風電機組重大事故分析（四）中國風電新聞網(wǎng)

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2015-02-0518:54文|王明軍，高原生，梅國剛，邵勤，豐吳飆(作者單位：王明軍、高原生、梅國剛：東方汽輪機有限公司風電事業(yè)部；邵勤豐：東方電氣自控研發(fā)中心；吳飆：西安市坤伯工程技術(shù)開發(fā)有限責任公司)據(jù)英國風能機構(gòu)不完全統(tǒng)計，截至2009年12月31日，全球共發(fā)生風電機組重大事故715起，其中火災(zāi)事故138起，占總數(shù)的19.3％，位列第二位。2010年歐美等國新增火災(zāi)事故7起，其中2起火災(zāi)對作業(yè)工人造成了嚴重燒傷。因此，火災(zāi)已成為繼雷擊后第二大毀滅性風電機組災(zāi)害。2006年中國臺灣燒毀了2臺2MW的風電機組。在近期的《火災(zāi)科學》雜志上，來自倫敦帝國理工學院、愛丁堡大學和瑞典SP技術(shù)研究院的幾位研究人員聯(lián)合發(fā)表了他們的研究成果。在對全球20萬臺風電機組進行了評估之后，這個研究小組認為，風電機組的火災(zāi)發(fā)生率比業(yè)內(nèi)普遍認為的幾率高出10倍。當前，公開報道的全球風電機組火災(zāi)發(fā)生率平均為每年11.7起，而研究人員認為，每年至少有超過117起風電機組著火事故發(fā)生。風電機組火災(zāi)事故中國有，國外也有。如果對眾多機組起火和燒毀事故認真分析，找出事故真實原因，采取有效預(yù)防措施，相信絕大部分的機組火災(zāi)事故是可以預(yù)防和避免的。然而，在降低和避免重大事故發(fā)生的同時，我們不僅要講求科學，還需要綜合考慮成本，以利于度電成本的降低。事故簡介某風電場在后臺軟件上發(fā)現(xiàn)一臺機組報“發(fā)電機超速”停機，其后觸發(fā)了“發(fā)電機軸承1溫度偏高”、“發(fā)電機軸承1溫度過高”等多個故障。事故后發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器及聯(lián)軸器罩殼完全燒毀。該機組在更換發(fā)電機、聯(lián)軸器、聯(lián)軸器罩殼、燒毀的部分線路和傳感器后，順利并網(wǎng)發(fā)電。該事故機組因燃燒部位較少，沒有危及主控和數(shù)據(jù)的采集、處理，且機組斷電較晚，事后得到的主控數(shù)據(jù)較為完備，現(xiàn)場保持完好，這給本次事故分析帶來了極大的方便。事故勘測一、現(xiàn)場查看與分析在拆解事故機組發(fā)電機前軸承時，發(fā)現(xiàn)軸承保持架完全破損。從事故部位實物觀察，發(fā)電機軸與前軸承內(nèi)圈之間已經(jīng)發(fā)生了劇烈的相對運動，且磨損相當嚴重，發(fā)電機軸和軸承內(nèi)圈的部分材料已經(jīng)融化（見圖1）；發(fā)電機軸承前端蓋、后端蓋、軸承滾動體、軸承滾道以及軸承內(nèi)部的所有油脂干澀、發(fā)黑（見圖2）；力矩限制器發(fā)生了相對位移（見圖4）；聯(lián)軸器及聯(lián)軸器罩殼被碳化燒黑，形狀保持較為完好。聯(lián)軸器與發(fā)電機側(cè)的連接螺栓、螺帽和鎖緊螺栓均有明顯淬火跡象；發(fā)電機側(cè)的聯(lián)軸器連接螺栓拆卸困難，不少鎖緊螺栓在拆卸時發(fā)生斷裂。