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典型风电机组烧毁事故解析(三)

北极星风力发电网  来源:北极星风力发电网  作者:王明军  2021/2/22 9:01:08  我要投稿  

北极星风力发电网讯:风电机组是批量生产,且大都安装在人迹罕至的偏远地区和条件艰苦的海上。现场的人员及技术条件有限,后期完善或整改较为困难。因此,在通常情况下,只有设计完善成熟的机型才能大规模地投放市场。从产品开发到风电机组新机型的大规模上市,需经历一个较为漫长的过程。也只有这样,才能有效地降低机组寿命期内的度电成本。

然而,每当抢装潮来临,风电装机量会在短时间之内而急剧增加。2020年,中国风电新增装机量达到7167万千瓦,超过此前三年装机量之和。不少新机型快速上市并大批量生产。若新机型设计不够完善,而急于投产;或因产量激增,而在机组生产、安装及现场维修维护过程中留下了安全隐患,则可能引发恶性事故,甚至直接导致机组烧毁、倒塌事故的发生。

事故现象

下午13时,某风场发生了机组烧毁倒塌事故。事发时,风速较大,事故机组接近满负荷发电。运行人员在集控室后台软件上发现事故机组报出超速等故障,因事故机组离集控室较近,从集控室观察到机组已经飞车。其后,机舱出现冒烟,在短暂停机后,又再次快速转动起来。再后来,运行人员在集控室观察到,事故机组报出了一系列的软硬件超速,安全链断开,最高转速达2780RPM。机组迅速飞车倒塌。事故机组从第三节塔筒下端折断,整机坠落,坠落后,首先叶片着地折断,其余部分的叶片、机舱及轮毂完全烧毁。事后现场勘查发现:三支叶片均未顺桨;主轴刹车器严重磨损,在主轴刹车器上,没有发现有主轴刹车器上盖残骸,这就是说,事发时主轴刹车器上盖没有盖。烧毁后的主轴刹车器状况。

事发原因及过程

事故机组烧毁非常严重。机组主控完全烧毁,无法读取数据,只能依据现场人员的描述以及事故机组残骸分析事故原因。

本事故的特殊现象是:机组短暂停机后,又迅速启机。按常理机组已经报出超速等故障,在没有人为干预的情况下,机组是不可能自动启机。

如因变桨电池电量不足造成三支桨片同时不能电池顺桨,这不仅缺乏实践依据,而且,也没法解释机组停下来后,又再次迅速旋转起来这一特殊现象;飞车倒塌是否与故障屏蔽有关?该事故机组对于涉及机组安全及人身安全故障,均由主控程序设定不能屏蔽,因此,本次事故不可能是电池或故障屏蔽引起。

根据事故的特殊现象,首先,在同种机型的现场故障处理中发现了三支叶片同时不能电池顺桨故障;其后又从飞车而未倒塌的机组上找到了错误接线,即:实际引发三支桨叶同时不能电池顺桨的安全隐患。

事故机组是直流伺服变桨系统,在机组出厂之前,或维护过程中,因接线错误留下了安全隐患,致使在机组投运后电池顺桨控制回路被长期提供24V直流。这样,当电池(紧急)顺桨时,主控及超速模块等不能给电池顺桨控制回路断电,从而导致电池顺桨失效,机组运行只能执行变桨驱动器顺桨。

依据事故机组的控制原理、特殊现象和事故勘察的相关证据,还原事故发生的整个过程:

当机组叶轮三支叶片都处于零度位置,且接近满负荷发电时,机组报“变桨通讯故障”,脱网、甩负荷,启动电池顺桨,因电池顺桨控制回路存在接线错误,不能切换到电池顺桨。转速上升,几个软件超速全部报出,又因“变桨通讯故障”主控与变桨控制器之间失去联系,不能启动变桨驱动器顺桨,因此,不能执行软件超速刹车程序。从而造成三支叶片同时不能顺桨,于是,主控报“变桨速度太慢”,启动主轴刹车器制动,最终使叶轮停止转动,机组完全停下来了。

在主轴刹车器制动之前,机组已经脱网,制动时叶轮吸收的能量全部消耗在主轴刹车器和刹车盘上,再加之主轴刹车器上盖没有盖,制动产生的剧烈火花引燃了机舱罩壳及机舱内的其他有机物,机舱出现冒烟。如图2所示。由机组倒塌烧毁实例可以看出主轴刹车器上盖的重要作用。

按照事故机组的主控程序设定,报“变桨速度太慢”之后超过一定时间,主轴刹车器会无条件自动释放。此时,三支叶片均处于最大迎风面位置,释放主轴刹车器后,叶轮迅速旋转起来,旋转加速度远超过正常启机的叶轮加速度。转速快速上升,因机组存在故障,达到并网转速后不能并网,转速继续升高到“变桨控制器自动顺桨”速度值时,又再次遇到 “变桨控制器自动顺桨”不能执行的安全隐患。这样,由主控、超速模块以及变桨控制器控制的叶片顺桨均宣布失效,机组飞车不可避免。

