劉宇
(深能北方(錫林郭勒)能源開發(fā)有限公司 內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026000)
【摘 要】風電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展促成了風電裝備制造業(yè)的繁榮，風電齒輪箱作為風電機組的核心部件，倍受國內(nèi)外風電相關行業(yè)和研究機構的關注。但由于國內(nèi)風電齒輪箱的研究起步較晚，技術薄弱，特別是兆瓦級風電齒輪箱，主要依靠引進國外技術。因此，急需對兆瓦級風電齒輪箱進行自主開發(fā)研究，真正掌握風電齒輪箱設計制造技術，以實現(xiàn)風機國產(chǎn)化目標。本文主要討論的是兆瓦級風力發(fā)電機組的齒輪箱。
【關鍵詞】風力發(fā)電；風機齒輪箱；維護
1 引言
縱觀社會的發(fā)展，科學技術作為推動力，當科學技術發(fā)展到足夠的階段時，將帶來人類社會突飛猛進的發(fā)展。這一事實，在二十世紀表現(xiàn)的越來越明顯，這一推動力的作用越來越突出。
從能源、電力產(chǎn)業(yè)看，二十世紀九十年代，世界能源、電力市場發(fā)展Z迅速的已不再是石油、煤、天然氣，太陽能發(fā)電、風力發(fā)電等可再生能源異軍突起。全世界風力發(fā)電容量在1990年的200萬千瓦，2009年一年內(nèi)全球新增風力發(fā)電裝機容量就已達到3750萬千瓦，而截止到2011年3月7日，我國的風電裝機總量有4182.7萬千瓦，首次超越美國成為世界上風電大國。因此，就新能源、電力方面而言，二十一世紀將是可再生能源的世紀，能源、電力的開發(fā)利用將面臨歷史的變革。為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，適應世界發(fā)展趨勢，能源產(chǎn)業(yè)尤其是電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必然選擇風能等可再生能源和新能源。
風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊藏量巨大，全球風能資源總量約為2萬億千瓦，其中可利用的風能為200億千瓦。中國可開發(fā)利用的風能資源有10億千瓦，其中陸地2.5億千瓦，現(xiàn)在僅開發(fā)了不到0.2%;近海地區(qū)有7.5億千瓦，風能資源十分豐富。陸上風能資源豐富的地區(qū)主要分布在“三北”(東北、西北、華北)地區(qū)以及東南沿海地區(qū)。三北地區(qū)可開發(fā)利用的風力資源有2億千瓦，占全國陸地可開發(fā)利用風能的79%。由此可見中國風力資源是十分豐富的，遠遠超過可開發(fā)的水電和火電資源量。
近年來隨著風電機組單機容量的不斷增大，以及風電機組的投行時間的逐漸累積，由齒輪箱故障或損壞引起的機組停運事件時有發(fā)生，由此帶來的直接和間接損失也越來越大，因此對分離發(fā)電機組的維護保養(yǎng)十分重要。維護人員投入相關工作的工作量也有上升趨勢，這就促使越來越多的風電場開始加強齒輪箱的日常監(jiān)測和定期保養(yǎng)工作。
風力發(fā)電場在國內(nèi)作為一種新興的發(fā)電企業(yè)形式因其具有自身的發(fā)展和生產(chǎn)性質(zhì)特點，要求員工必須有較高的專業(yè)知識、技術業(yè)務水平和必要的技能技巧，因此做好風力發(fā)電機組的運行與維護，此論文的書寫對本人現(xiàn)在以及今后工作具有重要意義。
2 風電及齒輪箱的發(fā)展趨勢
2.1 風力發(fā)電發(fā)展的主要趨勢
2.1.1 機組單機容量增大風電機組單機容量的增大有利于提高風能利用率，降低風場的占地面積，降低風電場運行維護成本，從而提高風電的市場競爭力。目前，上主流的風電機組已達到(2-3)MW，由德國公司研制的Z大的5MW 風電機組已投入運行，其旋翼區(qū)直徑達到126米。可以預見，(3-5)MW的風電機組在市場中的比例將日益提高。2008年2月在布魯塞爾舉行的風能會議和風能展上，有與會者甚至提出了2020年前開發(fā)出20MW風電機組的概念。
