風力發電機組控制系統分級安全鏈設計

雷 熠

東方電氣風電有限公司 四川 德陽 618000

引言

隨著風電機組裝機數量的不斷增加,風力發電機組安全穩定運行也是業主和整機廠家最關心的。在我國風機發展初期,風機的一些設計缺陷以及人為因素,導致出現了不少風機安全事故。安全鏈作為風電機組獨立于軟件控制系統的最后一道保護,確保風機在極端情況下安全停機,有著至關重要的作用。而安全鏈的設計,也隨著風電的發展,有著更多的功能。分級安全鏈的設計逐漸成為風機安全鏈設計的主流。

1 安全鏈的定義及作用

GL2010(德國勞氏船級社風機認證指南)中要求風機安全保護系統必須具備獨立于軟件控制保護系統并且安全等級最高的硬件控制保護系統,安全鏈正是這樣的系統。安全鏈是確保風機在軟件保護失效的情況下,硬件回路斷開直接控制保護,能在風機出現最高等級故障以及極端情況下,確保風機安全停機。因此獨立可靠的安全鏈系統是風機主控系統所必需的,安全鏈的每個環節中均采用最簡單可靠的硬件來實現。

2 常規安全鏈設計

我公司最早引進Repower整機技術,主控系統采用Mita3000,其安全鏈設計就是這里所說的常規安全鏈設計,采用失效－安全(fail－safe)原則設計。

1）錯臺寬度小于1 cm的錯臺，進行打磨處理；2）錯臺相對高度大于1cm時，應先采使用人工或風鎬鑿除錯臺，并預留一定厚度，然后對預留的部位作打磨處理。

2.1 常規安全鏈組成結構

安全鏈組成如下：

3.2 分級安全鏈組成結構

這種安全鏈設計,功能比較單一,回路斷開后所有控制立即執行,在風電控制技術不斷發展的今天,常規安全鏈設計漸漸不能滿足如今風機運行、保護、維護的需求。

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3 分級安全鏈設計

3.1 分級安全鏈設計需求 分級安全鏈的設計思路,是在保證原有安全保護功能的前提下,將常規安全鏈分成三個等級,每一級安全鏈的斷開都能在保護機組安全的同時滿足控制系統不同停機故障的需求。分級安全鏈設計的核心是引入Pilz安全鏈繼電器。

隨著風電行業的發展,風機控制系統技術不斷更新,功能需求越來越多,常規安全鏈功能顯得不足,新的分級安全鏈設計映入眼簾。

2.2 常規安全鏈保護功能 安全鏈中每一個器件都是通過串聯的方式連接在一起,當其中任意一個節點動作,將引起整條回路斷電,機組進入緊急停機過程,并使主控系統處于閉鎖狀態。如果故障節點得不到恢復,則機組的正常運行操作都不能實現。安全鏈分別對機組緊急停機(緊急情況下人員操作)、偏航順時針、逆時針極限(防扭斷電纜)、葉片維護(人員進輪轂操作須斷安全鏈)、塔筒振動極限(防止操作機組自身載荷)、齒輪箱高速軸超速、主軸低速軸超速、內部安全鏈(PLC 控制器輸出)、安全繼電器1、安全繼電器2。2個安全繼電器是安全鏈的核心部件,是安全鏈的執行機構,當回路斷電,繼電器必須精確及時可靠的使觸點動作,控制風機各個系統保護風機安全,通過結構圖可以知道安全繼電器KA2在安全鏈斷開的時候控制偏航液壓、電氣剎車,對偏航進行剎車;安全繼電器KA3在安全鏈斷開的情況下,禁止齒輪箱風扇運行、偏航電機運行,切斷主控變槳EFC信號觸發變槳系統快速收槳,觸發高速軸剎車器制動。

3.3 分級安全鏈保護功能 從安全鏈結構可以看出,分級安全鏈分為三個等級,每一個等級都需要復位,整個安全鏈才能恢復正常。分級如下：一級安全鏈包括主控柜、機艙、塔基急停安全按鈕以及Pilz安全鏈繼電器,二級安全鏈包括葉片維護開關、主控制器PLC 看門狗繼電器、電纜順時針、逆時針紐纜極限開關、安全繼電器1,三級安全鏈包括塔筒振動開關、主軸超速開關、齒輪箱超速開關、內部安全鏈、安全鏈繼電器2。所有器件仍然以串聯的方式連接在一起,不同級別器件的斷開,安全鏈將執行不同的功能,但回路斷開機組進入最高等級停機并閉鎖系統的功能不受影響。

為應對苗木生產的風險，農場一方面致力于苗木品種的多元化，種植欒樹、紅葉李、廣玉蘭、金絲垂柳、山東白蠟等經濟苗木，發展櫸樹、東方杉、中山杉、金葉水杉、弗吉尼亞櫟等高檔苗木。另一方面，積極謀劃與地方政府合作，分散苗木產業經營風險。2014和2015年，先后與東臺市政府在G228國道邊合作建設了350畝弗吉尼亞櫟、上海東方杉種植項目，由政府免費提供200萬元種苗，農場提供土地負責栽植，全額占有苗木收益，實現“政府得形象，農場得效益”。

Pilz安全繼電器和安全繼電器1、2是分級安全鏈系統的核心。新增加的Pilz安全繼電器的存在使安全鏈功能更加強大。一級安全鏈觸發安全鏈斷開,二、三級安全鏈失電斷開,此時Pilz、KA1、KA2 安全繼電器動作,禁止自動、手動偏航,禁止機艙內散熱設備啟動,啟動高速軸盤剎(受轉速限制),始終允許液壓站工作(保證剎車制動力),斷開變槳EFC 信號緊急收槳,并禁止旁路變槳;二級安全鏈觸發,安全鏈回路斷開,一級安全鏈保持正常得電即Pilz未動作,三級安全鏈斷開,此時KA1、KA2安全繼電器動作,禁止自動偏航,斷開變槳EFC信號緊急收槳,并禁止旁路變槳;三級安全鏈觸發,安全鏈斷開,一、二級安全鏈保持正常得電,Pilz與KA1未動作,KA2動作,斷開變槳EFC信號緊急收槳,并禁止旁路變槳。每一級安全鏈斷開,都能確保變槳系統安全鏈斷開,緊急收槳最大程度保護風機安全,不同功能區別在于偏航、冷卻、加熱等子系統的控制。

4 結語

分級安全鏈設計在保證常規安全鏈設計安全功能實現的基礎上,增加了功能控制級別劃分,更好的滿足機組不同工況下設備運行的需求,以及停機維護時服務人員的需求。目前此設計方案已經在我公司新機組中實施,現場運行穩定可靠,達到了設計需求。