叶轮持续不断地吸收风能并转化为叶转速和加速度,当达到硬件超速设定值,此时叶轮转速已经很高,且有巨大旋转动能和势能的情况下,主轴刹车器再次制动,一方面,主轴刹车器制动产生的剧烈火花导致机舱着火燃烧;另一方面,制动产生远超过塔筒设计的冲击力和翻转扭矩导致了第三级塔筒折断,整机坠毁。

本事故的安全隐患产生、启示及防范措施

3.1 安全隐患的产生

事故机组是直流变桨系统,就该事故而言,如不加以重点防控,有目的地检查和排除安全隐患,前文所述的三个安全隐患是很容易产生的。

第一、三支桨叶不能电池顺桨安全隐患的由来。

在厂内调试时,机组的轮毂与机舱是分开调试的。在出厂之前不能整机测试电池顺桨回路是否存在接线错误,因此,在机组出厂之前不能发现此故障;在现场调试时,因抢工期或受现场人员技术水平的限制,没有发现和排除该安全隐患。

当机组500小时,或定检维护叶片螺栓时,需要旋转叶片。如果机组控制柜上没有维护开关钥匙,或维护开关线路存在故障,因此就不能转动叶片。有的现场维护人员,则通过修改电池顺桨控制回路达到转动叶片的目的。在叶片螺栓维护之后,又忘了把所修改线路还原,则可能因现场维护等在现场制造该安全隐患。

另外,处理该安全隐患故障的技术难度较大,而现场人员的技术水平有限,因此,即便发现了也不见得能够排除。在不知道该故障危害性的情况下,机组能并网尽量并网,就把安全隐患遗留在并网机组上了。

第二、不能执行“变桨控制器自动顺桨”故障的产生。

变桨机组顺桨是主刹车系统。机组运行的各种保护通常都是通过变桨驱动器顺桨或电池(紧急)顺桨起作用。当主控及超速模块不能控制顺桨时,还可以通过触发 “变桨控制器自动顺桨”促使三只叶片顺桨,保障机组安全。

因此,需在现场做“变桨控制器自动顺桨”试验,以确保在紧急状态下该顺桨的顺利执行。然而,在现场调试和定检维护时,因现场人员的技术水平有限或抢工期等可能省去做“变桨控制器自动顺桨”试验。不能在现场确保“变桨控制器自动顺桨”安全隐患的顺利排出。

如今,中国众多风电场的运行体制,机组维修与维护是完全分开的,维修人员不参与机组维护。维护人员的技术水平较低,不明白“变桨控制器自动顺桨”试验的重要性,也不会做“变桨控制器自动顺桨”试验。因此,这又可能隐藏第二道安全隐患。

第三、为何当时众多机组的主轴刹车器上盖未盖?

在进轮毂锁销子时,锁紧销是很难对准锁紧盘的销孔,几乎每次锁销子都要盘车,手动盘车则需要揭开主轴刹车器上盖。为了锁销方便,往往主轴刹车器上盖不盖。由于锁销的原因,以及未意识到主轴刹车器上盖的重要作用,这又可能埋下第三道安全隐患。

3.2 经验与启示

一系列倒塌烧毁事故的发生,社会损失巨大,教训惨重,给后来的风电机组生产和运行带来了巨大影响。然而,一个个事故又是在现场做的真实实验,其中的细节值得深入研究,由此得来的经验值得学习与借鉴。

第一,在没有查清事故原因的情况下,随意出台整改方案,不仅不解决问题,还会造成社会资源的巨大浪费,给整机企业和业主带来不必要的损失。

机组飞车超速是因主控、超速模块以及变桨控制器控制叶轮顺桨均不能执行而引发。这显然与超速参数设置无关。因接连出现的飞车倒塌事故,急于想解决社会及业主的抱怨,在重要领导的指导下,优化、改进措施由此产生。于是,在没有任何现场实验依据的情况下,凭借仿真和事故机组超速的表象就出台了超速参数整改方案,并在所有投运机组上执行。实施后,现场机组普遍报超速停机,这极大地影响了发电量和机组安全。这样,不仅不能消除飞车倒塌,超速问题也由此产生,至今还有2000多台机组的超速问题不能解决,由此给社会带来了不可估量的损失。本人撰写的《风电机组超速案例分析》对整改错误进行了详尽地分析。

第二、在分析事故原因时,不能因三支叶片同时不能顺桨的表象就把事故原因归结为电池电量不足;否定采用电池作后备电源的优越性,甚至进行超级电容改造。

后备电源采用电池,无论从储电能力,还是自放电时间均优于超级电容。正因为如此,我们的手机,电瓶车等所采用储能工具均是电池,而不是超级电容。实践证明,采用电池作为后备电源,通常是很难因电池电量不足而造成三支叶片同时不能顺桨的。而超级电容的自放电时间很短,只要超过一两个小时不充电,就可能造成电量不足、顺桨困难。如把事故原因归结为变桨电池,并因此而过度地关注电池,以及频繁地批量更换电池,势必造成资源的浪费和运维成本的增加。

