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某1.5MW風(fēng)機(jī)齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)機(jī)械泵電氣化改造研究

2018-10-29

馬世明
（寧夏銀星能源股份有限公司）

　　摘　要：某風(fēng)場(chǎng)1.5MW風(fēng)機(jī)齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)在運(yùn)行過程中頻繁出現(xiàn)油壓過低報(bào)警，給風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行帶來不利影響。經(jīng)過風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)咨詢勘查及技術(shù)分析，采用對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)機(jī)械泵進(jìn)行電氣化改造的方法，有效解決了油壓偏低的問題。并且，改造后的新系統(tǒng)能夠接受風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，針對(duì)不同工況執(zhí)行相應(yīng)指令。

　　關(guān)鍵詞：齒輪箱；潤(rùn)滑系統(tǒng)；機(jī)械泵；電氣化改造
　　1　引言

　　風(fēng)電齒輪箱作為風(fēng)機(jī)的核心部件之一，其潤(rùn)滑系統(tǒng)對(duì)整個(gè)發(fā)電機(jī)組的工作狀況及使用壽命起到至關(guān)重要的作用^[1-3]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)中不同部件故障占故障總數(shù)的百分比如圖1.1所示，其中，潤(rùn)滑系統(tǒng)的失效占風(fēng)機(jī)失效類型的13.0%。因此，有效保證潤(rùn)滑系統(tǒng)各部件的正常工作，是風(fēng)機(jī)運(yùn)維中的重要環(huán)節(jié)。在對(duì)某風(fēng)場(chǎng)1.5MW風(fēng)機(jī)的監(jiān)測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)頻繁出現(xiàn)入口處油壓過低的報(bào)警，經(jīng)過風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)咨詢勘查及技術(shù)分析，準(zhǔn)備對(duì)主齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)機(jī)械泵進(jìn)行電氣化改進(jìn)。

　　2　潤(rùn)滑系統(tǒng)的組成

　　潤(rùn)滑系統(tǒng)指的是向機(jī)械設(shè)備或設(shè)備組的摩擦點(diǎn)供送潤(rùn)滑劑的系統(tǒng)，包括用以輸送、分配、調(diào)節(jié)、冷卻和精華潤(rùn)滑劑以及指示、報(bào)警和監(jiān)控潤(rùn)滑壓力、流量和溫度等參數(shù)的整套裝置。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的潤(rùn)滑中，潤(rùn)滑部位包括主軸承部分的潤(rùn)滑、齒輪箱部分的潤(rùn)滑、電機(jī)部分的潤(rùn)滑、偏航部分的潤(rùn)滑、變槳部分的潤(rùn)滑。其中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要潤(rùn)滑部分是齒輪箱。其潤(rùn)滑系統(tǒng)主要由球閥、電動(dòng)泵組、機(jī)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(dòng)泵組、組合式油液污染控制元件和功能閥組集成與一體，機(jī)械泵安裝與齒輪箱上，風(fēng)冷卻器通過軟管串接于系統(tǒng)中。齒輪箱運(yùn)行前由電動(dòng)泵提供潤(rùn)滑油至齒輪箱各個(gè)潤(rùn)滑點(diǎn)，齒輪運(yùn)行后開始驅(qū)動(dòng)機(jī)械泵，此時(shí)潤(rùn)滑系統(tǒng)由電動(dòng)泵和機(jī)械泵同時(shí)供油。

　　3　油壓低的原因

　　3.1潤(rùn)滑系統(tǒng)管路泄露或堵塞

　　當(dāng)齒輪箱中的潤(rùn)滑油系統(tǒng)存在著冷油器的泄漏或者是潤(rùn)滑油系統(tǒng)的堵塞問題時(shí)，如果不及時(shí)地進(jìn)行處理，必定會(huì)引起潤(rùn)滑油壓過低的問題。

