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风力发电及风电齿轮箱概述

2013-12-26 来源：作者：郑州机械研究所张立勇王长路

摘要 :近年来, 随着风电技术的逐渐成熟和风电成本的下降, 世界风电装机容量高速增长。概述了国内外风电产业的发展概况和风电发展的主要趋势, 介绍了风电齿轮箱的技术现状, 指出了风电齿轮箱设计制造方面存在的主要问题。

关键词: 风力发齿轮箱发展现状

引言

随着能源短缺和生态环境的日益恶化, 新能源发电技术在世界范围内取得了长足的进步。风能是一种清洁的可再生能源, 随着风力发电技术的日趋成熟和风电成本的逐渐降低, 风电装备产业高速发展且前景广阔。为了进一步改善风电机组的性能、提高单机容量, 世界各国都对风电机组进行了大量的研究和开发工作, 一些国家的技术已经相当成熟。我国风电技术研究起步较晚, 近年来取得了显著的成效, 但总体设计制造水平与国际先进水平还有很大差距。

1 风力发电产业概况

1. 1 全球风力发电产业高速发展

风力发电长期受制于成本和技术等问题而发展缓慢, 但是技术的不断进步使风电成本大幅度下降, 加上能源、环境问题的日益严峻使各国纷纷出台鼓励政策和税收优惠, 因此出现了从上个世纪末延续至今的风电产业大发展。图1 为近10 年全球风电装机容量及增长率图。从图中可以看出, 从1998 年以来近10 年的风电装机容量年增长率都在20% 以上, 年平均增长率达到了28. 6%。2008 年2 月在比利时首都布鲁塞尔召开全球风能大会期间, 全球风能理事会( GWEC)确认, 2007 年全球风电新增装机容量约20 000MW,年增长27. 0% ; 截至2007 年底, 全球风电总装机容量达到94 123MW。欧洲仍然是全球风电最主要的市场, 2007 年新增风电装机容量8 662MW, 累计装机容量达到57 135MW, 约占全球的61% 。但欧洲新增装机容量所占的比率从2004 年的75% 下降到了2007 年的43% , 这主要是由于美洲和亚洲风电业的高速发展。在美洲, 仅美国风电新增装机容量就达5 200MW, 累计装机容量达到了16 800MW。2007 年之所以有超过1/4 的全球风电新增装机容量来自亚洲, 一方面是印度风电装机容量稳定增长, 另一方面就是我国风电装机容量快速增长。印度2007 年新增装机容量1 800MW,累积装机容量达到8 000MW [ 2], 累积装机容量仍高于我国。

我国风电产业从零起步, 但发展迅速, 特别是近3年的装机容量增长率世界第一。图2 为近10 年来我国风电累积装机容量及增长率图。2007 年我国新增风电装机容量3 307MW, 增长率达到了127% [ 3] 。截至2007 年底, 我国( 不计台湾省) 风电累计装机容量已达到5 906MW, 取代丹麦成为全球第5 名, 占2007 年底全球风电累计装机容量的6. 3% 。中国可再生能源行业理事会( CREIA) 预计, 到2015 年, 我国风电装机容量将达到50 000MW。近年来, 我国风力发电取得突破性进展[ 4] , 风电场已达到158 个。内蒙古自治区的风电装机容量达到1 563MW, 是全国风电装机容量最多的省份。2007 年11 月8 日, 我国第一个海上风电场在渤海油田顺利投产, 拉开了我国有效利用海上风能的序幕。

欧洲风能协会( EWEA) 确定的目标是到2030 年风力发电要能满足欧洲电力需求的23%。德国是风力发电装机容量最大的国家, 其电力的6% 来自风电; 西班牙电力的8% 来自风电; 丹麦的风电装机容量为3100MW, 可以满足其电力需求的20%, 是世界上风电份额最大的国家。预计到2020 年, 风电占全球总电量的比例将达11. 9% 。

