歌美颯風機液壓系統故障原因分析及日常處理

林劍斌

（福建省福能新能源有限責任公司 福建莆田 351146）

0 引言

歌美颯G80/G90 系統風力發電機組采用液壓變槳控制技術，是通過液壓執行元件調整葉片槳距角在0°～90°之間變化，以改變氣流對槳葉的攻角，風力發電機達到切入風速時自動啟動，在超過額定風速時控制槳距角保持葉輪轉速和輸出功率恒定，以及在安全鏈觸發時風力發電機自動順槳（90°）以保證風力發電機組的安全。液壓變槳具有體積小、重量輕、運動慣性小、反應速度快、動作可靠、操作性能好等特點。液壓變槳系統因其系統的元件較多，相對應的故障也比較多，主要體現在液壓系統方面的故障和變槳系統方面的故障。

1 風機液壓系統的作用及組成

1.1 液壓系統的作用

液壓系統屬于風力發電機的1 種動力系統，其主要作用是為變槳控制裝置、偏航驅動和制動裝置、停機制動裝置和安全槳距控制裝置提供液壓驅動力。歌美颯G80/G90 風機中液壓系統主要控制變槳機構，實現風力發電機組的轉速控制、功率控制，同時也制控轉子剎車機構和偏航剎車機構。

1.2 液壓系統的組成

1.2.1 動力元件

液壓系統的動力元件是指液壓系統中的油泵，其作用是將原動機的機械能轉化為液壓油的壓力能。

1.2.2 控制元件

控制元件是指在液壓系統中控制和調節液體壓力、流量和方向，以滿足執行元件對力、速度和運動方向的要求。主要包括安全閥、電磁閥、比例閥、單向閥、減壓閥、壓力開關等控制元件。

1.2.3 執行元件

執行元件是指將液壓油的壓力能轉換為機械能的裝置，以驅動外負載做功；主要包括：變槳油缸（活塞缸）和剎車（柱塞缸）。

1.2.4 輔助元件

輔助元件是指在傳遞液壓油壓力能和液壓油本身所需的液壓輔件，起到儲油、保壓、濾油和檢測等作用；主要包括：油箱、油管及油管接頭、蓄能器、濾芯、壓力表、油位計、油溫計等。

1.2.5 液壓油

液壓油是液壓系統中傳遞能量的工作介質。

2 風機液壓變槳系統故障原因分析及處理

2.1 風機液壓系統故障原因分析及處理

液壓系統最主要的2 條回路是M280 液壓泵回路和M281液壓油散熱風扇電機回路，見圖1。

圖1 液壓變槳過程

2.1.1 油泵打壓超時和液壓系統反饋出錯

從故障觸發條件可以看出201 油泵打壓超時和208 液壓系統反饋出錯均發生于M280 液壓泵回路，M280 液壓泵是整個液壓系統的核心動力，而KM280 接觸器是液壓系統運行最頻繁的電氣元件。風機運行時，因風速一直處于變化的狀態，系統通過風速不斷調整葉片槳距角需要液壓泵來提供動力。當壓力傳感器檢測到壓力低于200 MPa 時，則發出KM280 接觸器吸合的命令，其為液壓系統最為容易出故障的電氣元件。主要通過半年定期維護、全年定期維護時進行定期更換KM280 接觸器，檢查并緊固回路，從而減少該類故障的發生。（注意：更換KM280 接觸器有嚴格工藝要求，其接線不允許出現松動，因KM280 啟動電流較大，若出現松動則會導致KM280 接觸器燒毀。）

2.1.2 液壓系統油位低

205 液壓系統油位低是歌美颯系列機型最常見的故障，也是液壓變槳系統的通病——液壓系統液壓油泄漏，導致其油位降低。經過多年故障處理研究及總結發現其最主要的泄漏點是變槳油缸密封圈長期頻繁變槳磨損致使密封性降低，導致液壓油外漏。在保證安全的情況下，通過對各個葉片進行變槳測試，觀察各變槳油缸與活塞桿連接處的漏油情況，來判斷該油缸是否需要更換密封圈，同時檢查各個油管及其連接處是否存在漏油。而發生磨損的最根本原因是歌美颯風機變槳油缸半月板軸承因無潤滑長期干摩擦導致油缸與半月板之間出現間隙，變槳油缸運行不平衡，密封圈受到的徑向力不平衡，長期運行密封圈磨損加速致變槳油缸漏油；通過半月板軸承固定改造增加潤滑油脂，減少半月板干摩擦，以延長變槳油缸密封圈壽命，從而減少該類故障的發生。最后添加足夠的液壓油恢復風機運行。