而聯(lián)軸器與齒輪箱側(cè)的連接端，連接螺栓拆卸正常，與正常的連接螺栓拆卸沒有太大的區(qū)別。聯(lián)軸器罩殼的上半靠發(fā)電機端燒毀嚴重，聯(lián)軸器罩殼上半有部分已變成白色灰燼。整個機艙內(nèi)布滿煙塵。在發(fā)電機前軸承前端的正上面，機艙保溫層燒毀，周圍被燒成黑色。發(fā)電機前軸承前端蓋以上的發(fā)電機大端蓋面上被煙熏成一個較大的V形黑色印跡（見圖9），在發(fā)電機前軸承上端的發(fā)電機冷卻風扇有被明火嚴重燒過的跡象（見圖9）。因此，綜合以上的諸多現(xiàn)象分析，事發(fā)時發(fā)電機前軸承端有長時間明火出現(xiàn)，火源應(yīng)來自發(fā)電機前軸承端。二、機組報故障停機及發(fā)動機前軸承溫度從事故回放記錄來看，在15:13:13（時間：時分秒；下文亦同）機組發(fā)電機轉(zhuǎn)速為1733.8rpm。軸承卡死后，因偶然因數(shù)，傳感器瞬時故障導致測速錯誤，在15:13:14轉(zhuǎn)速高速軸速度為3713.6rpm，按照低速軸轉(zhuǎn)速18.2rpm計算，實際轉(zhuǎn)速應(yīng)為1725rpm。15:13:15觸發(fā)“發(fā)電機超速”軟件停機（見表1），高速軸速度為899.7rpm，發(fā)電機端的高速軸測速恢復正常。因此，在15:13:28“發(fā)電機超速”自動復位。如表1所示，15:13:25機組觸發(fā)“發(fā)電機軸承1溫度偏高”（參數(shù)設(shè)置值為100℃），在事故回放記錄中，此時的溫度為104.1℃。發(fā)電機軸承的測溫點在軸承外圈，當發(fā)電機軸承1抱死后，軸承內(nèi)部的熱量不斷向外傳遞，在停機后，隨著時間的推移，發(fā)電機軸承1的溫度繼續(xù)上升（見圖2）。20秒之后，15:13:45觸發(fā)“發(fā)電機軸承1溫度過高”（設(shè)置值為110℃），回放記錄的溫度值為111.4℃。從事故回放記錄來看，該機組在15:12:52以前，一直處于滿負荷發(fā)電狀態(tài)，發(fā)電機前軸承等各個部位的狀態(tài)值未見明顯異常，并且，事故機組的發(fā)電機軸承1在一個小時以前，即14:00:02的溫度65.1℃（見表1），與其他正常機組相比基本沒有區(qū)別，15:00:05溫度是81.7℃，在事故前15:12:52溫度是81.3℃，這兩個溫度值，與同時刻該風電場其他正常機組相比發(fā)電機前軸承溫度值約偏高10℃左右，但是，在15:12:52之后，發(fā)電機軸承1的溫升出現(xiàn)了迅速上升的趨勢，停機后溫度上升速度更快。三、事故前后機組相關(guān)狀態(tài)參數(shù)之間的比較在15:13:15機組報“發(fā)電機超速”停機，從故障的回放機組看，15:13:28機組的三支槳葉均收到90，機組正常停機。表2是事故機組的當天14、15、16、17時的記錄數(shù)據(jù)，以及在事發(fā)時15:13:14和15:13:15的記錄數(shù)據(jù)，沒有記錄有事故機組16、17時的發(fā)電機軸承1溫度和風速數(shù)據(jù)，其值均為0，可能是因為傳感器燒壞，或接線燒斷所致。從表2可以看出，在16:00:02秒，即機組停機47min之后，機艙內(nèi)溫度、齒輪箱軸承2的溫度、齒輪箱進口油溫這3個溫度不僅沒有降低反而上升；而齒輪油溫度、齒輪箱軸承1溫度、發(fā)電機軸承2溫度、發(fā)電機定子溫度都隨著停機時間的增加溫度不斷降低，這與正常停機的實際情況吻合。