光熱電站定日鏡俯仰角驅動器失效原因分析

朱 君 何氏正 何聚龍

上海電氣亮源光熱工程有限公司 上海 201199

1 分析背景

定日鏡是構成光熱電站的主要設備,對于一座100 MW光熱電站,一般需要3萬至5萬臺定日鏡。在一些100 MW塔式光熱電站項目中,考慮到太陽能法向輻射及聚熱備用余量,可能設計超過5萬臺定日鏡。數量如此多的定日鏡對安全性設計提出了較高要求,需確保定日鏡在電站25～35 a的設計使用壽命中追蹤精度可靠,并且安全穩定運行。

塔式光熱電站項目所采用的定日鏡,一般為采用雙驅動器追蹤太陽光。在俯仰角方向控制定日鏡運行,并對其姿態進行調整的驅動裝置即為俯仰角驅動器。俯仰角驅動器的安全穩定運行關系到定日鏡的運行安全、使用壽命,以及光場造價、運維費用等諸多方面。筆者針對俯仰角驅動器的失效原因進行分析,為類似工程項目的建設提供參考。

2 定日鏡結構

以某光熱電站項目所采用的小定日鏡為例,該定日鏡可作為一個獨立的運動單元安裝在單個立柱上。每臺定日鏡由雙軸驅動,跟蹤太陽光,并將聚光焦點保持在塔的吸熱器上。雙軸驅動采用兩臺驅動裝置,以調整定日鏡的方位角和俯仰角。定日鏡如圖1所示,俯仰角驅動器如圖2所示。

圖1 定日鏡總體結構

3 現場調查

現場巡查時,發現有定日鏡損壞,如圖3所示。反射鏡組件發生破碎,破碎部位為反射鏡組件下部、中間位置。

圖3 定日鏡損壞

鏡子碎裂的原因是鏡子與立柱發生碰撞。根據進一步調查發現,俯仰角驅動器也出現損壞,導致俯仰角驅動器桿不受控制。拆機后,對俯仰角驅動器損壞位置進行分析,發現由于俯仰角驅動器后端位置鎖緊結構的螺母發生脫落,造成俯仰角驅動器內部傳動機構的滾珠絲杠軸端發生移位,導致俯仰角驅動器桿失去固定支撐,不受控制。定日鏡在風載及巨大自重慣性的作用下,與立柱發生碰撞,導致鏡子碎裂。

4 材質第三方檢測

損壞的俯仰角驅動器螺母如圖4所示。經過對數例損壞的俯仰角驅動器螺母進行分析,發現有的螺母螺紋完好,但由于螺母發生逆向旋轉,進而產生脫落,導致俯仰角驅動器失效。有的螺母螺紋已損壞,強力拉脫導致俯仰角驅動器損壞。對此,將損壞的螺母送具備資質的第三方機構進行相關檢測,驗證材質物化指標是否滿足要求。

圖4 俯仰角驅動器螺母

檢測結果表明,螺母的材質物化指標滿足相關標準要求。

5 鎖緊原因

在俯仰角驅動器中,滾珠絲杠機構一端通過鎖緊墊片與螺母固定的形式,與蝸輪蝸桿機構固定連接,這是典型的機械傳動機構鎖緊固定形式,如圖5所示。

圖5 俯仰角驅動器傳動機構鎖緊固定形式

滾珠絲杠機構的另一端與俯仰角驅動器軸通過扣押的形式剛性連接。定日鏡在風載作用下,俯仰角驅動器軸承受相應拉伸力。這一拉伸力傳導至螺母上,會使螺母產生反向自旋運動。鎖緊墊片的折彎邊可以阻止螺母自旋松脫,從而對緊固結構起到保護作用。

6 失效原因分析

針對現場俯仰角驅動器的鎖緊結構遭到損壞的失效形式與特點,對潛在的失效原因進行分析。

6.1 生產工藝控制不嚴

(1) 預緊力未控制到位。俯仰角驅動器是定日鏡的重要承載部件,俯仰角驅動器所受到的拉力最終會傳導至鎖緊結構。因此,對俯仰角驅動器預緊力的控制需嚴格按照技術規范執行,否則可能導致設備內部彈簧墊片張緊力過小,產生的預緊力不足,進而使螺母在受到力的作用時產生返退效應。

(2) 鎖緊墊片折彎邊未完全貼上螺母。鎖緊墊片的折彎工藝通過人工使用折彎鉗進行操作,對于工人的經驗及責任心有較高要求,折彎邊應與六角螺母完全貼合,最大間隙不應超過0.5 mm,如圖6所示。生產過程中應100%對鎖緊墊片進行檢查,否則可能導致鎖緊墊片無法提供足夠的支撐,不能抵抗螺母的旋轉。

圖6 鎖緊墊片折彎邊完全貼合

6.2 鎖緊結構設計原因

鎖緊墊片需固定在蝸輪上,鎖緊墊片是帶有開口折角結構的標準件,折角厚度為1 mm,而蝸輪定位孔寬度為3 mm,理論上鎖緊墊片在蝸輪定位孔寬度方向有2 mm的活動空間。蝸輪定位孔如圖7所示。隨著定日鏡長時間運行及受風載振動影響,鎖緊墊片可能會發生移位,并超出0.5 mm的最大間隙要求,從而可能導致俯仰角驅動器鎖緊結構螺母返退,并造成定日鏡損壞的潛在風險。

