研讨时刻 | 浅析国内西部某风场风机倒塔事故原因

     

【生产动态】

浅析国内西部某风场风机倒塔事故原因

本文由大唐新能源试验研究院供稿

孙广超执笔

摘要:桨叶零度角校验和标定工作属风机调试和维护工作中的常规项目,需要经技术培训合格的技术人员来开展,并做好相应的锁定轮毂和激活液压刹车等安全措施,如果技术人员未经过相关培训或培训不到位,加之安全风险意识不足,将会导致机组发生重大安全事故,危及人身和设备安全。

关键词:桨叶标定  超速  安全链  机械刹车  紧急顺桨

近期,国内西部某风电场风机在标定桨叶零度角作业中,由于作业人员安全风险意识不足、作业方法不安全和风机控制策略不科学导致飞车,造成风机倒塔。

一、事件经过

办理工作票。

计划开展桨叶标定,清理齿轮箱油冷散热器、主轴端盖检查和废油清理工作。

手动停机,布置安全措施。

工作负责人在塔底监视,工作班成员登塔工作。

标定完成,专家模式未解除。

桨叶保定工作完成后,2人轮毂内撤出,3只桨叶均在0°,变桨控制柜“专家模式”钥匙未恢复。

高速轴刹车和轮毂锁定解除。

维护人员手动解除高速轴刹车和轮毂锁定装置。

转速上升,手动急停按钮激活。

维护人员发现机组转速快速上升,手动按下急停按钮,停机失败,变桨系统未执行紧急收桨功能。

机组报“发电机超速”故障。

机组报“主轴超速”故障。

手动制动失败,转速持续上升。

机舱4名人员立即开始紧急逃生,一次通过爬梯下塔。

风机最大转速达到3946.98rpm。

工作负责人及机舱3名维护人员紧急逃离至上风向,1名维护人员未逃生成功。

风机倒塔。

第二层及以上塔筒连同机舱整体倾倒,第一层塔筒未倾倒并未见明显异常,变桨系统处于“专家模式”,三支叶片角度均处于0°附近。

组织救援。

被困人员身穿安全带悬挂在靠近三层平台爬梯上,无明显外伤,意识清醒,17:00受伤人员被送往县人民医院,一根手指骨折,一个肋骨骨折,其他指标无异常。

二、现场情况

X号风机第二节及以上塔筒连同机舱整体向东倒塔,塔筒法兰连接螺栓全部断裂,第一节塔筒未倾倒且未见明显异常。刹车制动器未抱闸,未见异常刹车痕迹。三支桨叶角度均处于0°位置附近,变桨控制系统为“专家模式”。

三、暴露的问题

管理原因

1.违反安全规程规定,作业风险管控不严格。机组16:40至16:45之间最大风速为13.324m/s,最小风速为5.492 m/s,《风力发电场安全规程》规定,风速超过12米/秒,不应在机舱外和轮毂内工作。本次轮毂桨叶标定作业时,最大风超出规定值。

2.风场两票管理不规范,工作任务与工作内容不符。本次检修作业的实际内容为标定风机桨叶零度角、清理齿轮箱油冷散热器、主轴端盖检查和废油清理工作 ,办理的却是风机巡检工作票。

3.工作负责人未履行工作职责。工作票面记录各项措施已执行确认人为A某,实际措施已执行确认人为B某,工作负责人未能落实各项安全措施和实施全过程监护,也未能及时发现和制止工作班成员在桨叶处于0°位置和“专家模式”时撤出轮毂。

4.检修作业标准不完善。风机厂家安全手册无标定桨叶操作风险提示和防范措施,维护手册无标定风机桨叶零度角的相关作业标准和要求,上述手册不能对现场作业实现完整有效的指导。

5.检修维护人员培训不到位。风机厂家未开展风机检修作业的常规项目培训,检修维护人员不掌握现场作业关键性作业技术要求和作业工序。

技术原因

1. 变桨控制系统在“专家模式”下,拔出手操盒后,没有桨叶自动回位功能。下图可以看出, “专家模式”与手动操作盒是两个控制回路,拔出手动操作盒并不能对 “专家模式”启动闭锁控制,且手动操作盒也未设置系统反馈回路,系统并不能识别手动操作盒的安装与否,只能根据“专家模式”的反馈点来判断是否在手动操作模式,所以手动操作盒拔出以后系统并未执行顺桨动作。

2. 紧急停机按钮不能连锁激活高速轴刹车。制动系统对风电机组的安全运行起着至关重要的作用,风机机械制动系统根据紧急情况不同分为多个级别,一般紧急情况下,机组转速降到300rpm,机械刹车开始制动,直到机组转速降到0rpm;特别紧急情况下,机械制动应配合紧急变桨同时投入,避免机组速度持续上升离心力过大导致机组倒塔。

上图为某机组超速故障(2971rpm)时机械刹车制动后部分部件损毁的情况,可见刹车片完全磨损,刹车盘严重磨损,两侧均存在较深的磨痕,刹车保护罩严重变形且部分烧熔,发电机侧的柔性连接片已经全部脱落,最终机械制动配合紧急瞬间使机组停机,未发生倒塔事故。

就本次X号风机事故而言, B某在“超速故障”报警之前(保护值为1980rpm)按下了紧急停机按钮,机械刹车应该无延时进行紧急制动,被动刹车力矩一般按照满发转矩的两倍设计,可以有效抑制转速上升,并实现机组停机。

