風(fēng)電機(jī)變槳控制策略設(shè)置不當(dāng)造成的葉片折斷事件分析

一、引言

黑龍江某風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量49.5MW，安裝了33臺(tái)1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。該風(fēng)電場(chǎng)于2012年12月19日首臺(tái)風(fēng)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電，2013年01月22日實(shí)現(xiàn)33臺(tái)風(fēng)電機(jī)全部并網(wǎng)發(fā)電，風(fēng)電機(jī)全部使用艾朗44米葉片。該風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生的葉片折斷事故很具有典型性，非常值得大家借鑒與反思。

二、事件經(jīng)過(guò)

(一)2016年10月17日，風(fēng)電場(chǎng)遭遇大風(fēng)并伴有雨夾雪的惡劣天氣，當(dāng)天風(fēng)電場(chǎng)的平均風(fēng)速為10.25米/秒，最高風(fēng)速為20.38米/秒(數(shù)據(jù)來(lái)源于風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng))。從測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)來(lái)看，2016年10月17日09時(shí)開(kāi)始風(fēng)速由10米/秒迅速增大到18米/秒，12時(shí)20分風(fēng)速再次陡增到24米/秒，直到17時(shí)才降至10米/秒以下。風(fēng)電場(chǎng)在此期間風(fēng)速波動(dòng)也是比較明顯的(如圖1)。

(二)2016年10月17日10時(shí)至15時(shí)#19風(fēng)電機(jī)故障總次數(shù)為40次，其中偏航變頻器過(guò)流故障20次，變槳角度類(lèi)故障17次，超速故障1次，其他故障2次。故障時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的為10次，發(fā)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為1980轉(zhuǎn)/分。風(fēng)電場(chǎng)值班人員未及時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)查看故障情況而反復(fù)復(fù)位重啟風(fēng)電機(jī)。

(三)2016年10月18日，風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維人員在巡視風(fēng)電機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)#19風(fēng)電機(jī)葉片發(fā)生折斷的情況下仍處于運(yùn)行狀態(tài)，折斷部位為距葉尖10米左右位置，如圖2所示。

(四)10月18日下午，廠家人員和風(fēng)電場(chǎng)一起將#19風(fēng)電機(jī)葉輪鎖上鎖并按下緊急停機(jī)按鈕，做好安全措施。

(五)10月20日，葉片廠家技術(shù)人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)檢查葉片折斷情況，對(duì)損壞的部分進(jìn)行拍照、取樣、測(cè)量，將數(shù)據(jù)帶回廠家。項(xiàng)目公司安排技術(shù)人員通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)考察、數(shù)據(jù)調(diào)取分析、相關(guān)人員現(xiàn)場(chǎng)談話等方式對(duì)事件進(jìn)行了調(diào)查。

三、原因分析

(一)風(fēng)電場(chǎng)在10月17日遭受大風(fēng)惡劣天氣，#19風(fēng)電機(jī)的機(jī)位地形地貌復(fù)雜，當(dāng)天來(lái)風(fēng)的湍流強(qiáng)度大是葉片折斷的直接原因。

(二)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)核查發(fā)現(xiàn)該臺(tái)風(fēng)電機(jī)變槳控制策略與實(shí)際需求不符。#19風(fēng)電機(jī)變槳控制選型錯(cuò)誤，風(fēng)電機(jī)使用的是A型葉片，但主控系統(tǒng)使用的是控制B型葉片的控制策略。由于A型葉片設(shè)計(jì)變槳角度為90度至0度，B型葉片設(shè)計(jì)變槳角度為90度至-2度，因此該臺(tái)風(fēng)電機(jī)葉片在風(fēng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)變槳角度超出極限角度2度，導(dǎo)致A型葉片變槳至0度到-2度的工況時(shí)其多處截面為過(guò)載運(yùn)行狀態(tài)，葉片存在長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行的問(wèn)題。A型葉片和B型葉片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3.

由圖3可知，A型葉片和B型葉片總長(zhǎng)度和最大弦長(zhǎng)以及最大弦長(zhǎng)處距葉根的距離均不同，因此兩種葉片各橫截面的疲勞強(qiáng)度不同。

葉片構(gòu)件疲勞循環(huán)數(shù)理論上可以用系列載荷譜來(lái)反映，載荷譜技術(shù)參數(shù)如表1.