过去10 年间, 煤电年增长2. 5%, 天然气发电年增长2. 5% , 核电年增长1. 8% , 油发电年增长1. 7%, 而风电平均年增长高达28. 6% 。世界风电将在相当长的一段时期内保持高速发展, 风力发电仍然有非常广阔的发展空间。

1. 2 国内外风电设备制造业概况

风力发电的快速增长带动了风电设备制造业的发展, 2007 年度全球风电设备市场总价值达到360 亿美元。目前, 世界上先进的风电设备制造企业主要集中在少数几个国家, 如丹麦、德国、西班牙和美国等, 著名的公司有Vestas( 丹麦) 、GE Wind( 美国) 、Gamesa( 西班牙) 、Enercon ( 德国)、Suzlon( 印度) 等。图3 为2007 年世界风电机组市场份额图。2007 年, 丹麦的Vestas 公司占全球市场份额的22. 8%, 前3 位公司占有了市场份额的一半多。值得一提的是, 我国的金风科技股份有限公司也占据了2007 年世界风电市场的4. 2% 。

风电的快速增长同样刺激了我国风电设备制造业的发展, 并迅速崛起了像金风科技股份有限公司、华锐风电科技有限公司、湖南湘电风能有限公司、浙江运达风力发电工程有限公司等风电设备制造企业。这些企业通过对国外风电技术的吸收再创新, 形成了较大的生产规模。目前, 国内从事风电设备制造的企业达50余家, 而且配件制造企业队伍也在迅速扩大。2007 年我国新增装机容量中, 内资企业产品占55. 9%, 其中金风科技的份额最大, 占新增总装机容量的25. 1%,占内资企业产品的44. 9% ; 合资企业产品占新增装机容量的1. 6%; 外资企业产品占42. 5%, 其中西班牙Gamesa 的份额最大, 占新增装机容量的39. 9% [ 2] 。

国际上, 兆瓦级以上的风电机组已经成为主流机型。如美国: 主流机型1. 5MW, 丹麦: 主流机型( 2. 0~3. 0)MW。截至2006 年, 我国风电机组1MW 以下的机组占总装机容量的70%, 1MW~ 2MW 之间的风电机型只占26%, 2MW 以上机型占4% 。根据国家发改委规划, 我国未来的风电新增装机将以1. 5MW、2MW 机型为主, 1MW 以下机型所占比重将逐渐降低。

1. 3 风力发电发展的主要趋势[ 5- 6]

( 1) 机组单机容量增大

风电机组单机容量的增大有利于提高风能利用率, 降低风场的占地面积, 降低风电场运行维护成本,从而提高风电的市场竞争力。目前, 国际上主流的风电机组已达到( 2~ 3) MW, 由德国Repower 公司研制的最大的5MW 风电机组已投入运行, 其旋翼区直径达到126 米。可以预见, ( 3~ 5) MW 的风电机组在市场中的比例将日益提高。2008 年2 月在布鲁塞尔举行的风能会议和风能展上, 有与会者甚至提出了2020 年前开发出20MW 风电机组的概念。

( 2) 海上风电迅速兴起

海上风能资源丰富, 且受环境影响小, 海上风电场将成为一个迅速发展的市场。目前丹麦、德国、英国、瑞典和荷兰等国家海上风电发展较快。欧洲风能协会 (EWEA) 预测, 2020 年, 欧洲海上风电总装机容量将达到70 000MW。虽然海上风电前景广阔, 但目前还有技术等方面的因素制约着它的发展。一方面, 海上风电机组均为陆上风电机组改造而成, 而复杂的海上自然条件使得风电机组的故障率居高不下, 如世界最大的海上风电场丹麦Vestas 霍恩礁风电场, 80 台海上风电机组故障率超过70% 。另一方面, 电网将难以承受大规模海上风电场所提供的巨大电能。因此, 海上风电的大发展仍需要解决机组及上网配套设施等方面的问题。

