葉片內部結構膠流掛脫落對風電機組安全運行影響及典型案例分析

發布時間: 2020-06-08 11:57:07   來源:第六屆中國風電后市場交流合作大會論文集  作者:

  一、葉片內部結構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,控制系統根據風速高低調節槳距角大小,從而調節風機轉速。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,裝在一臺風力發電機組上。

  風力發電機組葉片在生產過程中,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構膠必須充盈,因此合模后結構膠必然有擠出,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,這些流掛就會發生脫落,掉在葉片內部。

  二、結構膠流掛對機組運行影響分析

  掉落在葉片內部的結構膠流掛,因在三支葉片掉落的位置、數量是隨機的,打破了三支葉片生產時的動平衡。這些脫落的流掛,在低轉速時隨著葉片轉動而在葉片內部上下運動,形成嘩啦嘩啦的聲音;如果機組葉片在某種情況下高速轉動,就可能引起機組劇烈振動,甚至造成倒塌事故。葉片內部脫落的結構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速相關,當葉片轉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一周會出生二次噪聲。

  當葉片轉速升高,轉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,隨葉片轉動,不再發出嘩啦嘩啦的聲響。

  2、振動

  (1)低速運行時的撞擊振動。

  當(V²/R)

  (2)受控狀態下高速運行時的葉片不平衡振動。

  當(V²/R)> g時,葉片內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速升高而升高,離心力也隨著葉片轉速的升高而增大,從而導致更嚴重的不平衡。機組達到額定轉速后由于變槳控制系統的介入,葉片轉速不再升高,振動頻率和離心力可穩定在某一個數值。

  以某品牌141/2.5MW風機為例,風輪額定轉速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,一支葉片內脫落流掛重5kg,其隨葉片在額定轉速下轉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5kg的脫落流掛隨葉片在額定轉速11.5r/min下轉動給機組帶來了額外的504(N)頻率為11.5Hz的不平衡旋轉動載荷,必然引起機組的運行振動。

  (3)失控狀態下高速運行導致的事故。

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

  假設風機飛車后葉片轉速達到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生劇烈的振動,同時對塔架中下部產生巨大的彎曲力矩,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維護工作結束,兩位風機輪轂維護人員出輪轂,并搖出葉輪鎖定位銷,關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。其中一位運維人員發現異常后,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 風機發電機最大轉速達到3946.98rpm。16:46C04風機發生倒塌。

  事故記錄:

  1) PLC控制器5分鐘數據記錄:16:40至16:45區間:C04機組高速軸剎車進行了釋放操作,發電機轉速從0rpm開始上升,發電機最大轉速為3946.98rpm,最小轉速為0rpm,平均轉速為1904.045rpm;主軸最大轉速為40.14rpm,最小轉速為0rpm,平均轉速為18.893rpm。

  2) 風機SCADA系統(數據采集監控系統)故障記錄:16:42'16"進行了機艙急停操作;16:42'28"機組激活發電機超速故障;16:42'33" 激活主軸超速故障;可知16:42'16"機組的轉速低于1980rpm(發電機轉速軟件保護值為1980rpm)。

  3) 16:45:37,風機SCADA系統報“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系統報“剎車盤磨損”,此時機艙晃動加劇,聯軸器已不規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C04風機運行記錄風機飛車,風輪轉速達到40r/min便導致了機組劇烈振動(晃動)致使風機倒塌。該起事故的調查報告沒有特別說明風機倒塌前有葉片折斷或解體發生,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,并組織人員到現場進行檢查。7時50分檢修人員到達現場,發現1A03號風機已倒塌,下段塔筒法蘭與基礎環法蘭128顆連接螺栓全部斷裂。經現場查勘,塔筒傾倒過程中有約90度旋轉,下段塔筒有局部彎曲變形,筒身圓形改變為橢圓形,基礎環法蘭有局部向上變形;機艙脫離塔頂距塔筒倒塔方向左側10米左右,機艙本體外殼呈碎裂狀態;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。再則由于風機數據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據信息僅是6時29分48秒之前的10分鐘平均數據,調取1A03號風機6時29分48秒之前的10分鐘平均數據,記錄期間風機最大風速為24.8m/s、有功功率1559.7kW、發電機轉速1901.9轉/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:根據理論分析和經驗判斷,完全有理由確定風機在倒塌前發生了飛車。葉輪高速旋轉導致其中一支葉片斷裂飛出,葉輪隨之失去動平衡,剩余兩支葉片繼續高速旋轉,在離心力作用下產生劇烈振動和晃動,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查報告,僅從公開信息了解到事故發生的大概過程。

  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。定檢人員出現操作錯誤,松開了機組剎車,致使風機啟動,失去控制發生飛車。風機在槳葉全開狀態下持續空轉,迅速加速進入超速狀態,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高速轉動,機組失去了動平衡,在兩支葉片高速旋轉產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

  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重要,葉片的動平衡破壞以后機組會發生振動和晃動,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。

  葉片內部結構膠流掛脫落,在葉片內部隨葉片旋轉則會破壞葉片之間的動平衡,雖然在風機低轉速和額定轉速下不會對風機安全造成致命傷害,但在高轉速下則會產生巨大的離心力,使機組產生劇烈振動和晃動,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構膠擠出形成流掛,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生幾率。

中國電力網官方微信

      關鍵詞: 風機,葉片
評論
用戶名:匿名發表  
密碼:  
驗證碼:
最新評論0

主辦單位:中國電力發展促進會
網站運營:北京中電創智科技有限公司  國網信通億力科技有限責任公司
服務熱線:400-007-1585      在線投稿
《 中華人民共和國電信與信息服務業務經營許可證 》編號:京ICP證140522號 京ICP備14013100號

贵州十一选五开奖