2.1.2 海上風電迅速興起海上風能資源豐富，且受環(huán)境影響小，海上風電場將成為一個迅速發(fā)展的市場。目前丹麥、德國、英國、瑞典和荷蘭等國家海上風電發(fā)展較快。歐洲風能協(xié)會預測，2020年，歐洲海上風電總裝機容量將達到70000MW。雖然海上風電前景廣闊，但目前還有技術等方面的因素制約著它的發(fā)展。一方面，海上風電機組均為陸上風電機組改造而成，而復雜的海上自然條件使得風電機組的故障率居高不下，如世界Z大的海上風電場丹麥霍恩礁風電場，80臺海上風電機組故障率超過70%。另一方面，電網(wǎng)將難以承受大規(guī)模海上風電場所提供的巨大電能。因此，海上風電的大發(fā)展仍需要解決機組及上網(wǎng)配套設施等方面的問題。
2.1.3 變速恒頻技術快速推廣目前市場上恒速運行的風電機組一般采用雙繞組結構的異步發(fā)電機，雙速運行。在高風速段，發(fā)電機運行?較高轉速上;在低風速段，發(fā)電機運行在較低轉速上。其優(yōu)點是控制簡單，可靠性高;缺點是由于轉速基本恒定，而風速經(jīng)常變化，因此機組經(jīng)常處于風能利用系數(shù)較低的狀態(tài)，風能無法得到充分利用。隨著風電技術的進步，風電機組開發(fā)制造廠商開始使用變速恒頻技術，并結合變槳距技術的應用開發(fā)出了變槳變速風電機組。與恒速運行的風電機組相比，變速運行的風電機組具有發(fā)電量大、對風速變化的適應性好、生產(chǎn)成本低、效率高等?點。因此，變速運行的風電機組也是未來發(fā)展的趨勢之一。德國公司是目前全球生產(chǎn)變速風電機組Z多的公司。
2.1.4 全功率變流技術興起近年來，歐洲的公司都開發(fā)和應用了全功率變流的并網(wǎng)技術，使風輪和發(fā)電機的調(diào)速范圍達到了0～150%的額定轉速，提高了風能的利用范圍，改善了風場上網(wǎng)電能的質(zhì)量。德國公司還將原來對每個風電機組功率因數(shù)的分散控制加以集中，由并網(wǎng)變電站來統(tǒng)一調(diào)控，實現(xiàn)了電網(wǎng)的有源功率因素校正和諧波補償。全功率變流技術將在今后大型風電場建設時得到推廣應用。
2.1.5 直驅(qū)和半直驅(qū)風電機組直驅(qū)式風電機組采用多極電機與葉輪直接連接進行驅(qū)動的方式，免去故障率較高的齒輪箱，在低風速時效率高，且具有低噪聲、高壽命、運行維護成本低等優(yōu)點。近年來直驅(qū)式風電機組的裝機份額增長較塊，但由于技術和成本等方面的原因，在未來較長時間內(nèi)帶增速齒輪箱的風電機組仍將在市場中占主導地位。半直驅(qū)是介于齒輪箱驅(qū)動和直接驅(qū)動之間的一種驅(qū)動方式，它采用一級齒輪箱增速，結構緊湊，具有相對較高的轉速和較小的轉矩。與傳統(tǒng)的齒輪箱驅(qū)動相比，半直驅(qū)增加了系統(tǒng)的可靠性;而與大直徑的直驅(qū)相比，半直驅(qū)通過更高效和緊湊的機艙排列減小了系統(tǒng)的體積和重量。
2.2 風電齒輪箱的發(fā)展趨勢
風電產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展促成了風電裝備制造業(yè)的繁榮，風電齒輪箱作為風電機組中Z重要的部件，倍受國內(nèi)外風電相關行業(yè)和研究機構的關注。
風機增速齒輪箱是風力發(fā)電整機的配套產(chǎn)品，是風力發(fā)電機組中一個重要的機械傳動部件，它的重要功能是將風輪在風力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機，使其得到相應的轉速進行發(fā)電，它的研究和開發(fā)是風電技術的核心，并正向高效、高可靠性及大功率方向發(fā)展。
