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風力發電及風電齒輪箱概述

2013-12-26 來源：作者：鄭州機械研究所張立勇王長路

摘要 :近年來, 隨著風電技術的逐漸成熟和風電成本的下降, 世界風電裝機容量高速增長。概述了國內外風電產業的發展概況和風電發展的主要趨勢, 介紹了風電齒輪箱的技術現狀, 指出了風電齒輪箱設計制造方面存在的主要問題。

關鍵詞: 風力發齒輪箱發展現狀

引言

隨著能源短缺和生態環境的日益惡化, 新能源發電技術在世界范圍內取得了長足的進步。風能是一種清潔的可再生能源, 隨著風力發電技術的日趨成熟和風電成本的逐漸降低, 風電裝備產業高速發展且前景廣闊。為了進一步改善風電機組的性能、提高單機容量, 世界各國都對風電機組進行了大量的研究和開發工作, 一些國家的技術已經相當成熟。我國風電技術研究起步較晚, 近年來取得了顯著的成效, 但總體設計制造水平與國際先進水平還有很大差距。

1 風力發電產業概況

1. 1 全球風力發電產業高速發展

風力發電長期受制于成本和技術等問題而發展緩慢, 但是技術的不斷進步使風電成本大幅度下降, 加上能源、環境問題的日益嚴峻使各國紛紛出臺鼓勵政策和稅收優惠, 因此出現了從上個世紀末延續至今的風電產業大發展。圖1 為近10 年全球風電裝機容量及增長率圖。從圖中可以看出, 從1998 年以來近10 年的風電裝機容量年增長率都在20% 以上, 年平均增長率達到了28. 6%。2008 年2 月在比利時首都布魯塞爾召開全球風能大會期間, 全球風能理事會( GWEC)確認, 2007 年全球風電新增裝機容量約20 000MW,年增長27. 0% ; 截至2007 年底, 全球風電總裝機容量達到94 123MW。歐洲仍然是全球風電最主要的市場, 2007 年新增風電裝機容量8 662MW, 累計裝機容量達到57 135MW, 約占全球的61% 。但歐洲新增裝機容量所占的比率從2004 年的75% 下降到了2007 年的43% , 這主要是由于美洲和亞洲風電業的高速發展。在美洲, 僅美國風電新增裝機容量就達5 200MW, 累計裝機容量達到了16 800MW。2007 年之所以有超過1/4 的全球風電新增裝機容量來自亞洲, 一方面是印度風電裝機容量穩定增長, 另一方面就是我國風電裝機容量快速增長。印度2007 年新增裝機容量1 800MW,累積裝機容量達到8 000MW [ 2], 累積裝機容量仍高于我國。

我國風電產業從零起步, 但發展迅速, 特別是近3年的裝機容量增長率世界第一。圖2 為近10 年來我國風電累積裝機容量及增長率圖。2007 年我國新增風電裝機容量3 307MW, 增長率達到了127% [ 3] 。截至2007 年底, 我國( 不計臺灣省) 風電累計裝機容量已達到5 906MW, 取代丹麥成為全球第5 名, 占2007 年底全球風電累計裝機容量的6. 3% 。中國可再生能源行業理事會( CREIA) 預計, 到2015 年, 我國風電裝機容量將達到50 000MW。近年來, 我國風力發電取得突破性進展[ 4] , 風電場已達到158 個。內蒙古自治區的風電裝機容量達到1 563MW, 是全國風電裝機容量最多的省份。2007 年11 月8 日, 我國第一個海上風電場在渤海油田順利投產, 拉開了我國有效利用海上風能的序幕。

歐洲風能協會( EWEA) 確定的目標是到2030 年風力發電要能滿足歐洲電力需求的23%。德國是風力發電裝機容量最大的國家, 其電力的6% 來自風電; 西班牙電力的8% 來自風電; 丹麥的風電裝機容量為3100MW, 可以滿足其電力需求的20%, 是世界上風電份額最大的國家。預計到2020 年, 風電占全球總電量的比例將達11. 9% 。

