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干貨丨葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)膠流掛脫落對風電機組安全運行影響及典型案例分析

   2020-06-05 第六屆中國風電后市場交流合作大會論文集49650
核心提示:一、葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)膠流掛脫落形成機理葉片是風電機組吸收風能的主要部件,每臺機組一般配置三支葉片,控制系統(tǒng)根據(jù)風速高低調(diào)節(jié)槳
一、葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)膠流掛脫落形成機理

葉片是風電機組吸收風能的主要部件,每臺機組一般配置三支葉片,控制系統(tǒng)根據(jù)風速高低調(diào)節(jié)槳距角大小,從而調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速。嚴格來講,三支葉片應該進行動平衡實驗檢測,但由于葉片長度較大,生產(chǎn)廠家無法進行葉片的動平衡實驗。為了盡量保證三支葉片的動平衡,葉片生產(chǎn)廠通常檢測每支葉片的重量和重心,必要時進行配重,把重心位置相同、重量一樣的三支葉片編為一組,裝在一臺風力發(fā)電機組上。

風力發(fā)電機組葉片在生產(chǎn)過程中,上下殼體合模粘接(葉片前緣粘接、后緣粘接、腹板與上下殼體粘接,如下圖所示)時需要保證粘接面積和粘接強度,在粘接面上涂抹的結(jié)構(gòu)膠必須充盈,因此合模后結(jié)構(gòu)膠必然有擠出,在粘接部位形成流掛。在葉片運行一段時間后,由于葉片承受風載荷,反復彎曲變形,這些流掛就會發(fā)生脫落,掉在葉片內(nèi)部。

二、結(jié)構(gòu)膠流掛對機組運行影響分析

掉落在葉片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)膠流掛,因在三支葉片掉落的位置、數(shù)量是隨機的,打破了三支葉片生產(chǎn)時的動平衡。這些脫落的流掛,在低轉(zhuǎn)速時隨著葉片轉(zhuǎn)動而在葉片內(nèi)部上下運動,形成嘩啦嘩啦的聲音;如果機組葉片在某種情況下高速轉(zhuǎn)動,就可能引起機組劇烈振動,甚至造成倒塌事故。葉片內(nèi)部脫落的結(jié)構(gòu)膠流掛對風電機組造成的影響如下:

1、運行噪音

脫落的流掛引起的噪音和葉片轉(zhuǎn)速相關(guān),當葉片轉(zhuǎn)動引起的離心加速度(V²/R)小于重力加速度(g)時,脫落的流掛隨著葉片轉(zhuǎn)動而上下移動。帶有脫落流掛的葉片在上垂直位時,脫落的流掛會在重力作用下下落,從葉尖落到葉根形成噪音;帶有脫落流掛的葉片在下垂直位時,脫落的流掛又會在離心力和重力的疊加作用下加速下落,從葉根落到葉尖并撞擊葉尖,再次形成噪音;即低速運行時,每支葉片隨葉輪旋轉(zhuǎn)一周會出生二次噪聲。

當葉片轉(zhuǎn)速升高,轉(zhuǎn)動引起的離心加速度(V²/R)大于重力加速度(g)時,脫落的流掛就會被離心力甩至葉尖,隨葉片轉(zhuǎn)動,不再發(fā)出嘩啦嘩啦的聲響。

2、振動

(1)低速運行時的撞擊振動。

當(V²/R)<g時,脫落的流掛在葉片內(nèi)上下移動對葉片根部和葉尖的反復沖擊引起的撞擊振動。這種振動的頻率較低,對機組的沖擊危害不太大。

(2)受控狀態(tài)下高速運行時的葉片不平衡振動。

當(V²/R)> g時,葉片內(nèi)部脫落的流掛在葉尖部位,使三支葉片動平衡遭受破壞,從而引起機組振動。這種振動的頻率隨著葉片的轉(zhuǎn)速升高而升高,離心力也隨著葉片轉(zhuǎn)速的升高而增大,從而導致更嚴重的不平衡。機組達到額定轉(zhuǎn)速后由于變槳控制系統(tǒng)的介入,葉片轉(zhuǎn)速不再升高,振動頻率和離心力可穩(wěn)定在某一個數(shù)值。

以某品牌141/2.5MW風機為例,風輪額定轉(zhuǎn)速11.5r/min,葉片直徑141米,由于葉尖空間狹小,假設脫落流掛停留在葉輪半徑70米處,一支葉片內(nèi)脫落流掛重5kg,其隨葉片在額定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動形成的離心力可以由下式計算得出:

離心力 F=MV²/R 式中:M=5kg, R=70m V是葉尖線速度

V由以下公式計算得出:

V = nлD/60= 11.5 *3.14 *140 /60 ≈ 84(m/s)

F = MV²/R = 5 *(84)²/70 = 504(N)

即:單支葉片內(nèi)5kg的脫落流掛隨葉片在額定轉(zhuǎn)速11.5r/min下轉(zhuǎn)動給機組帶來了額外的504(N)頻率為11.5Hz的不平衡旋轉(zhuǎn)動載荷,必然引起機組的運行振動。

(3)失控狀態(tài)下高速運行導致的事故。

當控制系統(tǒng)失效等原因,風機發(fā)生飛車時,即使機組達到額定轉(zhuǎn)速葉片轉(zhuǎn)速還會繼續(xù)升高,上述脫落流掛造成的離心力將以與轉(zhuǎn)速成平方關(guān)系的方式增加:

假設風機飛車后葉片轉(zhuǎn)速達到100r/min,

則:V = 100 *3.14 *140 / 60 ≈733m/s

F = 5 (733)²/ 70 ≈ 38,378(N)≈3.84t

即:這個5kg的脫落流掛在隨葉輪100r/min轉(zhuǎn)速下,對機組形成了約3.84噸的離心力,機組在如此大的周期性離心力作用下將產(chǎn)生劇烈的振動,同時對塔架中下部產(chǎn)生巨大的彎曲力矩,在振動和巨大彎曲力矩的疊加作用下,可以在幾分鐘內(nèi)導致風機倒塌。

三、典型案例分析

案例一 2018年3月25日,寧夏某風電場發(fā)生的1.5MW風機倒塌事故。

事故概況:2018年3月25日15:27,風電場五人對C04號機組進行日常維護,約16:40維護工作結(jié)束,兩位風機輪轂維護人員出輪轂,并搖出葉輪鎖定位銷,關(guān)閉液壓站高速制動器控制閥,液壓剎車鉗打開,葉輪開始旋轉(zhuǎn)。其中一位運維人員發(fā)現(xiàn)異常后,于16:42'16"按下“手動急停按鈕”,停機失敗。16:42'28"C04風機報“超速故障”信號,輪轂維護人員大聲提醒“跑槳啟機了”。16:43:07,手動采取高速軸制動試圖停車,風機報“本地手動停止、液壓剎車未釋放”故障,但剎車未動作,風機轉(zhuǎn)速快速上升。機艙4名人員立即開始緊急依次通過爬梯下塔。16:45 風機發(fā)電機最大轉(zhuǎn)速達到3946.98rpm。16:46C04風機發(fā)生倒塌。

事故記錄:

1) PLC控制器5分鐘數(shù)據(jù)記錄:16:40至16:45區(qū)間:C04機組高速軸剎車進行了釋放操作,發(fā)電機轉(zhuǎn)速從0rpm開始上升,發(fā)電機最大轉(zhuǎn)速為3946.98rpm,最小轉(zhuǎn)速為0rpm,平均轉(zhuǎn)速為1904.045rpm;主軸最大轉(zhuǎn)速為40.14rpm,最小轉(zhuǎn)速為0rpm,平均轉(zhuǎn)速為18.893rpm。

2) 風機SCADA系統(tǒng)(數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng))故障記錄:16:42'16"進行了機艙急停操作;16:42'28"機組激活發(fā)電機超速故障;16:42'33" 激活主軸超速故障;可知16:42'16"機組的轉(zhuǎn)速低于1980rpm(發(fā)電機轉(zhuǎn)速軟件保護值為1980rpm)。

3) 16:45:37,風機SCADA系統(tǒng)報“塔底急停”故障,此時塔筒劇烈晃動,機組振動值為0.506g,超出0.2g的規(guī)定值,導致常閉觸點的塔底急停線路斷電。16:45:57,風機SCADA系統(tǒng)報“剎車盤磨損”,此時機艙晃動加劇,聯(lián)軸器已不規(guī)則運行導致剎車盤磨損。16:46,風機附近人員電話上報C04飛車,風機倒塌。

4) C04風機第二層塔筒與第一層塔筒脫開,塔筒法蘭連接螺栓全部斷裂,第二層及以上塔筒連同機艙整體傾倒,第一層塔筒未傾倒且未見明顯異常。

事故分析:根據(jù)C04風機運行記錄風機飛車,風輪轉(zhuǎn)速達到40r/min便導致了機組劇烈振動(晃動)致使風機倒塌。該起事故的調(diào)查報告沒有特別說明風機倒塌前有葉片折斷或解體發(fā)生,由此可以斷定必然是三支葉片的動平衡受到了破壞,使機組產(chǎn)生劇烈振動加晃動直至倒塌。