圖7 蝸輪定位孔

對此,可以選取帶自鎖功能的螺母。螺栓螺母結構依靠螺栓螺母之間的相對摩擦力實現預緊力,并達到自鎖。理論上,當螺紋升角小于螺紋當量摩擦角時,螺栓螺母結構可以達到自鎖條件,即無論如何施加載荷,軸向力在螺紋斜面的分量都小于螺紋結構的最大靜摩擦力。但是在實際應用場景中,受力條件比較復雜,并且會受到各種因素的影響,如溫度、材料特性、載荷振動、空氣濕度等,具備一般自鎖功能的螺紋結構也可能會產生松動。

應選擇螺紋升角小的螺紋,同時選取具有自鎖設計的螺母結構。對于滾珠絲杠的端部螺栓螺紋設計,應與選用的螺母結構相匹配,從而提高螺母自鎖能力的可靠性,避免發生螺母返退導致俯仰角驅動器失效。

還需要提高俯仰角驅動器的承載能力?，F場對失效的俯仰角驅動器進行分析時,發現相當部分的螺母結構螺紋被剪切損壞,說明定日鏡在極端天氣時承受了極大載荷。通過具備資質的第三方機構對隨機選取的俯仰角驅動器進行相關力學測試,俯仰角驅動器拉力測試結果如圖8所示。

圖8 俯仰角驅動器拉力測試結果

俯仰角驅動器設計載荷為20 kN左右的拉力,即當俯仰角驅動器軸承受20 kN拉力時,不發生損壞,則俯仰角驅動器滿足設計要求。測試時俯仰角驅動器在受到接近30 kN的拉力時依然完好無損,鎖緊結構未發生破壞。測試結果證明俯仰角驅動器滿足設計要求,螺母螺紋結構可承受20 kN的設計載荷。但是,現場發現螺母螺紋發生了剪切損壞,如圖9所示。

圖9 螺母螺紋剪切損壞

現場出現這一現象,說明定日鏡受到較強的風載影響,俯仰角驅動器或因承受超出設計值的拉力而導致損壞,或因制造工藝控制不嚴導致鎖緊墊片與螺母先行松脫,螺母螺紋不斷受到振動沖擊力,使螺紋遭到剪切破壞。因此,在設計中需加強對該部位的安全冗余設計,同時需對加工制造工藝進行嚴格把控。

6.3 極端天氣影響

光熱電站項目現場一般位于沙漠或戈壁地區,長年處于大溫差、高鹽、高濕、大風的不利氣象條件之下,比較容易出現極端惡劣天氣。在定日鏡破損現場,風速曾在15 min內達到并超過十級。這一時間短于定日鏡回至安全位所需要的響應時間,造成定日鏡過長時間暴露在強風之下。因此需要加強對極端天氣的預警報告,尋求氣象部門幫助,充分利用項目周邊的氣象站設施,增加天氣預報頻次。

7 現場應急處理方案

俯仰角驅動器的運行安全關系到定日鏡的穩定運行及安全,甚至影響項目的順利發電與交付。因此,基于俯仰角驅動器技術規范,制訂了一套俯仰角驅動器維護方案。

對鎖緊結構按照技術規范進行加固,逐個排查隱患,并及時更換損壞的螺母結構,避免因質量控制問題對定日鏡運行安全造成影響。

8 俯仰角驅動器失效對策

(1) 加強氣象預測監測。沙漠或戈壁中氣候條件變幻莫測,沙塵暴往往短時間內就會生成,并有可能產生大風,單純依靠項目的氣象預測系統難以滿足項目運行的需求。因此,需尋求第三方合作,采集第三方氣象預報數據及周圍氣象站數據,進行預測,并綜合衛星云圖、降水云圖等,在自動預警系統的基礎上,結合人工進行判斷,增強氣象預報預警的安全冗余,使定日鏡在極端天氣來臨前能夠安全回位。

(2) 優化定日鏡回位時間。需要進一步開發定日鏡快速回位的指令程序,一方面加強氣象預警,另一方面加速定日鏡回位,使定日鏡盡可能提前回到安全位。一般定日鏡從睡眠位置,即鏡面垂直地面回到安全位的響應時間為15～25 min,因此需要優化回位程序,加快定日鏡電機的運行速度,縮短定日鏡的回位時間。

(3) 優化定日鏡安全冗余設計。在設計階段,需要對定日鏡各系統部件進行進一步優化,如對定日鏡主要的抗風載受力部件俯仰角驅動器加強力學安全冗余設計。具體為增加俯仰角驅動器的振動測試、壽命測試,優化鎖緊結構設計,采用具有自鎖功能的螺母,同時加強對鎖緊墊片折彎工藝的質量控制,列入質量控制檢查點,確保工序100%合格后才能出廠。

9 結束語

根據十四五可再生能源規劃,我國進一步明確了新能源發展方向,基于風、光、儲互補型新能源的大基地建設是未來的導向。根據規劃,大基地項目基本上含有塔式光熱電站。截至目前,我國在建、擬開發的光熱電站項目總裝機容量已超過4 GW。因此,對塔式光熱電站關鍵技術的突破及項目中積累的運維經驗,可以為新的光熱電站項目的開發提供重要指導。

筆者對光熱電站項目中出現的定日鏡俯仰角驅動器失效原因進行分析,采取修復措施及時處理現場出現的問題,為今后光熱電站項目定日鏡關鍵設備的設計優化、測試驗證、生產制造、現場安裝、缺陷修復等積累經驗,并提供參考。