過去10 年間, 煤電年增長2. 5%, 天然氣發電年增長2. 5% , 核電年增長1. 8% , 油發電年增長1. 7%, 而風電平均年增長高達28. 6% 。世界風電將在相當長的一段時期內保持高速發展, 風力發電仍然有非常廣闊的發展空間。

1. 2 國內外風電設備制造業概況

風力發電的快速增長帶動了風電設備制造業的發展, 2007 年度全球風電設備市場總價值達到360 億美元。目前, 世界上先進的風電設備制造企業主要集中在少數幾個國家, 如丹麥、德國、西班牙和美國等, 著名的公司有Vestas( 丹麥) 、GE Wind( 美國) 、Gamesa( 西班牙) 、Enercon ( 德國)、Suzlon( 印度) 等。圖3 為2007 年世界風電機組市場份額圖。2007 年, 丹麥的Vestas 公司占全球市場份額的22. 8%, 前3 位公司占有了市場份額的一半多。值得一提的是, 我國的金風科技股份有限公司也占據了2007 年世界風電市場的4. 2% 。

風電的快速增長同樣刺激了我國風電設備制造業的發展, 并迅速崛起了像金風科技股份有限公司、華銳風電科技有限公司、湖南湘電風能有限公司、浙江運達風力發電工程有限公司等風電設備制造企業。這些企業通過對國外風電技術的吸收再創新, 形成了較大的生產規模。目前, 國內從事風電設備制造的企業達50余家, 而且配件制造企業隊伍也在迅速擴大。2007 年我國新增裝機容量中, 內資企業產品占55. 9%, 其中金風科技的份額最大, 占新增總裝機容量的25. 1%,占內資企業產品的44. 9% ; 合資企業產品占新增裝機容量的1. 6%; 外資企業產品占42. 5%, 其中西班牙Gamesa 的份額最大, 占新增裝機容量的39. 9% [ 2] 。

國際上, 兆瓦級以上的風電機組已經成為主流機型。如美國: 主流機型1. 5MW, 丹麥: 主流機型( 2. 0~3. 0)MW。截至2006 年, 我國風電機組1MW 以下的機組占總裝機容量的70%, 1MW~ 2MW 之間的風電機型只占26%, 2MW 以上機型占4% 。根據國家發改委規劃, 我國未來的風電新增裝機將以1. 5MW、2MW 機型為主, 1MW 以下機型所占比重將逐漸降低。

1. 3 風力發電發展的主要趨勢[ 5- 6]

( 1) 機組單機容量增大

風電機組單機容量的增大有利于提高風能利用率, 降低風場的占地面積, 降低風電場運行維護成本,從而提高風電的市場競爭力。目前, 國際上主流的風電機組已達到( 2~ 3) MW, 由德國Repower 公司研制的最大的5MW 風電機組已投入運行, 其旋翼區直徑達到126 米?？梢灶A見, ( 3~ 5) MW 的風電機組在市場中的比例將日益提高。2008 年2 月在布魯塞爾舉行的風能會議和風能展上, 有與會者甚至提出了2020 年前開發出20MW 風電機組的概念。

( 2) 海上風電迅速興起

海上風能資源豐富, 且受環境影響小, 海上風電場將成為一個迅速發展的市場。目前丹麥、德國、英國、瑞典和荷蘭等國家海上風電發展較快。歐洲風能協會 (EWEA) 預測, 2020 年, 歐洲海上風電總裝機容量將達到70 000MW。雖然海上風電前景廣闊, 但目前還有技術等方面的因素制約著它的發展。一方面, 海上風電機組均為陸上風電機組改造而成, 而復雜的海上自然條件使得風電機組的故障率居高不下, 如世界最大的海上風電場丹麥Vestas 霍恩礁風電場, 80 臺海上風電機組故障率超過70% 。另一方面, 電網將難以承受大規模海上風電場所提供的巨大電能。因此, 海上風電的大發展仍需要解決機組及上網配套設施等方面的問題。