2.1.3 液壓系統壓力低和液壓系統壓力很低

這2 條故障主要發生在臺風天氣或者高風速時。因風速變化過快，風機槳距角頻繁大角度調整，導致液壓系統壓力跟不上槳距角變化的速度。根據液壓系統原理及日常維護檢查發現其最主要的原因是蓄能器壓力降低或者蓄能器損壞，導致液壓系統保壓能力降低，當系統平均流量不足時，無法有效對其進行補充。蓄能器還具備吸收液壓沖擊能力，減少振動和噪音，降低鋼管頭泄漏的風險，還能有效降低系統頻繁打壓導致液壓油油溫升高，同時能提供葉片緊急收槳的動力，保證風機安全。每年定期對蓄能器進行充氮氣并檢測其是否完好，若出現損壞及時更換氣囊，能有效減少此故障發生頻率，以保證機組安全穩定運行。

2.1.4 液壓系統油溫高

液壓系統油溫高的原因是M281 其散熱回路問題，歌美颯風機液壓系統散熱通過風冷進行散熱。該故障通過檢查其回路電氣元件，同時檢查散熱片是否臟污，若是臟污應對其進行清洗。

2.2 液壓變槳系統故障原因分析及處理

2.2.1 風機液壓變槳過程及控制過程

變槳過程：電磁閥（Y240、Y241、Y242、Y243）通電，比例閥（三位四通）交叉線圈端通電（即P-B 互通，A-T 互通）。液壓油經機械泵打壓后，經過旋轉接頭—單向閥92—電磁閥Y243—比例閥Y250（P-B 通道）—油缸A 端。油缸B 端—電磁閥Y242—比例閥Y250（A-T 通道）—回到油箱，見圖2 和圖3。

圖2 變槳過程

圖3 變槳電氣控制系統

2.2.2 風機液壓變槳故障原因分析

分析歌美颯風機液壓變槳故障首先要了解整個變槳執行過程。歌美颯風機變槳采用3 個獨立液壓變槳，輪轂內安裝3 個油缸，每只油缸單獨由1 個比例閥（Y250）控制變槳。正常運行狀態下，根據檢測到的風速PLC 發出收槳或收槳信號，3 個葉片同時變槳，由模擬量輸出模塊（AO 模塊或SA 模塊）向比例閥輸出-10 V 至+10 V 連續可變的電壓控制信號，比例閥控制器接收到信號后與本身的負信號進行疊加后，實現比例閥開度調節，模擬量輸入模塊（EA 模塊）將比例閥的開度信號反饋給PLC；同時PLC 通過控制電磁閥的通斷配合比例閥執行變槳；油缸位移信號由葉片位置傳感器（將直線機械位移量轉換成電信號）檢測，通過模擬量輸入模塊反饋給PLC 進行比對。由于葉片位置傳感器信號響應速度遠遠高于傳動機構，所以液壓變槳控制完成某角度的變槳過程是非?？斓?。整個變槳過程是一個精密配合的過程，當任意一個元件出現故障，都會導致變槳機構無法執行。

（1）“800 變槳系統驅動錯誤”觸發條件：在暫停、就緒或運行模式下5 s 以上，如果任何葉片的變槳系統偏離基準變槳系統4°超過4 s，或任何葉片的變槳系統偏離基準變槳系統2°超過10 s。

（2）“804 兩葉片角度之差很大”觸發條件：在暫停、就緒或運行模式下，2 個葉片之間的位置差大于4°超過200 ms。在3 個葉片的位置＞80°之前，該報報繼續開啟。