　　3.2油箱油位過低

　　如果齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)油位過低，則會(huì)大大縮短系統(tǒng)回油時(shí)在油箱內(nèi)的停留時(shí)間，容易導(dǎo)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(huì)讓潤(rùn)滑系統(tǒng)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(huì)在設(shè)備的運(yùn)行過程中逐漸進(jìn)入到主油泵，進(jìn)而導(dǎo)致主油泵出口油壓過低的問題。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，未發(fā)現(xiàn)油位低于標(biāo)準(zhǔn)油位的狀況。

　　3.3機(jī)械泵正常工作異常

　　風(fēng)電齒輪箱設(shè)計(jì)機(jī)械泵是為了在電動(dòng)泵不工作的情況下，繼續(xù)對(duì)齒輪箱各潤(rùn)滑部位(主要是軸承、齒面嚙合)進(jìn)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(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，機(jī)械泵出現(xiàn)故障的頻次也不斷增加，以致更換機(jī)械泵。機(jī)械泵出現(xiàn)的故障主要包括振動(dòng)噪音偏大、機(jī)械泵不抽油、溫度過高等。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，機(jī)械泵在運(yùn)行過程中噪音偏大。拆解后，機(jī)械泵齒輪箱存在嚴(yán)重磨損(如圖2)。

圖3.1機(jī)械泵齒輪磨損

　　以上結(jié)果表明，該齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)入口油壓低是由機(jī)械泵齒輪的磨損引起的，為此，對(duì)主齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)機(jī)械泵進(jìn)行電氣化改進(jìn)。要求在改造完成后輔助潤(rùn)滑系統(tǒng)作為齒輪主潤(rùn)滑系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，應(yīng)能輔助提供穩(wěn)定的潤(rùn)滑冷卻油壓，保證齒輪箱潤(rùn)滑系統(tǒng)正常工作，并且新增電動(dòng)潤(rùn)滑泵應(yīng)能接受風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，根據(jù)風(fēng)機(jī)待機(jī)或運(yùn)行的不同狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)行工作流程。潤(rùn)滑系統(tǒng)應(yīng)能在出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)停機(jī)保護(hù)，并能即時(shí)反饋到風(fēng)機(jī)主控中顯示報(bào)警信息。

　　4　改進(jìn)方案

　　4.1油路部分方案

　　根據(jù)前期方案比選，考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際尺寸空間及后期維護(hù)操作等情況，更換機(jī)械齒輪泵為電動(dòng)油泵，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)即持續(xù)供油的可控模式，與原電動(dòng)泵一同工作，保證齒輪箱足夠的潤(rùn)滑油量油壓。電動(dòng)機(jī)與油泵為內(nèi)置連接，滿足安裝空間尺寸和原設(shè)計(jì)油量要求。

　　新電機(jī)型號(hào):REP-MDK25-D15功率1.5kw6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(jù)潤(rùn)滑系統(tǒng)計(jì)算選型，電動(dòng)泵電機(jī)功率1.5kW，三相，400V△-690VY接法，額定電流3.2A。

　　分析目前風(fēng)機(jī)機(jī)組齒輪箱潤(rùn)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(zhuǎn)速(<200rpm)情況下，電動(dòng)泵處于間斷工作模式，啟動(dòng)約3min-停止2min。而在齒輪箱高轉(zhuǎn)速情況(>200rpm)情況下，電動(dòng)泵連續(xù)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(fā)電情況下處于同時(shí)啟停狀態(tài)。為簡(jiǎn)化新電動(dòng)泵控制電路，盡量減少對(duì)原有風(fēng)機(jī)主控電路進(jìn)行變更和操作，所以在本次技改中將新增電動(dòng)泵和原齒輪箱電動(dòng)泵并聯(lián)控制，同時(shí)啟停。

　　4.3技改接線方案

　　考慮到原風(fēng)機(jī)控制柜內(nèi)預(yù)留部分冗余控制電路，實(shí)際并未安裝，所以可以在主控柜內(nèi)原有控制電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整，用作新加電動(dòng)泵的控制電路。