( 3) 變速恒頻技術快速推廣

目前市場上恒速運行的風電機組一般采用雙繞組結構的異步發電機, 雙速運行。在高風速段, 發電機運行在較高轉速上; 在低風速段, 發電機運行在較低轉速上。其優點是控制簡單, 可靠性高; 缺點是由于轉速基本恒定, 而風速經常變化, 因此機組經常處于風能利用系數較低的狀態, 風能無法得到充分利用。隨著風電技術的進步, 風電機組開發制造廠商開始使用變速恒頻技術, 并結合變槳距技術的應用開發出了變槳變速風電機組。與恒速運行的風電機組相比, 變速運行的風電機組具有發電量大、對風速變化的適應性好、生產成本低、效率高等優點。因此, 變速運行的風電機組也是未來發展的趨勢之一。德國Enercon 公司是目前全球生產變速風電機組最多的公司。

( 4) 全功率變流技術興起

近年來, 歐洲的Enercon、Winwind 等公司都開發和應用了全功率變流的并網技術, 使風輪和發電機的調速范圍達到了0~ 150% 的額定轉速, 提高了風能的利用范圍, 改善了風場上網電能的質量。Enercon 公司還將原來對每個風電機組功率因數的分散控制加以集中, 由并網變電站來統一調控, 實現了電網的有源功率因素校正和諧波補償。全功率變流技術將在今后大型風電場建設時得到推廣應用。

( 5) 直驅和半直驅風電機組

直驅式風電機組采用多極電機與葉輪直接連接進行驅動的方式, 免去故障率較高的齒輪箱, 在低風速時效率高, 且具有低噪聲、高壽命、運行維護成本低等優點。近年來直驅式風電機組的裝機份額增長較塊, 但由于技術和成本等方面的原因, 在未來較長時間內帶增速齒輪箱的風電機組仍將在市場中占主導地位。半直驅是介于齒輪箱驅動和直接驅動之間的一種驅動方式, 它采用一級齒輪箱增速, 結構緊湊, 具有相對較高的轉速和較小的轉矩。與傳統的齒輪箱驅動相比, 半直驅增加了系統的可靠性; 而與大直徑的直驅相比, 半直驅通過更高效和緊湊的機艙排列減小了系統的體積和重量。

2 風電齒輪箱發展概況

齒輪箱是風電機組中技術含量最高的部件之一。國際上生產風電齒輪箱的公司主要有Renk、Flender、Hansen Transmission 等; 我國批量生產風電齒輪箱的企業主要有南京高精齒輪集團有限公司、重慶齒輪箱有限責任公司、華銳風電科技有限公司、中國二重集團( 德陽) 重型裝備股份有限公司等。目前我國風電場中安裝的風電機組多數為進口機組, 齒輪箱是近年來國內外風力發電機組故障率最高的部件之一[ 7] , 有的風場齒輪箱損壞率高達40% ~ 50% , 個別品牌機組齒輪箱更換率接近100%。雖然齒輪箱故障是世界性的問題, 但我國風電齒輪箱的故障率更高。我國地形地貌、氣候特征與歐洲地區不同, 這使得一些風電發達國家現有的設計經驗并不完全適應我國的情況。因此, 對風電齒輪箱技術進行深入研究, 開發適合我國具體情況的風電齒輪箱并實現產業化對提高風電裝備的可靠性、降低風電成本有著重要的意義。

2. 1 風電齒輪箱主要結構形式

由于風電機組葉片葉尖線速度不能過高, 因此, 齒輪箱的額定輸入轉速隨著單機容量的增大而逐漸降低。兆瓦級以上風電機組的額定輸入轉速一般不超過20r/ min, 發電機的額定轉速一般為1500 r/ min 或1800r/ min, 因此大型風電齒輪箱的增速比一般在75~100 范圍內。風電齒輪箱的結構形式多種多樣。小容量風電齒輪箱多采用平行軸斜齒輪傳動結構, 500kW~ 1000kW 風電齒輪箱常見結構有2 級平行軸+ 1 級行星和1 級平行軸+ 2 級行星傳動兩種結構形式, 兆瓦級以上的風電齒輪箱多采用2 級平行軸+ 1 級行星傳動的結構[ 8] 。由于行星傳動結構相對復雜, 而且大型內齒圈加工難度較大, 成本較高, 即使采用2 級行星傳動的結構, 也以NW 型傳動最為常見[ 9]。

