光熱電站定日鏡俯仰角驅(qū)動器失效原因分析

朱 君 何氏正 何聚龍

上海電氣亮源光熱工程有限公司 上海 201199

1 分析背景

定日鏡是構(gòu)成光熱電站的主要設(shè)備,對于一座100 MW光熱電站,一般需要3萬至5萬臺定日鏡。在一些100 MW塔式光熱電站項目中,考慮到太陽能法向輻射及聚熱備用余量,可能設(shè)計超過5萬臺定日鏡。數(shù)量如此多的定日鏡對安全性設(shè)計提出了較高要求,需確保定日鏡在電站25～35 a的設(shè)計使用壽命中追蹤精度可靠,并且安全穩(wěn)定運行。

塔式光熱電站項目所采用的定日鏡,一般為采用雙驅(qū)動器追蹤太陽光。在俯仰角方向控制定日鏡運行,并對其姿態(tài)進行調(diào)整的驅(qū)動裝置即為俯仰角驅(qū)動器。俯仰角驅(qū)動器的安全穩(wěn)定運行關(guān)系到定日鏡的運行安全、使用壽命,以及光場造價、運維費用等諸多方面。筆者針對俯仰角驅(qū)動器的失效原因進行分析,為類似工程項目的建設(shè)提供參考。

2 定日鏡結(jié)構(gòu)

以某光熱電站項目所采用的小定日鏡為例,該定日鏡可作為一個獨立的運動單元安裝在單個立柱上。每臺定日鏡由雙軸驅(qū)動,跟蹤太陽光,并將聚光焦點保持在塔的吸熱器上。雙軸驅(qū)動采用兩臺驅(qū)動裝置,以調(diào)整定日鏡的方位角和俯仰角。定日鏡如圖1所示,俯仰角驅(qū)動器如圖2所示。

圖1 定日鏡總體結(jié)構(gòu)

3 現(xiàn)場調(diào)查

現(xiàn)場巡查時,發(fā)現(xiàn)有定日鏡損壞,如圖3所示。反射鏡組件發(fā)生破碎,破碎部位為反射鏡組件下部、中間位置。

圖3 定日鏡損壞

鏡子碎裂的原因是鏡子與立柱發(fā)生碰撞。根據(jù)進一步調(diào)查發(fā)現(xiàn),俯仰角驅(qū)動器也出現(xiàn)損壞,導(dǎo)致俯仰角驅(qū)動器桿不受控制。拆機后,對俯仰角驅(qū)動器損壞位置進行分析,發(fā)現(xiàn)由于俯仰角驅(qū)動器后端位置鎖緊結(jié)構(gòu)的螺母發(fā)生脫落,造成俯仰角驅(qū)動器內(nèi)部傳動機構(gòu)的滾珠絲杠軸端發(fā)生移位,導(dǎo)致俯仰角驅(qū)動器桿失去固定支撐,不受控制。定日鏡在風(fēng)載及巨大自重慣性的作用下,與立柱發(fā)生碰撞,導(dǎo)致鏡子碎裂。

4 材質(zhì)第三方檢測

損壞的俯仰角驅(qū)動器螺母如圖4所示。經(jīng)過對數(shù)例損壞的俯仰角驅(qū)動器螺母進行分析,發(fā)現(xiàn)有的螺母螺紋完好,但由于螺母發(fā)生逆向旋轉(zhuǎn),進而產(chǎn)生脫落,導(dǎo)致俯仰角驅(qū)動器失效。有的螺母螺紋已損壞,強力拉脫導(dǎo)致俯仰角驅(qū)動器損壞。對此,將損壞的螺母送具備資質(zhì)的第三方機構(gòu)進行相關(guān)檢測,驗證材質(zhì)物化指標是否滿足要求。

圖4 俯仰角驅(qū)動器螺母

檢測結(jié)果表明,螺母的材質(zhì)物化指標滿足相關(guān)標準要求。

5 鎖緊原因

在俯仰角驅(qū)動器中,滾珠絲杠機構(gòu)一端通過鎖緊墊片與螺母固定的形式,與蝸輪蝸桿機構(gòu)固定連接,這是典型的機械傳動機構(gòu)鎖緊固定形式,如圖5所示。

圖5 俯仰角驅(qū)動器傳動機構(gòu)鎖緊固定形式

滾珠絲杠機構(gòu)的另一端與俯仰角驅(qū)動器軸通過扣押的形式剛性連接。定日鏡在風(fēng)載作用下,俯仰角驅(qū)動器軸承受相應(yīng)拉伸力。這一拉伸力傳導(dǎo)至螺母上,會使螺母產(chǎn)生反向自旋運動。鎖緊墊片的折彎邊可以阻止螺母自旋松脫,從而對緊固結(jié)構(gòu)起到保護作用。