( 3) 变速恒频技术快速推广

目前市场上恒速运行的风电机组一般采用双绕组结构的异步发电机, 双速运行。在高风速段, 发电机运行在较高转速上; 在低风速段, 发电机运行在较低转速上。其优点是控制简单, 可靠性高; 缺点是由于转速基本恒定, 而风速经常变化, 因此机组经常处于风能利用系数较低的状态, 风能无法得到充分利用。随着风电技术的进步, 风电机组开发制造厂商开始使用变速恒频技术, 并结合变桨距技术的应用开发出了变桨变速风电机组。与恒速运行的风电机组相比, 变速运行的风电机组具有发电量大、对风速变化的适应性好、生产成本低、效率高等优点。因此, 变速运行的风电机组也是未来发展的趋势之一。德国Enercon 公司是目前全球生产变速风电机组最多的公司。

( 4) 全功率变流技术兴起

近年来, 欧洲的Enercon、Winwind 等公司都开发和应用了全功率变流的并网技术, 使风轮和发电机的调速范围达到了0~ 150% 的额定转速, 提高了风能的利用范围, 改善了风场上网电能的质量。Enercon 公司还将原来对每个风电机组功率因数的分散控制加以集中, 由并网变电站来统一调控, 实现了电网的有源功率因素校正和谐波补偿。全功率变流技术将在今后大型风电场建设时得到推广应用。

( 5) 直驱和半直驱风电机组

直驱式风电机组采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式, 免去故障率较高的齿轮箱, 在低风速时效率高, 且具有低噪声、高寿命、运行维护成本低等优点。近年来直驱式风电机组的装机份额增长较块, 但由于技术和成本等方面的原因, 在未来较长时间内带增速齿轮箱的风电机组仍将在市场中占主导地位。半直驱是介于齿轮箱驱动和直接驱动之间的一种驱动方式, 它采用一级齿轮箱增速, 结构紧凑, 具有相对较高的转速和较小的转矩。与传统的齿轮箱驱动相比, 半直驱增加了系统的可靠性; 而与大直径的直驱相比, 半直驱通过更高效和紧凑的机舱排列减小了系统的体积和重量。

2 风电齿轮箱发展概况

齿轮箱是风电机组中技术含量最高的部件之一。国际上生产风电齿轮箱的公司主要有Renk、Flender、Hansen Transmission 等; 我国批量生产风电齿轮箱的企业主要有南京高精齿轮集团有限公司、重庆齿轮箱有限责任公司、华锐风电科技有限公司、中国二重集团( 德阳) 重型装备股份有限公司等。目前我国风电场中安装的风电机组多数为进口机组, 齿轮箱是近年来国内外风力发电机组故障率最高的部件之一[ 7] , 有的风场齿轮箱损坏率高达40% ~ 50% , 个别品牌机组齿轮箱更换率接近100%。虽然齿轮箱故障是世界性的问题, 但我国风电齿轮箱的故障率更高。我国地形地貌、气候特征与欧洲地区不同, 这使得一些风电发达国家现有的设计经验并不完全适应我国的情况。因此, 对风电齿轮箱技术进行深入研究, 开发适合我国具体情况的风电齿轮箱并实现产业化对提高风电装备的可靠性、降低风电成本有着重要的意义。

2. 1 风电齿轮箱主要结构形式

由于风电机组叶片叶尖线速度不能过高, 因此, 齿轮箱的额定输入转速随着单机容量的增大而逐渐降低。兆瓦级以上风电机组的额定输入转速一般不超过20r/ min, 发电机的额定转速一般为1500 r/ min 或1800r/ min, 因此大型风电齿轮箱的增速比一般在75~100 范围内。风电齿轮箱的结构形式多种多样。小容量风电齿轮箱多采用平行轴斜齿轮传动结构, 500kW~ 1000kW 风电齿轮箱常见结构有2 级平行轴+ 1 级行星和1 级平行轴+ 2 级行星传动两种结构形式, 兆瓦级以上的风电齿轮箱多采用2 级平行轴+ 1 级行星传动的结构[ 8] 。由于行星传动结构相对复杂, 而且大型内齿圈加工难度较大, 成本较高, 即使采用2 级行星传动的结构, 也以NW 型传动最为常见[ 9]。