表2中數(shù)據(jù)與表1中的狀態(tài)記錄相互應(yīng)證，說明在停機很長時間以后，機艙內(nèi)仍有火源存在。四、油脂氣化與軸承發(fā)熱的能量來源15:13:10之前，機組一直處于滿發(fā)負荷發(fā)電狀態(tài)，功率基本穩(wěn)定在1.53MW左右，在15:13:10機組功率1537kW；15:13:11機組功率1495kW；15:13:12機組功率1449kW；15:13:13機組功率1376kW；15:13:14機組功率915kW；機組高速軸轉(zhuǎn)速與低速軸轉(zhuǎn)速匹配，不存在聯(lián)軸器打滑現(xiàn)象，例如在15:13:13機組的實際發(fā)電機轉(zhuǎn)速1733.8rpm，低速軸轉(zhuǎn)速18.3rpm，依據(jù)齒輪箱速比計算率1449kW；15:13:13機組功率1376kW；15:13:14機組功率915kW；機組高速軸轉(zhuǎn)速與低速軸轉(zhuǎn)速匹配，不存在聯(lián)軸器打滑現(xiàn)象，例如在15:13:13機組的實際發(fā)電機轉(zhuǎn)速1733.8rpm，低速軸轉(zhuǎn)速18.3rpm，依據(jù)齒輪箱速比計算的高速軸轉(zhuǎn)速1733rpm。按照當時風速和機組特性，機組在脫網(wǎng)之前的15:13:11到15:13:14，本應(yīng)在1.53MW左右發(fā)電，機組被不斷拉低的發(fā)電功率主要消耗在了軸承發(fā)熱上，從而使軸承和發(fā)電機轉(zhuǎn)子溫度不斷上升。如圖3所示為正常機組的聯(lián)軸器的力矩限制器線和聯(lián)軸器螺栓、螺帽和鎖緊螺栓的相對位置狀況。15:13:15機組執(zhí)行發(fā)電機超速甩負荷停機，電功率為0kW，此時機組本應(yīng)出現(xiàn)一個較高的飛升轉(zhuǎn)速，實際的低速軸轉(zhuǎn)速19.1rpm（高速軸轉(zhuǎn)速應(yīng)為1818rpm），這與停機前的轉(zhuǎn)速相差不大，沒有明顯的甩負荷飛升轉(zhuǎn)速。一般在這種情況下，機組甩負荷停機，此時的高速軸飛升轉(zhuǎn)速要達到2000rpm以上，這就是說，因風電機組軸承卡死，轉(zhuǎn)速上升受阻，從而造成機組的高速軸轉(zhuǎn)速比正常情況低200rpm左右，而實際的高速軸轉(zhuǎn)速（發(fā)電機轉(zhuǎn)速）則僅為899.7rpm。再查看機組在執(zhí)行停機命令期間的高速軸與低速軸轉(zhuǎn)速，15:13:15到15:13:28通過低速軸轉(zhuǎn)速計算出的高速軸轉(zhuǎn)速與主控顯示值比較，顯示值明顯偏低。例如，15:13:16低速軸轉(zhuǎn)速18.7rpm，計算出的高速軸轉(zhuǎn)速應(yīng)1771rpm，實際值為882.5rpm；15:13:17低速軸轉(zhuǎn)速16.8rpm，高速軸轉(zhuǎn)速應(yīng)1591rpm，實際值778.3rpm；15:13:28低速軸轉(zhuǎn)速2.8rpm，高速軸轉(zhuǎn)速應(yīng)265rpm，實際值154.4rpm。從諸多數(shù)據(jù)證實，脫網(wǎng)后發(fā)電機端的阻力超過了聯(lián)軸器的力矩限制器扭矩，聯(lián)軸器發(fā)生了打滑現(xiàn)象。再從實物解剖也得到證實，力矩限制器有劇烈的摩擦和發(fā)熱。