風力發(fā)電機組通常安裝在高山、荒野、海灘、海島等野外風口處，經(jīng)常承受無規(guī)律的變相變負荷的風力作用以及強陣風的沖擊，并且常年經(jīng)受酷暑嚴寒和極端溫差的作用，故對其可靠性和使用壽命都提出了比一般機械產(chǎn)品高得多的要求。
風電行業(yè)中發(fā)展Z快，Z有影響的國家主要有美國、德國等歐美發(fā)達國家，在風電行業(yè)中處于統(tǒng)治地位。歐美發(fā)達國家早已開發(fā)出單機容量達兆瓦級的風力發(fā)電機，并且技術相對成熟，具有比較完善的設計理論和豐富的設計經(jīng)驗，而且商業(yè)化程度比較高，因此在風力發(fā)電領域中處于明顯的優(yōu)勢和主導地位。
盡管上齒輪箱設計技術已經(jīng)比較成熟，但統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，齒輪箱出現(xiàn)故障仍然是故障的Z主要原因，約占風機故障總數(shù)的20%左右，由于我國商業(yè)化大型風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，技術上較歐美等風能技術發(fā)達國家存在報大差距。我國在九五期間開始走引進生產(chǎn)技術的路子，通過引進和吸收國外成熟的技術，成功研發(fā)出了兆瓦級以下風力發(fā)電機。
2.3 齒輪箱相對于風電的意義
風力發(fā)電是清潔可再生能源，蘊存量巨大，具有實際開發(fā)利用價值。大量風能開發(fā)不可能靠某個部門或行業(yè)的財政補貼就能解決，商業(yè)化不僅是市場的要求，也是風力發(fā)電發(fā)展的自身需要。所以，風力發(fā)電商業(yè)化是必由之路，可行之路。風力發(fā)電機組中的齒輪箱是一個重要的機械部件，其主要功用是將風輪在風力作用下所產(chǎn)生的動力傳遞給發(fā)電機并使其得到相應的轉速。通常風輪的轉速很低，遠達不到發(fā)電機發(fā)電所要求的轉速，必須通過齒輪箱齒輪副的增速作用來實現(xiàn)，故也將齒輪箱稱之為增速箱。齒輪箱作為傳遞動力的部件，在運行期間同時承受動、靜載荷。其動載荷部分取決于風輪、發(fā)電機的特性和傳動軸、聯(lián)軸器的質(zhì)量、剛度、阻尼值以及發(fā)電機的外部工作條件。
開發(fā)新能源是國家能源建設實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，是促進能源結構調(diào)整、減少環(huán)境污染、推進技術進步的重要手段。風力發(fā)電是新能源技術中Z成熟、Z具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。
2.3.1 由于我國風電產(chǎn)業(yè)起步較晚，缺乏基礎研究積累和人才，我國在風力發(fā)電機組的研發(fā)能力上還有待提高，總體來說主要以引進國外先進技術為主。目前國內(nèi)引進的技術，有的是國外淘汰的技術，有的圖紙雖然先進，但受限于國內(nèi)配套廠家的技術、工藝、材料等原因，導致國產(chǎn)化的零部件質(zhì)量、性能仍有一定差距。所以，在引進國外風機技術的同時，開發(fā)自主知識產(chǎn)權的兆瓦級增速齒輪箱，是加速我國風電產(chǎn)業(yè)的一項重要任務。
2.3.2 增速齒輪的設計和制造技術是整個風力發(fā)電機組的關鍵技術，關系到整個風力發(fā)電機組的命運。因此，要加強齒輪的研究，對齒輪進行結構設計，提高齒輪的嚙合質(zhì)量，降低噪聲，保證齒輪機械效率，提高齒輪的運行可靠性。
2.3.3 增速齒輪箱以漸開線齒輪為主，人們對標準的漸開線齒輪有了一套比較成熟的設計、強度計算和加工方法。兆瓦級增速齒輪對漸開線齒輪傳動提出了新的要求，在尺寸、重量Z小的情況下，可靠地傳遞高速、重載的運動，這就對齒輪分析的計算精度提出了很高要求，高精度齒輪分析是輪齒承載能力、振動、噪聲及修形等研究的基礎。因此，建立準確的分析模型，準確求解受載輪齒的載荷分布對修形規(guī)律的研究具有重要意義。