　　具體如下：
　　1.電動(dòng)泵現(xiàn)場(chǎng)配線(4x1.5mm²，從齒輪箱電動(dòng)泵接入風(fēng)機(jī)主控柜，接線端子X1，要求做好防護(hù)，并在通電前測(cè)量接地電阻和絕緣電阻。
　　2.油泵電機(jī)接地連接。
　　3.斷開原冗余控制電路繼電器到主控模塊DO509的連接。
　　4.將繼電器控制線圈接入主控模塊DO513。
　　5.更換原電動(dòng)機(jī)斷路器，替換為GV2-ME08C(原有輔助觸點(diǎn)繼續(xù)使用)。
　　6.更換原有指示標(biāo)簽為“齒輪箱油泵2”
　　7.替換相關(guān)電路圖。
　　8.通電試運(yùn)行，檢查相序和電流、電壓。
　　9.做好相關(guān)記錄。

　　5　電氣改進(jìn)過程

　　5.1基本施工流程

　　停機(jī)確認(rèn)→排油盛裝→原機(jī)械齒輪泵拆除→原齒輪箱孔洞使用新端蓋封堵→集成電動(dòng)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(rùn)滑油→試車前檢查清理→試車

　　5.2改進(jìn)工藝步驟

　　5.2.1停機(jī)確認(rèn)

　　按風(fēng)場(chǎng)及風(fēng)機(jī)技術(shù)要求選擇適合天氣停機(jī)確認(rèn)，鎖定風(fēng)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(rùn)滑油。如無異常，使用準(zhǔn)備好同牌號(hào)的清潔空油桶排油。

　　5.2.3機(jī)械泵及管路拆卸

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

圖1機(jī)械泵位置

 

圖2端蓋支架

　　5.2.4集成電機(jī)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(lián)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(jī)支架上，固定方法如圖4。

圖3已有端蓋

圖4新電動(dòng)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(nèi)電氣接線

　　5.2.7加注潤(rùn)滑油

　　使用手動(dòng)或電動(dòng)濾油車加注已抽出的潤(rùn)滑油，檢查油位，根據(jù)情況是否補(bǔ)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(nèi)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(rèn)無誤后，通電準(zhǔn)備測(cè)試。

　　6　結(jié)論

　　某1.5MW風(fēng)機(jī)經(jīng)過電氣化改造Z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(duì)改造的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，單機(jī)測(cè)試新電動(dòng)泵運(yùn)行不小于15分鐘，待壓力穩(wěn)定后觀察潤(rùn)滑系統(tǒng)壓力并記錄，工作正常。與原電動(dòng)泵聯(lián)動(dòng)測(cè)試運(yùn)行，不小于15分鐘，待壓力穩(wěn)定后觀察潤(rùn)滑系統(tǒng)壓力并記錄。運(yùn)行正常后解除鎖定通知業(yè)主，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，注意觀察齒輪箱運(yùn)行各項(xiàng)參數(shù)(如圖6.2)。與改造前的齒輪箱各項(xiàng)參數(shù)(如圖6.3)對(duì)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(fēng)機(jī)及油壓狀況

 

圖6.3改造前風(fēng)機(jī)及油壓狀況

　　以上結(jié)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(dòng)潤(rùn)滑泵又能接受風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)發(fā)出的控制指令，根據(jù)風(fēng)機(jī)待機(jī)或運(yùn)行的不同狀態(tài)，執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)行工作流程，提高了風(fēng)機(jī)齒輪箱的智能化成都，同時(shí)提高了潤(rùn)滑系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)停機(jī)保護(hù)能力，能即時(shí)反饋到風(fēng)機(jī)主控中顯示報(bào)警信息。

　　參考文獻(xiàn)：
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　　作者簡(jiǎn)介：
　　馬世明，現(xiàn)任寧夏銀星能源股份有限公司檢修檢測(cè)基地營(yíng)銷副總經(jīng)理，兼任中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院和北方民族大學(xué)機(jī)電系客座教授，主管風(fēng)電、煤炭、火電、鋁加工行業(yè)后市場(chǎng)檢修檢測(cè)市場(chǎng)營(yíng)銷業(yè)務(wù)，尤其在齒輪箱減速器的設(shè)計(jì)制造及檢修維護(hù)方面有豐富的工作經(jīng)驗(yàn)。

來源：《風(fēng)電技術(shù)》雙月刊