淺析風電機組液壓系統泄油路故障原因及解決方案

文 | 康濤

淺析風電機組液壓系統泄油路故障原因及解決方案

文 | 康濤

近年來中國風電產業發展迅猛，從2003年底風電裝機容量的50萬千瓦，發展到2013年并網容量7700萬千瓦，吊裝容量超過9000萬千瓦，由世界排名第十上升為世界第一的風電大國，也建立了規模最大的風電產業。面對如此龐大規模的裝機數量，并網后的機組日常維護與定期檢修工作成為運營商和整機廠商最為關注的問題，因為這兩項工作是影響風電機組發電量的主要因素。風電機組的運行維護，主要是圍繞如何預防和解決風電機組運行過程中遇到的故障展開的，根本目的是為了有效控制風電機組的運行維護成本，提升客戶（風電場運營商）滿意度和風電場運營效益。根據風能發展較早國家和地區的經驗，在3年－5年的運行后，風電機組開始進入一個故障多發期，機械系統的關鍵部件如齒輪箱、液壓系統、偏航系統等開始集中出現不同程度的問題，其中液壓系統故障排在機械系統常見故障數量統計的第二位，可見液壓系統故障對風電機組日常運行的嚴重危害。然而，液壓系統由于具有單位體積小、重量輕、動態響應好、扭矩大、容易實現過載保護等優良的特性，在風電機組中被普遍采用。因此，有效解決液壓系統故障對于降低風電機組的維護成本與提高發電量具有非常重要的意義。本文就風電機組液壓系統的泄油路液壓油逆向流動故障導致的損失和危害做了說明介紹；依據針對故障的現場勘察資料與數據，分析造成液壓油逆向流動的成因；并介紹目前常見的兩種泄油路設計的解決方案，最后根據現有方案的優缺點，進一步提出故障的優化解決方案。

液壓油逆向流動故障的危害

由于風電機組制動系統（主軸制動器與偏航制動器）中的驅動介質采用的是低粘度的液壓油，同時制動系統的執行部件（活塞）在工作過程中不斷運動，因而不可避免的存在油脂滲漏的問題。油脂滲漏一方面會導致液壓系統的壓力下降，無法滿足風電機組的技術需求；另一方面滲漏的油脂會對機組內部造成污染，并對運維人員的工作帶來安全隱患。為了解決活塞運動導致的液壓油滲漏問題，制動器與液壓系統生產廠家通常會在制動器和液壓系統內部的液壓回路中設置液壓油的泄油回路，將滲漏出的液壓油導向液壓系統的油箱，如此既可以避免液壓油滲漏造成的壓力下降問題，又可以將滲漏的液壓油回收再利用，具有環保高效的作用。其中液壓系統的泄油回路連接結構如圖一所示。

制動器的泄油回路結構是依據制動器內部的密封結構進行設計的。制動器內部的密封結構一般包含兩道環繞活塞的橡膠密封圈，根據功能分為密封圈與防塵圈。密封圈位于靠近油缸底部的一側（即遠離摩擦片的一側），可承受的壓力較高，達到數十兆帕，確保制動器在制動狀態的壓力下液壓油不致泄露；防塵圈位于遠離油缸底部的一側，可承受的壓力相對較小，一般在5bar－10bar范圍內，主要功能是防止制動器外部的各類雜質滲透到制動器內部，污染液壓油。制動器的活塞在上下運動過程中會有液壓油從油缸底部滲漏到密封圈與防塵圈之間，繼而滲漏的液壓油進入制動器泄油回路，然后被引導回油箱，重新回到液壓系統的壓力回路。一般風電機組液壓系統的油箱位置比偏航制動器高2米－3米，即滲漏的液壓油要積累到充滿泄油回路的回油管后，方能進入油箱，因此防塵圈需能承受回油管中液壓油造成的壓力。偏航制動器的泄油回路如圖二所示。

圖一 液壓系統泄油回路連接圖

然而，實際運維工作發現本應被引導流回油箱的滲漏液壓油，卻意外自偏航制動器活塞中溢出。液壓油自偏航制動器上側活塞中溢出后，滴落在剎車盤上，對偏航摩擦副（摩擦片與剎車盤）的摩擦環境造成污染，導致偏航摩擦副的摩擦系數不再均勻一致，摩擦性能不再平穩，出現較大振動與噪聲；摩擦片的摩擦材料由于采用了樹脂基的復合材料，易受油脂侵入而變性，磨損率大幅上升，摩擦片的工作壽命快速下降，超出風電機組的定檢維護周期，如果未及時發現就會導致剎車盤被摩擦片背板磨損的嚴重事故。偏航制動器摩擦片被油脂污染的情況如圖三所示。