3 齒輪箱的運行與維護
3.1??輪箱
風輪的轉速較低，在多數(shù)風力發(fā)電機組中，達不到發(fā)電機發(fā)電要求，必須通過齒輪箱齒輪副的作用來實現(xiàn)增速，故也將也將齒輪箱稱之為增速箱。
3.1.1 齒輪箱的構成
常用齒輪副：直齒和斜齒圓柱齒輪和行星齒輪。實際應用的風力發(fā)電機主齒中，Z常見的是由行星齒輪系和平行軸輪系混合構成的。
3.1.2 安裝要求
齒輪箱的主動軸與葉片輪轂的聯(lián)接必須可靠緊固。輸出軸若直接與電機聯(lián)接時，應采用合適的聯(lián)軸器，Z好的彈性聯(lián)軸器，并串接起來保護作用的安全裝置。齒輪箱軸線上和與之相連接的部件的軸線應保證同心，其誤差不得大于所選用聯(lián)軸器的齒輪箱的允許值，齒輪箱體上也不允許承受附加的扭轉力。齒輪箱安裝后用人工搬動應靈活，無卡滯現(xiàn)象。打開觀察窗蓋檢查箱體內(nèi)部機件應無銹蝕現(xiàn)象。用涂色法檢驗，齒面接觸斑點應達到技術條件的要求。
3.1.3 運輸和存儲
存儲一般我們是在干燥通風的環(huán)境當中，地面保持水平，齒輪箱要安放平穩(wěn)，齒輪箱保持一個靜止狀態(tài)。另外又要做好防銹處理，還有不能露天存放，有一些風場因為存儲條件不好，經(jīng)常把齒輪箱放到露天的，這很容易出問題。還有天氣狀況，根據(jù)天氣狀況，我們要每6-12個月重新涂抹一下防銹劑，環(huán)境條件應該保持在空氣濕度低于70%，溫度一般在18到45度之間。存儲中，齒輪箱上的孔需要加蓋油脂。特別是在運輸，運輸當中我們這個也要重視，就是有一些物流公司我們在運輸?shù)臅r候特別之前要檢查一下它的資質(zhì)，是不是用過齒輪箱，還有包裝，固定非常重要，因為齒輪箱的跌落也是我們經(jīng)常遇到的一個情況，造成齒輪箱不必要的損失。
3.1.4 齒輪箱的維護
一般來說，潤滑油在齒輪箱里面是一個Z重要的，我們在維護和保養(yǎng)方面必須要引起足夠重視的這么一個，就是對齒輪箱維護保養(yǎng)影響比較大的因素。新機運行250小時，需要做次的油樣分析，半年以后再做一次，三年以后，根據(jù)油樣分析的結果決定是否要更換潤滑油。更換油的時候，首先要更換同型號，同品牌，如果同型號，同品牌做不到，我們必須做互溶性的試驗。濾芯需要12個月更換一次，日常維護一般來說1-3個月，比如檢查齒輪箱的箱體外觀，螺栓，包括管路等。更換油濾，必須要觀察油濾上是不是有鐵屑，如果堵塞，油濾必須要更換，說明這個潤滑油里面是有問題了，就是要詳細檢查各個齒輪的部位。
另外，檢查磁棒，齒輪箱里面我們一般在外部設一個磁棒伸到齒輪箱的內(nèi)部，如果磁棒干凈，我們?nèi)庋塾^察齒輪箱里面沒有問題，如果上面吸附了很多的金屬粉末，或者鐵屑，說明某一個部位磨損嚴重。磁堵，齒輪箱的各個部委都會設置一些磁堵，如果干凈，或者沒有問題�？諝鉃V芯，也是很重要的一個部件，我們首先檢查它是否干凈，如果它有堵塞，或者非常贓，需要馬上更換。還有長時間的停機和齒輪箱長時間的存放，我們必須要每3個月手動盤車數(shù)圈，增加潤滑，并防止靜止壓痕。還有機械泵長時間存放的時候也必須做好潤滑。內(nèi)窺鏡檢查是我們對齒輪箱內(nèi)部進行檢查的一個有效手段。一般我們通過內(nèi)窺鏡可以看到各個部位軸承的狀況，包括齒面的狀況，包括肉眼從觀察口看不到的這些地方。
3.1.5 齒輪箱常見故障
主要的故障分為九類，類我們可以看到是齒輪的損傷，第二類是軸承損傷，第三類是鋼體的開裂，第四個是銹蝕，第五是滲漏油，第六、螺栓斷裂、第七、機械泵損壞，第八、異響和振動，第九、油溫和油壓的異常。
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來源：《風電技術》