由上图可以看出,X号风机一级、二级安全链与高速轴刹车无硬件闭锁,现场实际测试(西门子系统)激活急停按钮后,刹车也未激活,说明主控系统控制策略中也无安全链和刹车的软件闭锁,所以B某按下急停按钮后,刹车未激活属机组正常控制范畴,风机控制策略在制动模式和级别上存在严重的设计缺陷。

3.“专家模式”下不能实现紧急顺桨功能。当前主流设计的紧急顺桨供电模式有两种,一种是动力电源供电,只有电网掉电的情况下才启动后备电源供电,这种方式一定程度上避免了由于后备电源失效不能实现顺桨的情况;另一种是只要进入紧急顺桨模式,就启动后备电源执行顺桨,这种模式省去了中间判断条件,但是增加了后备电源的使用频率,也一定程度上存在后备电源失效的风险。

根据电气原理图,我们可以判断X号风机紧急顺桨供电模式为后备电源供电,因为整个作业过程主电源并未断电,而 “专家模式”通过控制继电器切断了后备电源,导致机组在紧急顺桨模式下后备电源不能提供驱动电源,另外,机组的交流开环收桨执行条件中对“专家模式”存在风险预判不足,未能将“专家模式”下的紧急情况列入开环收桨的触发条件,导致机组失去了最后一次顺桨机会。

四、防范措施

强化安全风险意识,严格遵守安全规程。

检修维护作业前认真分析天气、风速等作业条件,按照安全规程规定许可作业;工作过程中作业条件发生变化,立即采取措施,确保人身安全。

严格“两票”管理,完善风机作业安全措施。

加大“两票”培训和监督检查力度,确保“两票”执行率100%;根据实际情况制定作业安全措施,全面做好危险点分析工作,确保“两票”合格率100%。

加大“双查”力度,杜绝工作职责履行不到位问题。

深入开展安全生产“四不两直“督查工作,对存在的问题既要查技术原因,更要查管理原因,确保各项安全生产职责落实到位。尤其要狠抓外委单位现场作业的安全管理责任落实。

完善现场检修作业标准,严肃执行纪律。

根据风电场检修维护作业内容,收集梳理相关安全、技术标准,组织编制现场检修作业标准,规范开展风机检修维护作业。通过培训、考核等手段,强化制度标准的执行力。

重视技能培训,提高检修维护人员技术水平。

根据岗位职责有针对性地开展安全、技能培训工作,切实提高现场检修维护人员技术水平。建立持证上岗机制,杜绝培训和技术水平不合格人员登塔作业。

五、建议技改措施

目前,我国的不少厂家的生产技术都是从国外引进,还没来得及完全转化就投入了大规模生产,部分技术关键点掌握不到位,其次我国风电企业的研发、技术人员实践经验不足,机组的安全隐患不能在控制策略中实现保护闭锁功能,导致机组频繁发生重大安全事故。本人就X号机组倒塔事故提出以下几点技改建议:

“专家模式”与手操盒合并设置。

取消“专家模式”独立回路,整合在手操盒中,一方面简化了变桨电气回路和柜体配置,另一方面拔出手操盒直接恢复自动控制模式,避免人为失误导致变桨系统无法恢复至自动控制模式。如下图所示:

安全链断开闭锁激活高速轴刹车。

将二级安全链的保持继电器常开节点串联至高速轴刹车使能信号输出继电器回路,使高速轴刹车与安全链建立硬件联系,急停按钮、振动、超速等达到报警值进行紧急停机的同时激活高速轴刹车,以最快速和最安全的模式将机组停机,保证机组安全。如下图所示:

完善变桨系统自主运行程序。

X号机组倒塔事故中,变桨系统默认“专家模式”为手动操作模式,急停按钮、超速保护均不能满足变桨系统自主运行程序的执行,可见变桨系统自主停机程序中未对“专家模式”进行全面考虑,对“专家模式”下自主运停机模式设计不足,加之交流开环紧急顺桨条件执行过于苛刻,机组失去了两次紧急顺桨的机会,最终导致机组倒塔事故的发生。为确保 “专家模式”和紧急停机同时出现时的机组安全,在变桨程序中增加对“专家模式”下叶轮转速的判断,超过一定转速则执行变桨自主运行停机程序,以期达到“专家模式”下的变桨自主停机,如出现安全链触发信号报警需要执行紧急停机时,无论是否在“专家模式”变桨系统均执行自主运行停机程序使机组顺桨,冗余保证机组安全。

综合近年来倒塔事故分析的实际情况来看,为减少机组故障,避免重大事故的再次发生,一方面要充分理解、消化和吸收国内外先进的风电技术,结合国内风电机组生产、运行的的实际情况,制定科学严禁的控制策略和保护模式,另一方面要建立良好的风电场管理体制,提高现场人员的技术水平及机组维护质量,定期排查事故多发的关键部位和存在的控制缺陷,及时消除上述缺陷,保证机组的运行环境良好。

参考文献:

[1]张红玲.风电快速发展中的火灾隐患不容忽视.内蒙古科技与经济[J].2012.1:107-108

[2]王明军,高原生,杜作义.风电机组重大事故分析(二).风能[J].2014(6):64-69

[3]王明军 蒋伟节.等.Repower1.5MW风电机组直流串励变桨系统设计理念解析.东方汽轮机.2012(2):10-13

[4]《X型风电机组调试手册》

[5]《X型风电机组维护手册》

本文选自大唐新能源研究院内部资料

《新能源政策与技术研究参考》

2018年第2期

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