決方案[J].風能,2015(11):90-92.

 

　　[3]、米林,秦甲磊,譚偉,吳旋.某風電齒輪箱運行狀態監測系統設計[J].重慶理工大學學報(自然科學),2012,26(08):26-30.

 

 

　　馬世明，現任寧夏銀星能源股份有限公司檢修檢測基地營銷副總經理，兼任中國礦業大學銀川學院和北方民族大學機電系客座教授，主管風電、煤炭、火電、鋁加工行業后市場檢修檢測市場營銷業務，尤其在齒輪箱減速器的設計制造及檢修維護方面有豐富的工作經驗。