行業新聞

    風電齒輪箱的發展及技術現狀

    發布時間:2020/08/26     作者:王嘉偉

    一、風電行業發展現狀

    2014-2019年我國風電累計裝機持續增長,截至2019年底,全國風電累計裝機2.1億千瓦、同比增長14.0%,在新增裝機方面,風電年度新增裝機2574萬千瓦 ,同比上漲22%。
     
    從風電結構看,截至2019年底,全國風電累計裝機2.1億千瓦中,陸上風電累計裝機占主要比重,達到2.04億千瓦,占比97%;海上風電累計裝機593萬千瓦, 占比3%。

    陸上風電雖然是我國風力發電主導,但是海上風電規模有望得到進一步發展。2019年,海上風電新增裝機198萬千瓦,海上風電累計裝機593萬千瓦,增幅明 顯,2020年海上風電新增裝機將持續上升,將突破200萬千瓦。 在裝機規模持續擴大的同時,我國可再生能源利用水平也在不斷提高。2019年,全國風電行業均實現了棄風量、棄風率的持續下降,加快推動我國能源行業 高質量發展。2019年我國棄風電量達169億千瓦時,同比減少108億千瓦時,全國平均棄風率為4%,同比下降3個百分點,實現了棄風電量和棄風率的“雙降”。 大部分棄風限電地區的形勢進一步好轉。表明我國風電等可再生能源開發技術得到進一步發展。

    在風電裝機規模持續增長,突破兩億千瓦,全國棄風電量和棄風率實現“雙降”時,我國年度風電發電量也得到發展,2019年我國風力年度發電量首次突破40 00億千瓦時,全國風電發電量達到4057億千瓦時,同比增長10.9%,占全部發電量的5.5%。

    2016年,我國首部《中國風電發展路線圖2050》正式發布,2050 年,我國風電裝機容量將達到 10 億千瓦,將成為電能主力。

    2019年,我國風電可再生能源裝機規模不斷擴大,風電發電量實現新高,風電清潔能源利用水平得到提高。在2020年“十三五”規劃即將收官時,我國也將迎 來可再生能源電力發展情況考核。預計2020年將進一步全面推動風電可再生能源高質量高水平發展,充分發揮其清潔能源替代作用。

    風電齒輪箱是風能發電機的關鍵部分,隨著風電的發展,風電齒輪箱也獲得了良好的發展前景。 國內的企業還存在技術能力不足的問題, 需要了解齒輪箱 制造的關鍵技術,提升技術水平,滿足市場需求。

    二、風機齒輪箱發展現狀

    風力發電機組中的齒輪箱是一個重要的機械部件,其主要功用是將風輪在風力作用下所產生的動力傳遞給發電機并使其得到相應的轉速。風力發電受自然條 件的影響,一些特殊氣象狀況的出現,皆可能導致風電機組發生故障,而狹小的機艙不可能像在地面那樣具有牢固的機座基礎,整個傳動系的動力匹配和扭 轉振動的因素總是集中反映在某個薄弱環節上,大量的實踐證明,這個環節常常是機組中的齒輪箱。因此,加強對齒輪箱的研究,重視對其進行維護保養的 工作顯得尤為重要。

    風電齒輪箱是風力發電機組中技術含量較高的部件之一,同時也是故障率比較高的部件之一,是我國風電技術水平提升的主要瓶頸。目前,我國齒輪箱制造 企業已經具備獨立自主研發能力,可批量制造1.5MW、2MW、2.5MW、3MW、3.3MW、3.6MW、4.0MW、5MW、6MW等在內的多種系列齒輪箱產品,可適應高低溫、 低風速、高海拔、海上及其他特殊工況環境,可配套國內主要整機制造企業的產品,基本滿足國內風電產業發展需求,并有部分企業正在研發8MW、10MW系 列海上風電大兆瓦級齒輪箱。

    當前,國內風場齒輪箱主要制造企業有:南京高精傳動設備制造集團有限公司、寧波東力股份有限公司、浙江通力重型齒輪股份有限公司、重慶齒輪箱有限 責任公司、杭州前進齒輪箱集團股份有限公司、三一重型能源裝備有限公司、中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司、中車北京南口機械有限公司、中車 福伊特傳動技術(北京)有限公司、采埃孚(天津)風電有限公司、湖南南方宇航高精傳動有限公司、大連華銳重工集團股份有限公司、重慶望江工業有限公 司、天津華建天恒傳動有限責任公司、太原重工股份有限公司、弗蘭德傳動系統有限公司(威能極)、秦川機床工具集團股份公司、寧夏銀星能源股份有限 公司、美聞達傳動設備(蘇州)有限公司等20家。