6 失效原因分析

針對現(xiàn)場俯仰角驅(qū)動器的鎖緊結(jié)構(gòu)遭到損壞的失效形式與特點,對潛在的失效原因進行分析。

6.1 生產(chǎn)工藝控制不嚴

(1) 預(yù)緊力未控制到位。俯仰角驅(qū)動器是定日鏡的重要承載部件,俯仰角驅(qū)動器所受到的拉力最終會傳導(dǎo)至鎖緊結(jié)構(gòu)。因此,對俯仰角驅(qū)動器預(yù)緊力的控制需嚴格按照技術(shù)規(guī)范執(zhí)行,否則可能導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)部彈簧墊片張緊力過小,產(chǎn)生的預(yù)緊力不足,進而使螺母在受到力的作用時產(chǎn)生返退效應(yīng)。

(2) 鎖緊墊片折彎邊未完全貼上螺母。鎖緊墊片的折彎工藝通過人工使用折彎鉗進行操作,對于工人的經(jīng)驗及責(zé)任心有較高要求,折彎邊應(yīng)與六角螺母完全貼合,最大間隙不應(yīng)超過0.5 mm,如圖6所示。生產(chǎn)過程中應(yīng)100%對鎖緊墊片進行檢查,否則可能導(dǎo)致鎖緊墊片無法提供足夠的支撐,不能抵抗螺母的旋轉(zhuǎn)。

圖6 鎖緊墊片折彎邊完全貼合

6.2 鎖緊結(jié)構(gòu)設(shè)計原因

鎖緊墊片需固定在蝸輪上,鎖緊墊片是帶有開口折角結(jié)構(gòu)的標準件,折角厚度為1 mm,而蝸輪定位孔寬度為3 mm,理論上鎖緊墊片在蝸輪定位孔寬度方向有2 mm的活動空間。蝸輪定位孔如圖7所示。隨著定日鏡長時間運行及受風(fēng)載振動影響,鎖緊墊片可能會發(fā)生移位,并超出0.5 mm的最大間隙要求,從而可能導(dǎo)致俯仰角驅(qū)動器鎖緊結(jié)構(gòu)螺母返退,并造成定日鏡損壞的潛在風(fēng)險。

圖7 蝸輪定位孔

對此,可以選取帶自鎖功能的螺母。螺栓螺母結(jié)構(gòu)依靠螺栓螺母之間的相對摩擦力實現(xiàn)預(yù)緊力,并達到自鎖。理論上,當(dāng)螺紋升角小于螺紋當(dāng)量摩擦角時,螺栓螺母結(jié)構(gòu)可以達到自鎖條件,即無論如何施加載荷,軸向力在螺紋斜面的分量都小于螺紋結(jié)構(gòu)的最大靜摩擦力。但是在實際應(yīng)用場景中,受力條件比較復(fù)雜,并且會受到各種因素的影響,如溫度、材料特性、載荷振動、空氣濕度等,具備一般自鎖功能的螺紋結(jié)構(gòu)也可能會產(chǎn)生松動。

應(yīng)選擇螺紋升角小的螺紋,同時選取具有自鎖設(shè)計的螺母結(jié)構(gòu)。對于滾珠絲杠的端部螺栓螺紋設(shè)計,應(yīng)與選用的螺母結(jié)構(gòu)相匹配,從而提高螺母自鎖能力的可靠性,避免發(fā)生螺母返退導(dǎo)致俯仰角驅(qū)動器失效。

還需要提高俯仰角驅(qū)動器的承載能力。現(xiàn)場對失效的俯仰角驅(qū)動器進行分析時,發(fā)現(xiàn)相當(dāng)部分的螺母結(jié)構(gòu)螺紋被剪切損壞,說明定日鏡在極端天氣時承受了極大載荷。通過具備資質(zhì)的第三方機構(gòu)對隨機選取的俯仰角驅(qū)動器進行相關(guān)力學(xué)測試,俯仰角驅(qū)動器拉力測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 俯仰角驅(qū)動器拉力測試結(jié)果

俯仰角驅(qū)動器設(shè)計載荷為20 kN左右的拉力,即當(dāng)俯仰角驅(qū)動器軸承受20 kN拉力時,不發(fā)生損壞,則俯仰角驅(qū)動器滿足設(shè)計要求。測試時俯仰角驅(qū)動器在受到接近30 kN的拉力時依然完好無損,鎖緊結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞。測試結(jié)果證明俯仰角驅(qū)動器滿足設(shè)計要求,螺母螺紋結(jié)構(gòu)可承受20 kN的設(shè)計載荷。但是,現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)螺母螺紋發(fā)生了剪切損壞,如圖9所示。