2. 2 風電齒輪箱技術現狀

國外兆瓦級風電齒輪箱是隨風電機組的開發而發展起來的, Renk、Flender 等風電齒輪箱制造公司在產品開發過程中采用三維造型設計、有限元分析、動態設計等先進技術, 并通過模擬和試驗測試對設計方案進行驗證。此外, 國外通過理論分析及試驗測試對風齒輪箱的運行性能進行了系統的研究, 為風電齒輪箱的設計提供了可靠的依據。美國風能協會( AWEA) 和齒輪協會(AGMA) 于2003 年10 月制定了新的風電齒輪箱標準 "Standard for Design and Specification of Gearboxfor wind Turbines", 于2004 年1 月上升為美國國家標準, 即ANSI/ AGMA/ AWEA6006 - A03。該標準對風電齒輪箱的設計、制造、使用等作了詳盡規定[ 10] 。

我國風電發展經歷了約20 年時間, 開展研究的單位主要有南京高精齒輪集團有限公司、重慶齒輪箱有限責任公司、鄭州機械研究所等單位。目前, 國內已基本掌握了兆瓦以下風電齒輪箱的設計制造技術, 但只有極少數單位掌握了具有自主知識產權的兆瓦以上大型風電齒輪箱設計制造技術, 還有一些廠家是引進國外技術和許可證生產?？傮w來看, 在運行可靠性等方面, 國產風電齒輪箱與國外一流產品相比還有較大差距。因此, 要全面掌握大型風電齒輪箱設計制造技術,還需要在消化、吸收國外先進設計制造技術的基礎上進行系統深入的研究和創新。

2. 3 風電齒輪箱設計制造方面存在的主要問題

( 1) 基礎載荷數據及載荷處理方法方面的問題風電齒輪箱工作環境惡劣, 所承受的載荷情況非常復雜, 因此符合實際的載荷數據及其處理方法是風電齒輪箱設計計算的基礎。我國不但缺少復雜載荷數據, 而且處理方法也不夠成熟, 對風電機組在工作過程中經常出現的制動載荷、極限載荷等載荷情況的處理還是根據經驗進行估算。此外, 在變載荷處理過程中運用的線性積累損傷理論也并不能真實反映實際破壞情況。因此, 設計計算的基礎有問題, 也就無法得到合理的設計結果[ 11] 。

( 2) 齒倫早期點蝕問題

在頻繁受到風載變化沖擊的情況下, 齒輪的微動磨損超過一般設計的預期, 從而造成齒輪早期點蝕。防止齒輪早期點蝕的關鍵在于輪齒修形。在確定修形參數時, 需要獲得準確的載荷來計算齒輪偏載, 再根據偏載情況進行修形, 而且需要考慮載荷波動, 要盡可能保證齒輪在各種工況載荷及其組合的作用下都具有良好的接觸區。

( 3) 軸承早期損壞

目前國內風電齒輪箱幾乎全部采用進口軸承, 主要的國外廠商有瑞典SKF、德國FAG 等公司。國內兆瓦以上設備所用的軸承仍處于研發階段, 以洛軸、瓦軸等為代表的一些企業, 紛紛加大研發力度。其中, 洛軸是國內最早研制、生產風電軸承的企業, 在國內首家成功開發出1. 5MW 風電軸承。統計數據表明, 早期風電齒輪箱故障大多是由軸承引起的。隨著技術的成熟,目前軸承引起的故障明顯降低, 但仍有約50% 的故障由軸承損壞造成。軸承損壞的主要原因是系統的受力變形導致軸承內外圈不再平行, 滾子局部接觸應力過大。因此, 精確的軸承壽命計算方法對風電齒輪箱軸承的設計、選擇非常重要。