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据英国风能机构不完全统计,截至年12月31日,全球共发生风电机组重大事故起,其中火灾事故起,占总数的19.3%,位列第二位。火灾已成为继雷击后第二大毁灭性风电机组灾害。
风电机组的运行环境恶劣,在主控设定的条件下自动控制运行,因此,我们要以预防为主,不仅要防止风电机组烧毁、倒塌事故的发生,而且,还要考虑到风电机组的生产、运行和维护成本,最终达到机组在20年内成本较低,甚至更长时间内达到度电成本最低。
案例
某风电场在后台软件上发现一台机组报“发电机超速”停机,其后触发了“发电机轴承温度偏高”、“发电机轴承温度过高”等多个故障。事故后发现联轴器及联轴器罩壳完全烧毁。该机组在更换发电机、联轴器、联轴器罩壳、烧毁的部分线路和传感器后,顺利并网发电。该事故机组因燃烧部位较少,没有危及主控和数据的采集、处理,且机组断电较晚,事后得到的主控数据较为完备,现场保持完好,这给本次事故分析带来了极大的方便。
事故勘测
一、现场查看与分析
在拆解事故机组发电机前轴承时,发现轴承保持架完全破损。从事故部位实物观察,发电机轴与前轴承内圈之间已经发生了剧烈的相对运动,且磨损相当严重,发电机轴和轴承内圈的部分材料已经融化(见图1);发电机轴承前端盖、后端盖、轴承滚动体、轴承滚道以及轴承内部的所有油脂干涩、发黑(见图2);力矩限制器发生了相对位移;联轴器及联轴器罩壳被碳化烧黑,形状保持较为完好。
事故原因分析
一、润滑油脂填充量
润滑脂的填充量,以填充轴承和轴承壳体空间的三分之一和二分之一为宜,若加脂过多,轴承滚动体散热受阻,还会使油脂变质恶化或软化。用于高速旋转的轴承应仅填充至三分之一或更少。用于低速旋转的轴承,为防止外部异物进入轴承内,可以填满壳体空间。
图7为发电机前轴承接油盒和手动注油口的位置,而自动注油口在发电机轴承前端盖的正上方。按照事故机组发电机轴承的注油和排油方式,只要发电机的润滑泵自动注油正常,在轴承前后端盖之间和整个轴承壳体内部均充满油脂。因此,此种类型发电机轴承的注油量,轴承内部的油脂量就会远超过正常的填充量。图8为该种类型发电机前轴承后端盖普遍的油脂状况。
事故机组的发电机轴承采用的是高温润滑脂,根据油脂厂商提供的滴点温度在℃左右,当达到滴点后基础油会从油脂中分离流失出来,而流失出来的基础油的燃点约为℃,一般轴承抱死时,发电机轴前端的温度应在℃以上,远超过其燃点温度。
当轴承保持架损坏后,发电机轴承内外圈之间以及轴承内圈与发电机轴之间的摩擦,剧烈发热,轴承和发电机轴前端发热严重,大量的油脂会受热发生蒸发,当蒸发的油脂从发电机轴承前端喷出以后,温度超过润滑脂的燃点就会燃烧。从轴承滚动体及轴承内外圈的滚道发黑严重,轴承内圈与发电机轴之间有融化现象(其材质为钢,纯铁的熔点温度为℃,钢的熔点为℃左右,随着铁中碳或其他成分含量的增加,熔化的温度会降低,如在高炉炼铁时因含碳量较高℃左右就熔化了),所以,轴承内圈与发电机轴前端的温度很高,可导致大量的基础油迅速气化,大量可燃气体从发电机前轴承端盖处喷出后,在发电机轴前端或力矩限制器处点燃,促成着火燃烧。
发电机前轴承油脂过多是事故的根本原因
因发电机前轴承内部的油脂过多,才使燃烧得以长时间维持。如果事故机组在轴承保持架损坏后没有迅速报故障停机,短时间内的轴承热量将大大增加,短时间气化的油脂量更多,火势更大,可能使齿轮箱的橡胶油管、机舱罩壳等有机物也迅速燃烧起来,从而导致机组烧毁事故的发生,因此,此类由轴承保持架引发的火灾事故,油脂过多是引发火灾事故的关键。
不同生产厂家的发电机均出现过前轴承卡死、保持架损坏事故,但是,其他厂家发电机则少有类似火灾及机组烧毁事故。例如,另一生产厂家的发电机,当前轴承出现卡死后,仅是在发电机前轴承出现一些黑色烟尘,从未出现过联轴器烧毁和机组烧毁事故。究其原因,两种发电机的注油和排油方式的区别很大,当发电机前轴承卡死后,可供燃烧的油脂量较少,则不能在发电机轴承前端产生较大的火势,从而避免了此类事故的发生。
经验与总结
一、本次事故预防措施
当机组使用一定年限后,发电机轴承损坏、卡死状况不可避免,由前面分析可知,如果发电机前轴承内部没有大量的油脂,将不会导致火势的蔓延,引发火灾。
因此,为避免此类事故的再次发生,应采取有效措施严格控制轴承内部的油脂量,防止油脂在发电机轴承内大量沉积。较为准确地控制发电机前轴承的注油量,是避免火灾事故的根本方法。
就此事故而言,建议对于已投运此型号发电机采取手动注油方式,取消自动注油,通过人工方式准确地控制注油量和油脂位置,按时清理轴承内部废油;对于新生产的发电机,建议对其注油位置和排油方式进行改进,以避免过多的废油在轴承内部沉积。
二、众多机组倒塌、火灾事故预防措施汇总
在正常质量和条件下,风电机组机舱、轮毂等部件大都为非易燃品。短时间、小面积的起火、燃烧,一般不会引发机组火灾事故的发生;没有足够的风力和对塔筒巨大的翻转力矩,机组是不会倒塌的。
因此,在防止火灾和机组倒塌事故时,应抓住重点,有的放矢。着重预防机组长时间持续发热起火故障和直接导致机组倒塌、起火的错误操作和维护方法,对于变桨机组尤其要防止三支桨叶同时不能顺桨故障的发生。
当机组烧毁、倒塌事故发生以后,应追寻事故发生的根本原因,抓住重点,采取合理、适当、有针对性的预防措施,以避免机组重大事故的再次发生。
结语
为预防和避免风电机组重大事故的发生,可以通过完善设计、提高产品质量、增强从业人员的业务水品和责任意识等主动措施,以降低事故的发生率。而不是简单地增加消防系统等消极、被动的防火措施。
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