圖9 螺母螺紋剪切損壞

現(xiàn)場出現(xiàn)這一現(xiàn)象,說明定日鏡受到較強的風(fēng)載影響,俯仰角驅(qū)動器或因承受超出設(shè)計值的拉力而導(dǎo)致?lián)p壞,或因制造工藝控制不嚴導(dǎo)致鎖緊墊片與螺母先行松脫,螺母螺紋不斷受到振動沖擊力,使螺紋遭到剪切破壞。因此,在設(shè)計中需加強對該部位的安全冗余設(shè)計,同時需對加工制造工藝進行嚴格把控。

6.3 極端天氣影響

光熱電站項目現(xiàn)場一般位于沙漠或戈壁地區(qū),長年處于大溫差、高鹽、高濕、大風(fēng)的不利氣象條件之下,比較容易出現(xiàn)極端惡劣天氣。在定日鏡破損現(xiàn)場,風(fēng)速曾在15 min內(nèi)達到并超過十級。這一時間短于定日鏡回至安全位所需要的響應(yīng)時間,造成定日鏡過長時間暴露在強風(fēng)之下。因此需要加強對極端天氣的預(yù)警報告,尋求氣象部門幫助,充分利用項目周邊的氣象站設(shè)施,增加天氣預(yù)報頻次。

7 現(xiàn)場應(yīng)急處理方案

俯仰角驅(qū)動器的運行安全關(guān)系到定日鏡的穩(wěn)定運行及安全,甚至影響項目的順利發(fā)電與交付。因此,基于俯仰角驅(qū)動器技術(shù)規(guī)范,制訂了一套俯仰角驅(qū)動器維護方案。

對鎖緊結(jié)構(gòu)按照技術(shù)規(guī)范進行加固,逐個排查隱患,并及時更換損壞的螺母結(jié)構(gòu),避免因質(zhì)量控制問題對定日鏡運行安全造成影響。

8 俯仰角驅(qū)動器失效對策

(1) 加強氣象預(yù)測監(jiān)測。沙漠或戈壁中氣候條件變幻莫測,沙塵暴往往短時間內(nèi)就會生成,并有可能產(chǎn)生大風(fēng),單純依靠項目的氣象預(yù)測系統(tǒng)難以滿足項目運行的需求。因此,需尋求第三方合作,采集第三方氣象預(yù)報數(shù)據(jù)及周圍氣象站數(shù)據(jù),進行預(yù)測,并綜合衛(wèi)星云圖、降水云圖等,在自動預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,結(jié)合人工進行判斷,增強氣象預(yù)報預(yù)警的安全冗余,使定日鏡在極端天氣來臨前能夠安全回位。

(2) 優(yōu)化定日鏡回位時間。需要進一步開發(fā)定日鏡快速回位的指令程序,一方面加強氣象預(yù)警,另一方面加速定日鏡回位,使定日鏡盡可能提前回到安全位。一般定日鏡從睡眠位置,即鏡面垂直地面回到安全位的響應(yīng)時間為15～25 min,因此需要優(yōu)化回位程序,加快定日鏡電機的運行速度,縮短定日鏡的回位時間。

(3) 優(yōu)化定日鏡安全冗余設(shè)計。在設(shè)計階段,需要對定日鏡各系統(tǒng)部件進行進一步優(yōu)化,如對定日鏡主要的抗風(fēng)載受力部件俯仰角驅(qū)動器加強力學(xué)安全冗余設(shè)計。具體為增加俯仰角驅(qū)動器的振動測試、壽命測試,優(yōu)化鎖緊結(jié)構(gòu)設(shè)計,采用具有自鎖功能的螺母,同時加強對鎖緊墊片折彎工藝的質(zhì)量控制,列入質(zhì)量控制檢查點,確保工序100%合格后才能出廠。

9 結(jié)束語

根據(jù)十四五可再生能源規(guī)劃,我國進一步明確了新能源發(fā)展方向,基于風(fēng)、光、儲互補型新能源的大基地建設(shè)是未來的導(dǎo)向。根據(jù)規(guī)劃,大基地項目基本上含有塔式光熱電站。截至目前,我國在建、擬開發(fā)的光熱電站項目總裝機容量已超過4 GW。因此,對塔式光熱電站關(guān)鍵技術(shù)的突破及項目中積累的運維經(jīng)驗,可以為新的光熱電站項目的開發(fā)提供重要指導(dǎo)。

筆者對光熱電站項目中出現(xiàn)的定日鏡俯仰角驅(qū)動器失效原因進行分析,采取修復(fù)措施及時處理現(xiàn)場出現(xiàn)的問題,為今后光熱電站項目定日鏡關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計優(yōu)化、測試驗證、生產(chǎn)制造、現(xiàn)場安裝、缺陷修復(fù)等積累經(jīng)驗,并提供參考。