如圖4所示，事故機組的力矩限制器線兩邊不一致。因此，在脫網(wǎng)后的這一段時間內(nèi)，在聯(lián)軸器上驅(qū)動發(fā)電機的扭矩超過了力矩限制器的力矩（約為2倍左右的滿負荷扭矩）。由公式P=N×ω可知，發(fā)電機軸承因摩擦產(chǎn)生熱量的功率=力矩限制器扭矩×發(fā)電機實際轉(zhuǎn)速。而這部分功率和部分機組甩負荷的儲能消耗在了發(fā)電機軸承1的摩擦發(fā)熱上，致使發(fā)電機前軸承和發(fā)電機軸前端的溫度迅速上升。同時，因聯(lián)軸器打滑，巨大扭矩使聯(lián)軸器在打滑處也產(chǎn)生很高的熱量。聯(lián)軸器打滑產(chǎn)生熱量的功率=力矩限制器扭矩×（低速軸換算出的發(fā)動機轉(zhuǎn)速－實際發(fā)電機轉(zhuǎn)速），聯(lián)軸器力矩限制器處溫升迅速，并迅速傳熱，因此，拆卸時多個鎖緊螺栓發(fā)生斷裂，如圖5所示。在事故機組聯(lián)軸器上靠發(fā)電機的連接螺栓、螺帽、鎖緊螺栓有淬火現(xiàn)象，如圖5、圖6所示。同時，因在聯(lián)軸器的力矩限制器處的溫度很高，還可點燃易燃物品。當軸承出現(xiàn)嚴重卡死時，在執(zhí)行停機命令之前，通過拉低機組的實際功率產(chǎn)生熱量；機組停機時甩負荷轉(zhuǎn)速上升受阻；在執(zhí)行停機命令后，軸承卡死后，發(fā)電機軸仍然在旋轉(zhuǎn)，劇烈摩擦使軸承內(nèi)部產(chǎn)生熱量。以上為軸承內(nèi)部油脂氣化提供了熱量，也使得在發(fā)電機軸前端的溫度很高，為點燃可燃物品準備了條件。事故原因分析一、潤滑油脂填充量潤滑脂的填充量，以填充軸承和軸承殼體空間的三分之一和二分之一為宜，若加脂過多，軸承滾動體散熱受阻，還會使油脂變質(zhì)惡化或軟化。用于高速旋轉(zhuǎn)的軸承應(yīng)僅填充至三分之一或更少。用于低速旋轉(zhuǎn)的軸承，為防止外部異物進入軸承內(nèi)，可以填滿殼體空間。圖7為發(fā)電機前軸承接油盒和手動注油口的位置，而自動注油口在發(fā)電機軸承前端蓋的正上方。按照事故機組發(fā)電機軸承的注油和排油方式，只要發(fā)電機的潤滑泵自動注油正常，在軸承前后端蓋之間和整個軸承殼體內(nèi)部均充滿油脂。因此，此種類型發(fā)電機軸承的注油量，軸承內(nèi)部的油脂量就會遠超過正常的填充量。圖8為該種類型發(fā)電機前軸承后端蓋普遍的油脂狀況。事故機組的發(fā)電機軸承采用的是高溫潤滑脂，根據(jù)油脂廠商提供的滴點溫度在250℃左右，當達到滴點后基礎(chǔ)油會從油脂中分離流失出來，而流失出來的基礎(chǔ)油的燃點約為300℃，一般軸承抱死時，發(fā)電機軸前端的溫度應(yīng)在600℃以上，遠超過其燃點溫度。就本次事故而言，當軸承保持架損壞后，發(fā)電機軸承內(nèi)外圈之間以及軸承內(nèi)圈與發(fā)電機軸之間的摩擦，劇烈發(fā)熱，軸承和發(fā)電機軸前端發(fā)熱嚴重，大量的油脂會受熱發(fā)生蒸發(fā)，當蒸發(fā)的油脂從發(fā)電機軸承前端噴出以后，溫度超過潤滑脂的燃點就會燃燒。從軸承滾動體及軸承內(nèi)外圈的滾道發(fā)黑嚴重，軸承內(nèi)圈與發(fā)電機軸之間有融化現(xiàn)象（其材質(zhì)為鋼，純鐵的熔點溫度為1535℃，鋼的熔點為1515℃左右，隨著鐵中碳或其他成分含量的增加，熔化的溫度會降低，如在高爐煉鐵時因含碳量較高1200℃左右就熔化了），如圖1所示，所以，軸承內(nèi)圈與發(fā)電機軸前端的溫度很高，可導致大量的基礎(chǔ)油迅速氣化，大量可燃氣體從發(fā)電機前軸承端蓋處噴出后，在發(fā)電機軸前端或力矩限制器處點燃，促成著火燃燒。