第三、不能因类似事故而否定直流变桨系统安全性。

从理论上讲,直流变桨系统与交流变桨系统相比,直流变桨具有更高的安全性。不仅直流变桨可直接把后备电源切换到直流变桨电机,减少了直流变交流的中间逆变环节。而且,还可通过变桨驱动器的内部切换,直接把后备电源供给直流变桨电机,这都是交流变桨所不具备的功能。

第四、在现场实践中检查和弥补设计漏洞,及时纠正错误免造成更大的损失。

新机型开发难免有不够完善的地方,需要在事故剖析和现场故障处理中不断完善,检查和弥补设计出现的漏洞。从该事故可以看出,主控的刹车程序等还有值得改进和完善的地方。

第五、事故发生后,只有分析正确准确找出事故原因,才能对症下药精准地消除安全隐患,避免类似事故的再次发生。

第六、对双馈机组而言,主轴刹车器对保障机组安全起作不可或缺的作用。

事故机组在接近满负荷发电时,主轴刹车器制动叶轮完全停下来了。这说明在通常情况下,三支叶片同时不能顺桨双馈风电机组的主轴刹车器可以使机组安全停下来。

不能因主轴刹车器制动可能造成机组烧毁,从而否定主轴刹车器对保障机组安全的重要作用。甚至把主轴刹车器当作安全隐患去掉。

第七、不能因主轴刹车器制动可能造成机舱着火,而去掉机舱保温层。实践证明,去掉机舱内的保温层得不偿失。

主轴刹车器上盖的重要作用,如图2所示。就类似双馈风电机组而言,只要把主轴刹车器上盖盖住,且主轴刹车片的材质符合要求,主轴刹车器制动是不会造成机舱着火的。相反,即便是把机舱内的保温层全部去掉。如果主轴刹车器上盖没盖,或主轴刹车片的材质不符合要求,当风速足够大时,主轴刹车器制动产生的剧烈持续火花,完全可以把机舱罩壳及机舱内的其他有机物点燃,从而引发机组烧毁事故的发生。

3.3 预防及改进措施

第一、加强现场安装调试的技术支持;提高现场人员的技术水平;现场维修人员参与到定检维护工作之中;重视机组自检后的故障处理;在机组维修和维护过程中,发现和排除安全隐患。

随着机组单机容量的增大,轮毂、机舱不断增大,叶片长度不断加长,在机组出厂之前就完成所有的整机调试几乎是不可能的。因此,需重视机组的现场安装与调试,在正常投运之前,消除一切安全隐患。

机组自检出来的故障,通常不仅会影响机组的故障几率,更是影响机组安全的安全性故障。自检出的机组故障应当是故障处理的重点。如:电池电压低、电池电量不足、三支桨叶同时不能电池顺桨以及主轴刹车器故障等涉及机组安全的故障,在通常情况下都能通过主控定时自检检查出来;加强现场的技术力量,在机组维修和定检维护中,及时发现和排除安全隐患。

第二、改进主控刹车程序,增加主轴刹车器释放的限制条件。

主轴刹车器第一次制动叶轮完全停下来之后,三支叶片均在零度位置。当时,如果主轴刹车不再释放,叶轮就不会再次旋转起来,机组也就不会倒塌。正是因为机组报“变桨速度太慢故障”后,主轴刹车器制动超过主控设定时间后会无条件地释放,机组才再次自动旋转,造成了飞车倒塌。

主轴刹车器制动后超过一定时间自动释放,这样的设计有利于保护主齿轮箱,尤其是在出现极端风况时,实时地释放主轴刹车器,叶轮处于自由旋转状态,对保障机组安全有利。但是,该刹车程序还应增加一个判定条件,即:只有当三支桨叶均顺桨到安全位置,即:触发限位开关时,才能释放主轴刹车器。

第三、为充分保证特殊情况下的叶片顺桨,当主控与变桨控制器,或变桨控制器与变桨驱动器之间出现通讯故障并超过设定时间后,执行无条件顺桨。

在机组并网运行过程中,如果主控与变桨控制器之间超过一定时间没有通讯,则变桨控制器不再执行主控命令,由变桨控制器程序控制叶片自动顺桨;或变桨驱动器与变桨控制器之间超过一定时间不能通讯时,则变桨驱动器不再执行变桨控制器命令,由变桨驱动器程序控制叶片自动顺桨。

第四、现场生活条件艰苦,技术薄弱。整机厂家总部的技术人员通过远程管理软件实时地进行远程指导;检查机组的安全隐患和故障处理;协助现场人员进行机组维修与维护。

结语

在分析机组倒塌烧毁事故时,需遵从机组运行的基本原理,剖析事发时的特殊现象,密切联系同种机型的运行特性和维修经验,找到事故发生的真实原因,并以正确的结论指导现场,把握机组运行维护的重点;制定与机组运行特点相适应的管理办法,建立与风电发展相适应的风电场管理体制。及时发现和排除安全隐患,避免倒塌烧毁事故的再次发生。


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