【摘 要】S50/750机组是一款早期开发的风电机组，该类型机组采用定桨距失速调节方式，与目前市场主流低风速机型对比，低风速发电效果不理想，不能充分利用优良的风能资源。同时，由于该机型数量很少，备件供应难的问题也日益突出。面临这种困境，老旧风电机组技改升级 为其提供了整体解决方案。
【关键词】老旧风力发电机组 技改升级 解决方案
我国自2004年开始风电行业得到快速发展，到2009年呈现爆发式增长，至2020年底我国装机容量已达到2.81亿千瓦。2004年及以前所投运的风电场至今已运行16年以上，随着运行时间的增加，器件失效、设备老化等问题也随之凸显，这无疑对风电运营商是一种考验。传统的解决方式是风电运营商委托设备整机厂家或其供应商进行解决。然而，部分风电整机厂商随着风电行业的洗牌逐渐退出舞台，对于那些老旧产品所投入的资金、研发、人力等逐年减少甚至放弃，一些老旧机型陷入备件供应短缺、故障排除困难、技术难以更新等困境。
目前在我国S50/750型风力发电机组共有4000多台，这些机组都是风电行业早期安装，均分布在风资源较好的区域。由于早期风机设计制造技术及经验不足，配套产业链不成熟，机组环境适应性不强，老旧机组可靠性较低，故障频发，安全隐患较多，叶片断裂、飞车倒塌、机舱着火等重大设备事故时有发生。且部分老旧风机的备品备件因停产或紧扣供应断档，机组检修工作量大，停机时间长、运维成本较高。尽管项目核准电价较高，但受到此影响项目经济性较差，甚至出现亏损。
本文基于77/1500叶轮平台和S50/750机舱平台开发的77/750型老旧风电项目技改升级方案，沿用原750机组的发电机和齿轮箱，保留部分塔筒，配合1MW全功率水冷变流器，可充分利用风资源，提升机组发电量。
控制策略：基于已运行的1.5MW控制策略平台，结合77/1500叶轮、50/750机组的特性、1MW全功率变流器特性设计开发。
载荷：根据控制策略和整机技术参数结合II类风区风资源特性评估载荷。
安全性：根据载荷对原有结构进行安全性评估（GL规范2003），根据评估结果对塔架、主轴、偏航系统重新进行设计和优化。
主控：基于整机控制要求，对PLCCPU 重新选型，重新开发主控程序，实现原系统与新增变流系统、变桨系统、控制策略的相互配合。
变流器：基于控制策略要求和发电机特性，选型匹配新的变流系统。
根据安全性评估对整机进行重新设计和优化，涉及机组主要零部件的改造或更换，基本不具备现场改造实施的条件，所以技改实施中考虑对机舱部分采用整体更换的方式。准备一定数量的750T机舱备机改造完成后，到风场后直接更换机组机舱、塔架和叶轮部分。更换下机舱部分重新返回总装车间改造。
S50/750型风力发电机机组采用定桨距，结构简单，结合77/1500型机组，对叶轮部分增加一套Vensys变桨系统，叶片长度由原来24m增加至37.5m,叶轮直径由50m增加至77m，扫风面积由原来的1963.5m2增加到4637m2，扫风面积增加2.36倍，额定风速由15m/s降低到9m，可充分利用小风资源，相比原750机组，750T机组不仅实现了更低风速切入，且在低风速段发电能力大幅提升。功率曲线改进情况如下图所示：
沿用原750机组的发电机，因发电机额定功率下运行时间将有大幅度提高，需要改造发电机通风冷却系统：拆除原机组发电机出风口百叶窗，进风口沿用原发电机与后轴承连接的散热风扇，冷空气从发电机轴承进入发电机绕组及转子，在发电机前轴承处通过通风管道内设置的轴流电机将热空气强制带出机舱外部（如下图），可大幅度增加发电机散热，在满负荷下750T机组相对原750机组，发电机温度可降低20℃左右，同时也可降低机舱内温度。改造后的散热系统，可提升发电机运行可靠性，保证发电机在良好的环境下运行。