二、事故再現(xiàn)及原因分析此次事故，機組在處于滿負荷發(fā)電狀態(tài)時，發(fā)生發(fā)電機前軸承損毀、卡死，當軸承故障后，先是軸承保持架破損，軸承內(nèi)外圈之間的摩擦發(fā)熱嚴重，本是過盈配合，因急劇的熱膨脹，造成軸承內(nèi)圈與發(fā)電機軸之間的阻力減小，并產(chǎn)生相互滑動，劇烈摩擦產(chǎn)生大量的熱量。部分金屬材料已經(jīng)融化，軸承和發(fā)電機軸前端的溫度迅速上升。由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子與軸承內(nèi)圈劇烈摩擦，軸承和發(fā)電機軸前端的高溫使軸承內(nèi)的油脂蒸發(fā)、氣化，并產(chǎn)生大量的可燃氣體。個別油脂分子在高溫下，還可能出現(xiàn)分子鏈斷裂，產(chǎn)生的可燃氣體不需要明火在高溫下就能點燃，有的油脂分子則在軸承中碳化變黑，如圖2所示。發(fā)電機前軸承后端蓋、軸承端蓋、軸承前端蓋一起組成一個相對密閉的空間，產(chǎn)生的氣體，只能從發(fā)電機前軸承端蓋與發(fā)電機軸前端之間的間隙噴出，因劇烈摩擦、聯(lián)軸器打滑導致發(fā)電機軸前端及聯(lián)軸器力矩限制器處的溫度很高，以致可燃氣體點燃，并在聯(lián)軸器與聯(lián)軸器罩殼之間燃燒，產(chǎn)生的熱量又持續(xù)把發(fā)電機軸前端和軸承前端蓋加熱，前端蓋和發(fā)電機軸前端的高溫又進一步把軸承內(nèi)的油脂氣化。氣化油脂又再次著火燃燒。同時，發(fā)電機軸較粗（φ120），易于傳熱，隨著摩擦產(chǎn)生的熱量不斷向外傳遞，油脂燃燒使發(fā)電機軸承1溫度和油脂氣化得以長時間維持，因火勢的減小，或熱量的不斷向外傳遞，觸發(fā)“發(fā)電機軸承1溫度偏高”復位，因火勢、熱量的增加，又再次觸發(fā)“發(fā)電機軸承1溫度偏高”報警等現(xiàn)象。另一方面，被火長時間烘烤的聯(lián)軸器和聯(lián)軸器罩殼中的有機物燃燒也能產(chǎn)生一定的熱量。加之聯(lián)軸器罩殼上半被燒損毀的情況等，從而使得火勢呈現(xiàn)出時大時小的現(xiàn)象。燃燒在聯(lián)軸器和聯(lián)軸器罩殼之間進行，火焰和熱量噴向剎車盤，對剎車盤不斷加熱，并不斷地把熱量傳到齒輪箱的高速軸端，再傳熱到齒輪箱軸承2上。15:53:59即停機40min后，觸發(fā)“齒輪箱軸承2溫度偏高”，溫度超過85℃，當聯(lián)軸器罩殼部分被燒成灰燼后，有部分火焰和熱量直接噴向齒輪箱溫度傳感器2和齒輪油入口溫度計，因此，在停機41min后的15:54:24觸發(fā)“齒輪箱軸承2溫度過高”，溫度超過90℃，在16:00:02時，齒輪箱軸承2的溫度為104℃，再經(jīng)過6min后，齒輪箱軸承2的溫度又上升了14℃左右，溫升速率遠超過剛停機后的一段時間。油脂燃燒使得機艙溫度、齒輪油入口溫度，也在停機后不斷升高。因此，16:00:02即機組停機47min左右，機艙內(nèi)還在不斷燃燒。直至油脂不能再蒸發(fā)氣化，燃燒停止。