2. 2 风电齿轮箱技术现状

国外兆瓦级风电齿轮箱是随风电机组的开发而发展起来的, Renk、Flender 等风电齿轮箱制造公司在产品开发过程中采用三维造型设计、有限元分析、动态设计等先进技术, 并通过模拟和试验测试对设计方案进行验证。此外, 国外通过理论分析及试验测试对风齿轮箱的运行性能进行了系统的研究, 为风电齿轮箱的设计提供了可靠的依据。美国风能协会( AWEA) 和齿轮协会(AGMA) 于2003 年10 月制定了新的风电齿轮箱标准 "Standard for Design and Specification of Gearboxfor wind Turbines", 于2004 年1 月上升为美国国家标准, 即ANSI/ AGMA/ AWEA6006 - A03。该标准对风电齿轮箱的设计、制造、使用等作了详尽规定[ 10] 。

我国风电发展经历了约20 年时间, 开展研究的单位主要有南京高精齿轮集团有限公司、重庆齿轮箱有限责任公司、郑州机械研究所等单位。目前, 国内已基本掌握了兆瓦以下风电齿轮箱的设计制造技术, 但只有极少数单位掌握了具有自主知识产权的兆瓦以上大型风电齿轮箱设计制造技术, 还有一些厂家是引进国外技术和许可证生产。总体来看, 在运行可靠性等方面, 国产风电齿轮箱与国外一流产品相比还有较大差距。因此, 要全面掌握大型风电齿轮箱设计制造技术,还需要在消化、吸收国外先进设计制造技术的基础上进行系统深入的研究和创新。

2. 3 风电齿轮箱设计制造方面存在的主要问题

( 1) 基础载荷数据及载荷处理方法方面的问题风电齿轮箱工作环境恶劣, 所承受的载荷情况非常复杂, 因此符合实际的载荷数据及其处理方法是风电齿轮箱设计计算的基础。我国不但缺少复杂载荷数据, 而且处理方法也不够成熟, 对风电机组在工作过程中经常出现的制动载荷、极限载荷等载荷情况的处理还是根据经验进行估算。此外, 在变载荷处理过程中运用的线性积累损伤理论也并不能真实反映实际破坏情况。因此, 设计计算的基础有问题, 也就无法得到合理的设计结果[ 11] 。

( 2) 齿伦早期点蚀问题

在频繁受到风载变化冲击的情况下, 齿轮的微动磨损超过一般设计的预期, 从而造成齿轮早期点蚀。防止齿轮早期点蚀的关键在于轮齿修形。在确定修形参数时, 需要获得准确的载荷来计算齿轮偏载, 再根据偏载情况进行修形, 而且需要考虑载荷波动, 要尽可能保证齿轮在各种工况载荷及其组合的作用下都具有良好的接触区。

( 3) 轴承早期损坏

目前国内风电齿轮箱几乎全部采用进口轴承, 主要的国外厂商有瑞典SKF、德国FAG 等公司。国内兆瓦以上设备所用的轴承仍处于研发阶段, 以洛轴、瓦轴等为代表的一些企业, 纷纷加大研发力度。其中, 洛轴是国内最早研制、生产风电轴承的企业, 在国内首家成功开发出1. 5MW 风电轴承。统计数据表明, 早期风电齿轮箱故障大多是由轴承引起的。随着技术的成熟,目前轴承引起的故障明显降低, 但仍有约50% 的故障由轴承损坏造成。轴承损坏的主要原因是系统的受力变形导致轴承内外圈不再平行, 滚子局部接触应力过大。因此, 精确的轴承寿命计算方法对风电齿轮箱轴承的设计、选择非常重要。