对原750机组的齿轮箱进行技术改造。整体评估原齿轮箱的结构强度和疲劳寿命，通过全面检修、关键部件更换和结构变更设计，提高齿轮箱的强度适应性及疲劳寿命。
# 5. 偏航系统改造
叶轮系统经改造后质量增加，原有机组采用2台偏航驱动电机不能满足改造后自动对风偏航的需要，通过重新校核评估偏航轴承，设计塔顶法兰和联结结构，增加偏航制动及偏航驱动数量，偏航电机由2台增加至4台，偏航制动器由5台增加至6台，实现偏航系统安全升级。
叶轮系统经改造后质量增加，原有齿轮箱主轴承载荷随之增加，重新设计主轴、叶轮锁紧盘、轴承座和叶轮锁紧盘等关键结构件，提升主轴系统的安全性和可靠性。
# 7.叶轮锁定系统改造
原750机组采用一套叶轮锁定，操作过程较为复杂，叶轮系统经改造后质量增加，原有的叶轮锁定安全性能不能满足750T机组的要求。对叶轮锁定进行改造，数量上由1套叶轮锁定增加至2套，结构上采用手轮进行锁定操作，可提升安全性能，同时便于叶轮锁定操作。
原750机组采用三段塔筒，改造后的750T沿用原塔筒，但由于偏航轴承进行改造后，机舱底座已不能和上段塔筒连接，在上段塔筒与机舱底座之间新增过渡段进行连接。
原750机组无变流系统，发电机直接与电网相连，发电机同步转速为1500r/min，叶轮转速为21r/min，叶轮转速较高。改造后的750T机组定制开发了控制系统，新增一套全功率变流器，改造后机组具备低穿、高穿、一次调频等并网能力，并网友好性有效改善，发电机同步转速由1500r/min降低至1300r/min，叶轮转速降低至18r/min。
# 10. 主控系统改造
将原来750机组采用西门子PLC主控系统改造为倍福PLC系统，通信技术由串口通信升级为网络通信，通讯速度由9600bps提升到100Mbps，加快数据传送速度，提高数据采集频次，有效监测、掌握机组运行状况信息。
# 11. 主要载荷变化
相比原750机组，750T机组塔底基础载荷更小，原有基础和最底段塔架可继续试用，且安全系数更高。塔架顶部主要载荷增加54%，通过偏航系统改造，进行加固满足载荷需要。
基于77/1500叶轮平台和S50/750机舱平台开发的老旧风电项目技改升级项目，在保障机组安全性的基础上进行深度技改和全面检修，技改后机组的等效利用小时数增幅50%-100%，并具有电网友好性。
根据载荷对原有结构进行安全性评估，根据评估结果对塔架、轮毂-主轴过渡段、偏航系统重新进行设计和优化。
在发电量收益方面，经过深度技改后的750T机组发电能力显著提高，发电小时数在原来1600-2000小时基础上，提升约1750小时。
在部件检修和更换方面，将原750kW机组主要部件进行全面的检修、维修和更换，譬如：油脂、液压油、橡胶、高速闸等等，排除机组安全隐患。
在节约维修费用方面，机组运行10年后大部件故障增加。采用750T改造方案，一次下塔技改和零部件全面的检修更换并行完成，实现全面更新。
在电网友好性方面，原来国家对机组高穿、低穿能力无明确要求，原S50/750机组不具有高穿、低穿能力，经过750T技改后的机组则具有高穿、低穿能力。
参考文献：
[1] 巩云鹏，田万禄等.机械设计课程设计.沈阳，东北大学出版社2000.
[2]叶杭冶.风力发电系统的设计、运行和维护.北京，电子工业出版社2010.
作者：中国三峡新能源（集团）股份有限公司 赵胜利
来源：《风能产业》2021.11