圖二 偏航制動器內部的泄油路

圖三 被油脂污染的摩擦片

液壓油逆向流動故障的原因分析

依據前一節所介紹的液壓油泄油回路的工作原理可知，如果偏航制動器密封結構的密封圈失效，會造成液壓油大量泄露，進而液壓系統壓力快速下降，而現場實際遇到的情況并未出現大量油脂泄露，系統壓力也沒有發生明顯變化。因此，導致液壓油滲漏的直接原因是防塵圈與密封圈之間的壓力超出防塵圈的承受范圍。防塵圈與密封圈之間的壓力是由連接偏航制動器與油箱的回油管中的液壓油導致的，該壓力計算如式（1）。

P=ρgh （1）

式中，ρ為液壓油密度，800kg/m3；

g為重力加速度，9.85m/s2；

h為油箱與偏航制動器之間的高程差，按3m計。

由式（1）計算可得，液壓油造成的壓力為23640Pa，并且油箱應與大氣連通，內部無負壓，而防塵圈可承受的最小壓力為50000Pa，所以理論上偏航制動器滲漏的液壓油應回流到油箱中。

經過調查研究，分析得出導致泄油回路滲漏的可能原因包括以下三個方面：

（1）防塵圈失效；

（2）油箱內部存在負壓；

（3）液壓閥塊上的泄油路通道與泄壓油路連通。

經試驗驗證，原因（1）與實際情況不符，原因（2）的條件不成立。因此初步判定泄油回路滲漏的原因為閥塊中的泄油路與泄壓油路或其他存在壓力的油路連通，使得泄油路末端出現額外壓力，造成泄油回路的液壓油滲漏。

針對故障的優化解決方案

針對風電機組液壓系統泄油回路的設計問題，目前較為常見的方案有兩種：回油管方案與集油瓶方案。圖一所示的泄油回路使用的即是回油管方案，該方案的使用缺陷在第一節中已經進行了詳細介紹，此處不再贅述。

集油瓶方案是指，將集油瓶直接連接到偏航制動器的泄油口上，集油瓶用于收集偏航制動器密封圈溢出的液壓油，集油瓶的底部有與外部空氣連通的呼吸口，確保液壓油能夠順暢流入集油瓶。該方案目前在風電機組中也被普遍采用，其優勢是結構簡單、維護方便，有效避免液壓油逆向流動等。但是實際工作過程中，該方案存在無法容納大量液壓油泄漏，導致風電機組內部嚴重污染的嚴重后果。

為了解決回油管方案液壓油逆向流動的問題，并解決集油瓶方案的泄漏油液容納能力不足的缺陷，需要對這兩個方案進行優化改進，同時還需保留兩方案現有的優點。經過反復試驗研究，將現有兩方案有機結合，已初步形成一個去蕪存菁的優化方案。優化解決方案是保留回油管方案中的回油管路，將一種特制的集油瓶連接到與液壓站泄油路接口連通的偏航制動器，特制集油瓶的端蓋上除了常見的接口外，另外增加一個通過回油管與主軸制動器的回油管會合后，一起連接到液壓站泄油路接口，如圖四所示。

該方案既保留了回油管方案可將滲漏液壓油回收再利用的節能環保優勢，又將傳統集油瓶方案的液壓油容納能力不足的弊端予以消除。該方案中特制集油瓶有一個與外界連通的呼吸口，確保瓶內壓力與大氣壓相等，從而解決偏航制動器泄油口壓力高于防塵圈壓力上限導致的液壓油泄漏問題。

圖四 優化解決方案原理圖

結論

綜上所述，面對風電機組日常維護過程中遇到的液壓系統故障問題，為了確保機組的發電量與可利用率達標，并提升機組整體性能，必須從根本上解決維護過程中經常遇到的液壓系統故障問題。本文以液壓油的逆向流動問題為切入點，分析介紹了故障的嚴重危害與發生原因，并依據現有的泄油路解決方案，提煉出針對液壓油逆向流動的初步解決方案。希望借此拋磚引玉，能夠為風電機組液壓系統工作性能的提升工作提供參考。

(作者單位：國電聯合動力技術有限公司）