　　表1

因此葉片設(shè)計(jì)完成后，其使用壽命也就基本成形，即耐受的載荷循壞數(shù)量。然而，基于Miner損傷累計(jì)理論，疲勞強(qiáng)度在設(shè)計(jì)時(shí)允許構(gòu)件上危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力循環(huán)中最大應(yīng)力值超過(guò)疲勞極限，但內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生累積性的損傷，當(dāng)損傷累積達(dá)到臨界值時(shí)，便會(huì)發(fā)生疲勞破壞。因此，#19風(fēng)電機(jī)葉片控制策略與實(shí)際不符是本次事件的主要原因。

(三)在后臺(tái)服務(wù)器上發(fā)現(xiàn)該風(fēng)電機(jī)存在故障屏蔽情況，主要有機(jī)組振動(dòng)、輪轂轉(zhuǎn)速差、偏航功率。使風(fēng)電機(jī)葉片在異常舞動(dòng)時(shí)不能及時(shí)故障停機(jī)，造成了事故的擴(kuò)大，是本次事故的次要原因。

(四)2016年10月17日10時(shí)至15時(shí)#19風(fēng)電機(jī)多次故障，風(fēng)電場(chǎng)值班人員未及時(shí)到現(xiàn)場(chǎng)查看故障情況而反復(fù)復(fù)位重啟風(fēng)電機(jī)，葉片損壞前未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致?lián)p壞加劇，是本次事故的間接原因。

四、措施及效果

(一)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)各類(lèi)軟件和系統(tǒng)采取分級(jí)管控，制定管控制度。在服務(wù)器登錄界面和系統(tǒng)登錄界面根據(jù)登錄級(jí)別分配操作權(quán)限，參數(shù)修改、機(jī)組選型、系統(tǒng)配置等重大操作必須2人以上操作。根據(jù)風(fēng)場(chǎng)實(shí)際情況增設(shè)指紋登錄系統(tǒng)。

(二)優(yōu)化設(shè)備控制程序和軟件，風(fēng)電機(jī)調(diào)試運(yùn)行后的定版程序應(yīng)進(jìn)行加密封裝，將需要的參數(shù)修訂操作設(shè)定到人機(jī)界面，杜絕在程序內(nèi)部修訂，取消一切故障屏蔽的接口。在系統(tǒng)內(nèi)增設(shè)報(bào)警功能，當(dāng)發(fā)生既定參數(shù)變化時(shí)發(fā)出報(bào)警并需場(chǎng)長(zhǎng)進(jìn)行確認(rèn)消除。

(三)風(fēng)電機(jī)程序變更、參數(shù)修改、軟件升級(jí)、故障屏蔽等操作必須履行設(shè)備異動(dòng)流程，經(jīng)審核批準(zhǔn)后方可實(shí)施。

(四)重新審核設(shè)備參數(shù)表，風(fēng)電場(chǎng)按照設(shè)備參數(shù)表開(kāi)展一次排查，務(wù)必保證設(shè)備運(yùn)行參數(shù)正確。

(五)強(qiáng)化員工學(xué)習(xí)意識(shí)，加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)，提高員工技術(shù)能力。使員工熟悉掌握風(fēng)電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造、參數(shù)設(shè)定、設(shè)備原理、設(shè)備運(yùn)行性能，提高運(yùn)維人員故障分析、處理的能力。

(六)加強(qiáng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)巡回檢查的管理，運(yùn)維人員在巡視、檢查中，即使發(fā)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)有較小的異聲，也要引起足夠的重視，必要時(shí)進(jìn)行停機(jī)檢查。

(七)加強(qiáng)運(yùn)行人員的監(jiān)盤(pán)質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)缺陷及時(shí)匯報(bào)、處理,1小時(shí)內(nèi)同一故障連續(xù)出現(xiàn)三次時(shí)，應(yīng)組織人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查，確認(rèn)無(wú)問(wèn)題后方可繼續(xù)運(yùn)行。

五、總結(jié)

本次葉片折斷事件給我們敲響了警鐘，該風(fēng)電場(chǎng)存在的問(wèn)題很多風(fēng)電場(chǎng)都存在，暴露的問(wèn)題很具有代表性。風(fēng)電場(chǎng)對(duì)風(fēng)電機(jī)控制系統(tǒng)疏于管理，未能定期對(duì)照設(shè)備參數(shù)清單核對(duì)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，風(fēng)電機(jī)廠家技術(shù)管理混亂，隨意修訂設(shè)備參數(shù)和設(shè)置等等的問(wèn)題大家一定要杜絕再次發(fā)生。風(fēng)電場(chǎng)對(duì)風(fēng)電機(jī)各個(gè)軟件、系統(tǒng)要加強(qiáng)管理，任何時(shí)間不可處于脫管狀態(tài)。風(fēng)電機(jī)更換程序、改變參數(shù)、屏蔽故障等均應(yīng)按照要求履行設(shè)備異動(dòng)程序，避免風(fēng)電機(jī)控制程序版本混亂、參數(shù)不一、并且沒(méi)有可追溯性。希望大家能夠在今后的工作中舉一反三，避免類(lèi)似事件再次發(fā)生。
 

參考文獻(xiàn)：

[1]《SL1500電控系統(tǒng)說(shuō)明說(shuō)》

[2]《SL1500風(fēng)電機(jī)組安裝手冊(cè)》

[3]《SL1500風(fēng)電機(jī)組用戶手冊(cè)》

[4]《SL1500風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)》

[5]《艾郎葉片技術(shù)規(guī)格書(shū)》

[6]《中復(fù)葉片用戶手冊(cè)》

[7]《風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片》（中國(guó)水利水電出版社，2014.1）

作者： 黑龍江省華富電力投資有限公司 楊桐軒