    風力資源十分豐富,風能發電有著十分廣闊的發展前景,因此,風機齒輪箱在未來有很廣闊的發展空間。目前市場上的主要風力發電設備包括雙反饋發電和 直驅發電,其中雙反饋發電是目前市場的主流發電技術,這種發電使用多重齒輪箱,承接風能推動葉片所帶來的動力,之后齒輪箱提升轉速進行發電。風力 發電機組中,齒輪箱是十分重要的零部件,由于風能發電的快速發展,所以齒輪箱市場存在供不應求的現象。但是與此同時,我國的齒輪箱制造水平相對較 低,產能不足,滿足不了市場需求。國外的風機齒輪箱規模已經很龐大, 很多低功率風機都使用國產齒輪箱,但是在兆瓦級以上的齒輪箱,卻十分依賴于 國外廠商。國外齒輪箱制造商的零部件更新比較快,型號更新速度也很快。同時,國外廠商在售后服務上也領先于國內,是國內廠商的主要差距之一。

    三、風電齒輪箱關鍵技術

    1、風電齒輪箱軸承

    從1983年在歐洲立起來的Growian3MW風機以來。至今已經30多年了,兆瓦級風電主齒輪箱的傳動形式經過這些年來的發展,逐漸形成了自身的一些特點。

    在風力機的運行過程中,風輪的受力狀況極為惡劣,經常在急劇變化的重載荷下連續運行數十小時,其所受到的各種載荷都通過主軸直接傳遞給齒輪箱的低 速軸。而且,風力發電機組的設計通常要求在無人值班運行條件下工作長達20年之久,因此齒輪箱的軸承在此受到了真正的考驗。

    軸承是齒輪箱中的關鍵零件,如果軸承存在問題,齒輪箱必然會出現故障。很多國外企業在齒輪箱軸承的技術水平比較高,軸承往往會有比較長的壽命。同 時為了能夠了解齒輪箱的情況,就需要了解軸承的壽命,及時對老化的軸承進行更換,避免軸承出現故障之后導致齒輪箱運轉不暢。軸承損壞的原因有很多 ,在計算時需要針對不同的因素進行綜合考慮, 這就導致不同的企業和國家都有自己的壽命計算標準,并沒有統一的理論基礎。國內的廠商也在研究軸承 壽命計算的相關技術,對提高軸承的應用有很大的幫助。溫度、潤滑油的粘度都對軸承的壽命有一定的影響,而且如果周圍環境不清潔,也會對軸承造成污 染,導致軸承的運行情況變差。在對軸承的壽命進行計算時,這些方面的因素都要考慮進去,從而獲得準確的結果。

    軸承是風電齒輪箱中的核心部件。在齒輪箱運轉時,軸承支承零部件的旋轉并降低在工作時的摩擦。在一個軸系系統中,至少需要兩個及以上的軸承支撐并 引導旋轉的軸,在實際應用過程中根據不同的應用需求有三種基本配置方式:固定+浮動的軸承配置、預調整的軸承配置、兩端浮動的軸承配置。

    2、風電齒輪箱齒輪制造水平

    齒輪箱的性能、穩定性來自于齒輪的設計和制造水平,對于齒輪的制造而言,不僅要做好設計工作,同時也要在工藝上有足夠的保證。齒輪的制造需要在材 料上滿足要求,避免因為材料性能不足影響了齒輪箱運行的穩定性。其次在制造的過程中,需要根據載荷計算來修正齒輪的齒形齒向,并且使用滲碳淬火工 藝,有效對齒輪進行熱處理。

    風電齒輪箱的故障中有很大一部分故障來自于齒輪,齒輪運行環境較為復雜,長時間超載,潤滑不良,軸承或齒輪的錯誤安裝,以及齒輪本身嚙合不良等原 因都會導致齒輪故障,壽命減短。

    振動檢測是目前檢測風電齒輪箱故障最全面最有效的檢測方式,只要運用合適的振動檢測儀器采集數據加以分析就能判斷出齒輪的運行情況,對故障部件及 時進行維修更換以確保設備的正常運行,甚至在故障早期就加以預防,延長部件壽命。下面介紹一下齒輪的主要故障形式及振動表現:

    齒輪磨損:齒輪磨損時其嚙合頻率的邊頻帶幅值會明顯增大,嚴重時會出現齒輪的固有頻率,并有轉頻調制。齒輪負荷大:一般情況下負載高時,會出現很 高的嚙合頻率及其諧頻。齒輪游隙或偏心:齒輪嚙合頻率及其諧波被轉頻調制,出現固有頻率振動。齒輪不對中:齒輪不對中時一般會產生齒輪嚙頻率的高 次諧波,且一倍頻幅值較低而二倍三倍較高。齒輪斷齒或裂紋:齒輪出現斷齒等嚴重損壞時會在該齒輪轉速頻率和固有頻率處產生較高振動,且時域上會有 明顯的沖擊。

    振動數據采集之后,根據齒輪齒數和轉速等數據可以計算出齒輪的嚙合頻率,加上時域或頻譜中的特征可以對齒輪箱的故障進行診斷。然而,實際應用中, 由于齒輪箱中有多組齒輪和軸承,轉速也并非一成不變,頻譜分析往往有各種頻率出現,有些頻率十分接近,辨認比較困難。這時我們需要根據測點位置結 合振幅大小分析,針對每個齒輪箱,在其工作狀態良好的情況下,采集得到基準的頻譜,在狀態監測和故障診斷中通過與基準頻譜進行對比,來發現問題。 對于軸承部位測量,如果各部位振動都很大,一般可能是齒輪問題,如果個別軸承部位振動大可能是軸承問題。

    3、風電齒輪箱齒輪箱潤滑

    風電增速齒輪箱是雙饋型風力發電機組的核心部件,它將低轉速的風輪所攜帶的功率轉換為與發電機匹配的高轉速低扭矩功率,其全壽命周期內的使用性能 直接影響整機的發電量。風力發電機組一般安裝在山區、戈壁、草原、近海等80多米的高空,且機艙內部空間狹小,發生故障后維修成本十分高昂。因此風 電機組特別是齒輪箱的可靠性,早已成為業主招標時的重點關注指標。

    潤滑油是齒輪箱流動的血液,其不僅起到潤滑齒輪和軸承以及帶走摩擦熱量的作用,通過油樣分析,還可以及時診斷出齒輪箱的異常,從而為制定處理措施 提供依據。目前國內的整機廠商大多選擇國外知名品牌的潤滑油,如美孚、嘉實多、殼牌、福斯等。在運維水平不斷提高的環境下,需要關注潤滑油全流程 的質量管控,保證齒輪箱在正常的工況下運行,同時盡量延長潤滑油的使用壽命。

    齒輪箱的潤滑對于齒輪箱的運轉十分重要, 尤其是需要對軸承、齒輪嚙合區、軸承等位置進行噴油潤滑,保證齒輪箱運轉過程中不會有過大的阻力,避免 齒輪箱的失效。使用潤滑油時,需要考慮潤滑油的溫度,因為會影響齒輪箱部件的疲勞,甚至會造成系統壽命降低。通常而言,要避免齒輪箱的油溫超過 80℃,一般情況下,運行過程中,如果油溫超過了60℃,就必須要有冷卻系統進行降溫,如果油溫過低,則需要停機然后加熱再開機。季節也是對溫度有重 要影響的因素,風電機在夏季通常都處于滿發的狀態,這就導致油溫很容易升高,同時如果有陽光的影響,更容易造成油溫的升高;而在一些嚴寒地區的冬 天,過低的氣溫會導致齒輪機潤滑油流動不通暢,所以齒輪箱的齒輪、軸承難以得到充分的潤滑,很多齒輪機會出現齒面嚴重磨損的情況。低溫也會導致齒 輪箱的粘度增加,造成油泵啟動的時候負載較重,于是就會導致電機出現過載的問題。所以對于齒輪箱的潤滑方面,需要充分考慮對潤滑油的溫度控制,設 計潤滑油熱管理系統,控制潤滑油的溫度。

    行業內大多是基于油品檢驗結果判定潤滑油的狀態,而非簡單地根據機組運行時間進行決定。特別是運動黏度、元素含量、清潔度、水含量這幾項最能體現 潤滑油質量的參數,它們是否超標以及后續的抽樣復檢變化趨勢直接影響換油判斷。一般的風電整機廠商會結合歷年數據統計和不同品牌潤滑油供應商提供 的參考換油限制值,制定適合本企業的換油標準。

    當前,各風電整機廠商和風電業主方越來越重視油品檢驗的規范性和檢驗結果,一些業主設立了自己的油品分析中心,目的就是要及時發現機組摩擦副所處 的潤滑冷卻狀態是否正常,將因潤滑油使用維護不當造成的故障消滅在萌芽之中,提高風力發電機組的年發電量和機組的使用壽命。另外,通過定期的油品 檢測實施按標準換油,節省了提前換油的費用。這些應用技術,對企業提升技術管理水平、降低成本、提高競爭力具有積極作用。