潤滑油脂主要由高分子量烴類組成，難以充分燃燒，必然會產(chǎn)生大量黑色的炭黑，當軸承內(nèi)氣化壓力較低時，會有更多的油煙停留在發(fā)電機端蓋上面，因此，在軸承端蓋處留下V字形印跡，主要是油脂的不完全燃燒使整個機艙都布滿黑色炭黑狀的煙塵物。另外，聯(lián)軸器和聯(lián)軸器罩殼中的有機物在碳化時，也會產(chǎn)生少量的煙塵。發(fā)電機前軸承端蓋上出現(xiàn)了V字形的黑色印記，這是此類火災(zāi)事故的共同特征，也是發(fā)電機前軸承油脂不完全燃燒和起火部位的直接實物證據(jù)。如圖9所示。三、發(fā)電機前軸承油脂過多是事故的根本原因因發(fā)電機前軸承內(nèi)部的油脂過多，才使燃燒得以長時間維持。如果事故機組在軸承保持架損壞后沒有迅速報故障停機，短時間內(nèi)的軸承熱量將大大增加，短時間氣化的油脂量更多，火勢更大，可能使齒輪箱的橡膠油管、機艙罩殼等有機物也迅速燃燒起來，從而導致機組燒毀事故的發(fā)生，因此，此類由軸承保持架引發(fā)的火災(zāi)事故，油脂過多是引發(fā)火災(zāi)事故的關(guān)鍵。不同生產(chǎn)廠家的發(fā)電機均出現(xiàn)過前軸承卡死、保持架損壞事故，但是，其他廠家發(fā)電機則少有類似火災(zāi)及機組燒毀事故。例如，另一生產(chǎn)廠家的發(fā)電機，當前軸承出現(xiàn)卡死后，僅是在發(fā)電機前軸承出現(xiàn)一些黑色煙塵，從未出現(xiàn)過聯(lián)軸器燒毀和機組燒毀事故。究其原因，兩種發(fā)電機的注油和排油方式的區(qū)別很大，當發(fā)電機前軸承卡死后，可供燃燒的油脂量較少，則不能在發(fā)電機軸承前端產(chǎn)生較大的火勢，從而避免了此類事故的發(fā)生。經(jīng)驗與總結(jié)一、本次事故預(yù)防措施當機組使用一定年限后，發(fā)電機軸承損壞、卡死狀況不可避免，由前面分析可知，如果發(fā)電機前軸承內(nèi)部沒有大量的油脂，將不會導致火勢的蔓延，引發(fā)火災(zāi)。因此，為避免此類事故的再次發(fā)生，應(yīng)采取有效措施嚴格控制軸承內(nèi)部的油脂量，防止油脂在發(fā)電機軸承內(nèi)大量沉積。較為準確地控制發(fā)電機前軸承的注油量，是避免火災(zāi)事故的根本方法。就此事故而言，建議對于已投運此型號發(fā)電機采取手動注油方式，取消自動注油，通過人工方式準確地控制注油量和油脂位置，按時清理軸承內(nèi)部廢油；對于新生產(chǎn)的發(fā)電機，建議對其注油位置和排油方式進行改進，以避免過多的廢油在軸承內(nèi)部沉積。二、眾多機組倒塌、火災(zāi)事故預(yù)防措施匯總在正常質(zhì)量和條件下，風電機組機艙、輪轂等部件大都為非易燃品。短時間、小面積的起火、燃燒，一般不會引發(fā)機組火災(zāi)事故的發(fā)生；沒有足夠的風力和對塔筒巨大的翻轉(zhuǎn)力矩，機組是不會倒塌的。因此，在防止火災(zāi)和機組倒塌事故時，應(yīng)抓住重點，有的放矢。著重預(yù)防機組長時間持續(xù)發(fā)熱起火故障和直接導致機組倒塌、起火的錯誤操作和維護方法，對于變槳機組尤其要防止三支槳葉同時不能順槳故障的發(fā)生。機組倒塌、火災(zāi)事故的預(yù)防措施，總的來講，大致可分為以下五種：（一）防止變槳機組在停機時出現(xiàn)三支槳葉同時不能順槳故障，具體措施如下：1重點檢查和預(yù)防因機組接線錯誤而導致三支槳葉同時不能順槳故障。2把握關(guān)鍵部件的容量和質(zhì)量。對于電氣變槳系統(tǒng)，避