（3）“812 葉片位置測量出錯”觸發條件：如果3 個葉片中任何1 個的巴魯夫測量值連續3 次讀數增加超過40°/s，且這并非因與DI 模塊的通訊錯誤所致。

以上3 條為變槳系統最主要的故障，從觸發條件來看，共同的原因就是葉片之間出現了“角度差”。在變槳過程的任何一個環節出現問題都會產生“角度差”；主要原因包括：AO 模塊故障、比例閥故障、電磁閥故障、葉片位置傳感器故障、線路接線問題。

2.2.3 風機液壓變槳系統故障的處理方法

（1）首先確定故障的葉片?？刂破鳎ㄓ|摸屏）進入測試狀態，通過變槳距測試對3 個葉片逐個測試，觀察葉片變槳情況，故障葉片一般無法變槳或者變槳速度會比較慢；無法準確判斷哪個葉片變槳速度比較慢時，可對3 個葉片同時進行變槳距緊急測試，觀察葉片槳距角，會出現1 個葉片槳距角會明顯慢于另外2 個葉片，確定變槳故障葉片。

（2）鎖定風機葉輪后，做好安全措施。

①812 葉片位置測量出錯。處理思路：查看葉片位置傳感器的指示燈是否正?！鷤鞲衅鹘泳€是否松動→測量傳感器的電壓是否正?！鷾y量接線是否存在斷線的情況，以此來判斷是否為傳感器本身的故障。

②800 變槳系統驅動錯誤和804 兩葉片角度之差很大?，F象表現為變槳測試時故障的葉片無法變槳，或者3 個同時變槳時，故障葉片的槳距角變化速度會明顯慢于另外2 個葉片。

故障葉片無法變槳處理思路：按順序檢查繼電器、電磁閥和比例閥；先排查線路后執行元件。進入變槳測試狀態，檢查繼電器KR240、KR241 是否工作（查看指示燈，亮則正常，滅則更換繼電器）。從圖2 可以看出當Y242 或Y243 電磁閥無法正常工作時，液壓油無法進入油缸或回到油箱，油缸不動作。先檢查Y242 和Y243 電磁閥接線是否斷線、接地、短路，同時要測量線路的電阻值，電阻值過大則會形成壓降導致電磁閥無法正常工作；若線路無問題，則是電磁閥故障；電磁閥故障包括線圈故障和閥體故障（小技巧：保持葉片變槳狀態，輸入參考槳距角88°，后用用螺絲刀挨個接觸電磁閥，看電磁閥是否有磁力）。檢查該葉片比例閥接線是否松動；若線未松動，則可嘗試將SA1（控制A、B 葉片變槳）與SA2 模塊（控制C 葉片變槳）對換，然后做變槳測試。若是SA2 模塊故障，則對換后，A、B 2 葉片無法變槳；SA1 模塊故障，同理。若是對換后，故障葉片仍無法變槳，檢查比例閥線路，若線路正常，則是比例閥問題。

1 個葉片變槳速度比其他2 葉片慢處理思路：①比例閥接線長期運行電阻值變高，導致AO 模塊輸出的電壓到達比例閥時出現壓降，則該比例閥的開度比另外2 個小，從而表現出來變槳速度比其他2 葉片慢；②比例閥本身出現問題。

更換完元器件后，應再次對所有葉片進行變槳測試，檢查變槳是否正常。

因變槳故障出現在輪轂內，處理起來有較多的條件限制，我們可以從日常維護中采取措施來減少該類故障的發生。①改善電氣元件運行條件，緊固電氣元件同時做好輪轂內衛生；②緊固電氣元件接線并采取防松措施，這是最能減少接線類故障的有效措施。

3 結語

液壓變槳系統因結構緊湊、調速范圍廣、空間布置靈活、傳動扭矩大和便于伺服控制等優點在風力發電機中的應用逐漸增多。但風力發電機在室外自然環境中工作，因溫差大、沙塵多等因素，對風機液壓變槳系統的密封性有很高的要求，同時液壓變槳系統置于機艙頂部、輪轂內，受機艙震動影響最為嚴重，經常會出現斷線、接線松動等現象，風力發電機維護檢修人員提高檢修質量和做好日常維護就顯得尤為重要。