    4、 風電齒輪箱運行監測

    隨著風電的高速發展, 風電機組裝機數量不斷增加,且結構更為復雜。風場環境惡劣,風電機組處于高空,運維困難,往往達不到視情維護的效果,以致其 關鍵故障嚴重、失效率占比增大、運維成本比重增多,造成風場經濟效益減少,競爭力降低。國外工作壽命至少 20 年的風電機組運維成本大約占風場收入 的 10%~15%, 海上風電機組高達 20% ~25%; 而國內風電裝備通常在運轉 5 年之內出現關鍵故障,其中風機齒輪箱最為嚴重,陸上和海上風機齒輪箱失 效率分別約占整機 14% 和 19%。在風電齒輪箱運維費用方面,齒輪箱故障是機組停機的關鍵因素,齒輪箱問題占 1 /3,在歐洲占總運維成本 12% ~ 30% ; 而國內則高達 40% 以上。巨大的運維費用降低風電經濟效益,可見發展風機齒輪箱監測診斷技術,提高齒輪箱無故障運行時間和發電效率具有重要意義。

    快速發展的風電行業存在的設備監測困難,得到國內外相關人員的高度重視,對其關鍵設備齒輪箱的運行維護出現了多種監測技術和診斷方法。但齒輪箱的 運行維護除了機械設備故障診斷的基礎問題外,還有齒輪箱自身特點的問題。

    風電系統的性能一定程度上決定于風電齒輪箱的運行情況,所以目前通過對風電齒輪箱的運行監測,對當前風電齒輪箱的振動加速度、振動速度、振動位移 、噪聲,齒輪箱轉速、功率,軸承油溫,壓力等進行監測。

    齒輪箱系統屬于含有固態、液態和氣態的多相混合系統,且三相之間互相影響, 共同作用于壽命周期的多個階段,產生多種多態多維數據。國內外學者、用 戶和第三方監測公司使用的狀態監測和診斷方法,缺乏互相支撐和統一標準,需要三方協同推進,促進多種監測技術和故障分析理論的集成融合,實現智能 診斷和主動運維。

    ( 1) 選用或開發適當的多態信息傳感器,構建相應的監測系統,強化和改善現有的在線監測技術和方法,通過網絡技術、信息技術和無線技術,實現無線 遠程可視化監控。

    ( 2) 監測理論及技術研究。選用或研發合適的、簡便的分析理論及技術,充分挖掘齒輪箱機制特征、磨損特征、理化特征和動態特征等多維定性、定量信 息,確定合適的因子及修正系數,建立齒輪箱零部件的溫度模型、磨損模型及油品模型。

    ( 3) 診斷技術集成研究。齒輪箱作為風力發電機的關鍵部件,在深入研究現象、機制及數據等的階段動態性基礎上,通過量化定性信息和結果,根據溫度 監測、油液分析和振動分析等技術手段的優勢,進行深度融合。

    ( 4) 統一監測方法, 建立用戶、供貨商及第三方機構的聯合知識庫、數據庫和監測方法庫。針對齒輪箱在不同階段的動態多維監測數據,統一這三方的數 據處理、定性、定量分析和診斷方法, 集成用戶的大量數據和監測公司之間的運維準則,建立互相支撐的統一標準。

    ( 5) 智能主動診斷的軟硬件開發。應用大數據、通過人工智能, 縱向結合歷史數據,橫向類比同類齒輪箱,通過開發相應的軟硬件,提升監控系統、進行 云診斷,開發機器人進行移動現場診斷,使設備能以語音或文字形式提前報警, 從而實現主動運維。

    四、結束語

    通過設計來進行齒輪箱的優化可以提升齒輪箱的性能,以及延長齒輪箱的壽命。比如可以使用數學模型來對齒輪箱進行模擬,然后結合參數對齒輪箱進行優 化設計。設計過程中需要考慮不同方面的優化條件,提升齒輪箱的性能和保證齒輪箱的穩定性。

    另一方面,也需要結合齒輪箱的經濟性進行考慮,保證齒輪箱能夠滿足經濟性要求。對于不同地區、齒輪箱的運行環境不同, 所以優化過程中也需要深入 研究一些極端情況對于齒輪箱的影響,或者圍繞環境專門對齒輪箱重新設計。

    風電齒輪箱技術水平對風能發電十分重要, 廠商需要充分考慮不同情況的需求,對風電齒輪箱進行技術優化。結合當前技術上的關鍵問題進行創新,提高 風電齒輪箱的技術水平。

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