G5X 風力發電機組機械剎車邏輯技改研究

白淑偉 王成林

（1.江蘇龍源風力發電有限公司，南通 226000；2.遼寧龍源新能源發展有限公司，沈陽 110027）

近年來，歌美颯G5X 機組先后發生多起機艙著火事故，主要原因是機組緊急停機類故障觸發機械剎車制動，而長時間的機械剎車制動，導致剎車片與剎車盤相互摩擦產生大量熱量，致使剎車片及剎車盤溫度升高、熔融（分別如圖1 和圖2 所示），最終造成機艙著火。通過對比其他機型機械剎車邏輯后發現，G5X 機械剎車邏輯存在設計缺陷。現設計剎車邏輯技改方案來避免此類事故的發生。

目前，行業內外對風力發電機機組的剎車系統進行了廣泛研究。袁瑩瑩研究了制動力矩和溫度對制動系統的影響[1]；徐曉光研究了不同剎車材料對制動系統的影響[2]；畢厚煌研究了汽車剎車制動過程中復合材料的剎車片，在避免共振、提高制動性能方面均要優于半金屬材料[3]；張國輝研究了主軸剎車系統緊急動作是引起機組火災的主要原因，并根據原因給出了解決方案[4]；孫煊廣建立了2.5 MW 機組高速軸制動器熱機耦合模型，通過有限元模擬仿真研究了制動器在不同維度下表現出的溫度場分布特性，得到與熱應力場高度相似的變化特點[5]。

1 機械剎車熱力耦合仿真

1.1 剎車裝置介紹

歌美颯G5X 機組機械剎車結構如圖3 所示。制動盤和齒輪箱一輸出軸通過鍵連接，當風機出現急停故障時，風機主控系統發出控制命令，液壓系統剎車回路動作，此時3 組制動襯片在液壓系統作用下抱緊制動盤，實現剎車制動。在其中一片制動襯片上嵌有一個規格為135 ℃的熱敏電阻，當此片制動襯片溫度達到135 ℃時，剎車邏輯控制回路使得液壓剎車油路停止工作，制動襯片在內部彈簧力的作用下和剎車盤脫離，實現松閘。

1.2 熱力耦合有限元仿真

制動襯片和制動盤的材料參數，如表1 所示。根據剎車裝置實際工況，建立簡化的有限元模型如圖4所示。經過進行熱力耦合計算，得到如圖5、圖6 和圖7 所示的仿真結果。其中：圖5 數據顯示高速軸剎車后在9.5 s 時溫度傳感器位置處溫度為130 ℃；圖6 數據顯示在9.5 s 時剎車位置處溫度為2 010 ℃；圖7 數據顯示在9.5 s 時剎車盤處溫度為2 022 ℃。通過以上仿真結果分析可知：風機高速軸剎車動作約9.5 s 后剎車片本體會磨損殆盡；之后剎車片底板會和剎車盤直接接觸摩擦并產生大量熔融物；高溫熔融物極易點燃剎車盤下部電纜和玻璃纖維材質的機艙罩使風機發生火災。風機現場實際故障數據和有限元模擬數據基本吻合，技改思路便以此時間數據為依據，在高速軸剎車約9.5 s 時通過改變液壓油路工作邏輯使剎車片和剎車盤脫離，防止產生大量高溫熔 融物。

表1 制動盤和制動襯片材料參數表

2 解決方案

2.1 風機剎車邏輯對比分析

如表2 所示，通過與其他機型機械剎車邏輯的對比可以看出，大部分機型的機械剎車制動都不會在機組發電機處于高轉速的情況下立即執行。經過機械剎車部件溫升熱力耦合計算也可以看出，在發電機處于高轉速下執行機械剎車制動會產生高溫，存在很大的火災安全隱患。

表2 主流風機剎車控制邏輯

2.2 技改設計思路

機組原有6 片剎車片，其中5 片為普通剎車片，1 片為內置熱敏電阻剎車片（用于當剎車片溫度高時觸發安全鏈故障及411 剎車溫度高故障），現增加1片熱敏電阻剎車片替換原有普通剎車片。機組機械剎車制動后剎車片溫度高，高溫觸發熱敏電阻動作，通過控制外接電源打開剎車電磁閥，從而松開機械剎車，以防止機械剎車系統因過熱產生熔融物引起機艙著火。

2.3 技改具體方案

2.3.1 技改后電氣圖紙

圖8 為歌美颯剎車控制圖紙，其中左側虛線框內為原始設計圖紙，右側虛線框內為技改后圖紙。

2.3.2 技改后需用電氣備件

技改需用備件的相關描述，如表3 所示。

表3 技改需用備件描述

3 結語

風機緊急故障后進行機械剎車制動，剎車片溫度高，技改回路打開高速剎車后，通過氣動剎車將機組降低轉速進入空轉狀態，可能存在一定的安全隱患。機組存在卡槳問題，在風機緊急故障后進行機械剎車制動，剎車片溫度高，技改回路打開高速剎車，因存在卡槳問題機組會進入飛車狀態，雖然可以防止火災的發生，但無法阻止飛車的發生。后加裝的剎車片熱敏電阻損壞，技改控制回路將持續為電磁閥D211 供電。當機組需要機械制剎車動時，機械剎車無法制動。該情況會通過210 高速剎車沒有釋放故障體現出來（S208 處壓強低于1 MPa）。此外，由于缺少更多的歷史數據支持，后續將繼續收集機械剎車制動后411故障觸發時間。目前已將技改后的方案在風機上進行了試驗，后續將持續試驗以收集各項試驗數據，進一步驗證技改方案的安全性。