案例二 2015年10月1日,某風電場發(fā)生的1.5MW機組倒塌事故。

事故概況:2015年10月1日7時38分,某風電場1A03號1.5MW機組通訊消失,運行值班員通知檢修班長,檢修班長匯報給風電場專責人,并組織人員到現(xiàn)場進行檢查。7時50分檢修人員到達現(xiàn)場,發(fā)現(xiàn)1A03號風機已倒塌,下段塔筒法蘭與基礎(chǔ)環(huán)法蘭128顆連接螺栓全部斷裂。經(jīng)現(xiàn)場查勘,塔筒傾倒過程中有約90度旋轉(zhuǎn),下段塔筒有局部彎曲變形,筒身圓形改變?yōu)闄E圓形,基礎(chǔ)環(huán)法蘭有局部向上變形;機艙脫離塔頂距塔筒倒塔方向左側(cè)10米左右,機艙本體外殼呈碎裂狀態(tài);三支葉片嚴重損壞,其中一支葉片距根部2-3米左右斷裂飛出距塔基約187米,葉片斷裂處呈撕裂狀,另兩只葉片雖未脫離輪轂但損壞嚴重。

1A03風機在通訊消失前并未報故障。再則由于風機數(shù)據(jù)信息上傳服務器的儲存方式原因,能夠在服務器上提取的數(shù)據(jù)信息僅是6時29分48秒之前的10分鐘平均數(shù)據(jù),調(diào)取1A03號風機6時29分48秒之前的10分鐘平均數(shù)據(jù),記錄期間風機最大風速為24.8m/s、有功功率1559.7kW、發(fā)電機轉(zhuǎn)速1901.9轉(zhuǎn)/分。

那么從6時29分到風機通訊消失的7時38分這段時間機組運行過程中發(fā)生了什么?是什么神秘的力量把斷掉的那支葉片甩到了187米之外?而另外兩支葉片與輪轂還連在一起?

事故分析:根據(jù)理論分析和經(jīng)驗判斷,完全有理由確定風機在倒塌前發(fā)生了飛車。葉輪高速旋轉(zhuǎn)導致其中一支葉片斷裂飛出,葉輪隨之失去動平衡,剩余兩支葉片繼續(xù)高速旋轉(zhuǎn),在離心力作用下產(chǎn)生劇烈振動和晃動,直至倒塌。

案例三 2019年4月12日,甘肅民勤周家井風電場倒塌傷亡事故。

于2019年4月12日,民勤航天新能源84#2MW機組在進行定檢工作時發(fā)生風機飛車致機組倒塌,造成4人死亡,1人重傷,1人輕傷的惡性事故。目前還未看到詳細的事故機組運行記錄和完整的事故調(diào)查報告,僅從公開信息了解到事故發(fā)生的大概過程。

事故概況:4月12日,84#風機進行定檢時未進行收槳操作,三支葉片均停在0°左右的開槳位置,當時風速約6m/s。定檢人員出現(xiàn)操作錯誤,松開了機組剎車,致使風機啟動,失去控制發(fā)生飛車。風機在槳葉全開狀態(tài)下持續(xù)空轉(zhuǎn),迅速加速進入超速狀態(tài),其中一只葉片無法承受過大的離心力而開裂折斷,另外兩支葉片則繼續(xù)高速轉(zhuǎn)動,機組失去了動平衡,在兩支葉片高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的巨大離心力作用下機組劇烈振動和晃動,最終導致了風機倒塌。

四、總結(jié)

從上面的分析和風機事故案列,可以看到三支葉片的動平衡對機組的安全運行至關(guān)重要,葉片的動平衡破壞以后機組會發(fā)生振動和晃動,失去控制后就會造成機組倒塌。風機倒塌的案例很多,大多與三支葉片失去動平衡相關(guān)。

葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)膠流掛脫落,在葉片內(nèi)部隨葉片旋轉(zhuǎn)則會破壞葉片之間的動平衡,雖然在風機低轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速下不會對風機安全造成致命傷害,但在高轉(zhuǎn)速下則會產(chǎn)生巨大的離心力,使機組產(chǎn)生劇烈振動和晃動,嚴重的會導致葉片解體,風機倒塌。

因此,葉片制造過程中造成的結(jié)構(gòu)膠擠出形成流掛,如果在機組運行一段時間后脫落,則需要在機組停機檢修時及時取出,減少機組振動和噪聲,同時也可以降低機組倒塌發(fā)生幾率。 
 
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