风力发电机组控制系统分级安全链设计

雷 熠

东方电气风电有限公司 四川 德阳 618000

引言

随着风电机组装机数量的不断增加,风力发电机组安全稳定运行也是业主和整机厂家最关心的。在我国风机发展初期,风机的一些设计缺陷以及人为因素,导致出现了不少风机安全事故。安全链作为风电机组独立于软件控制系统的最后一道保护,确保风机在极端情况下安全停机,有着至关重要的作用。而安全链的设计,也随着风电的发展,有着更多的功能。分级安全链的设计逐渐成为风机安全链设计的主流。

1 安全链的定义及作用

GL2010(德国劳氏船级社风机认证指南)中要求风机安全保护系统必须具备独立于软件控制保护系统并且安全等级最高的硬件控制保护系统,安全链正是这样的系统。安全链是确保风机在软件保护失效的情况下,硬件回路断开直接控制保护,能在风机出现最高等级故障以及极端情况下,确保风机安全停机。因此独立可靠的安全链系统是风机主控系统所必需的,安全链的每个环节中均采用最简单可靠的硬件来实现。

2 常规安全链设计

我公司最早引进Repower整机技术,主控系统采用Mita3000,其安全链设计就是这里所说的常规安全链设计,采用失效－安全(fail－safe)原则设计。

1）错台宽度小于1 cm的错台，进行打磨处理；2）错台相对高度大于1cm时，应先采使用人工或风镐凿除错台，并预留一定厚度，然后对预留的部位作打磨处理。

2.1 常规安全链组成结构

安全链组成如下：

3.2 分级安全链组成结构

这种安全链设计,功能比较单一,回路断开后所有控制立即执行,在风电控制技术不断发展的今天,常规安全链设计渐渐不能满足如今风机运行、保护、维护的需求。

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3 分级安全链设计

3.1 分级安全链设计需求 分级安全链的设计思路,是在保证原有安全保护功能的前提下,将常规安全链分成三个等级,每一级安全链的断开都能在保护机组安全的同时满足控制系统不同停机故障的需求。分级安全链设计的核心是引入Pilz安全链继电器。

随着风电行业的发展,风机控制系统技术不断更新,功能需求越来越多,常规安全链功能显得不足,新的分级安全链设计映入眼帘。

2.2 常规安全链保护功能 安全链中每一个器件都是通过串联的方式连接在一起,当其中任意一个节点动作,将引起整条回路断电,机组进入紧急停机过程,并使主控系统处于闭锁状态。如果故障节点得不到恢复,则机组的正常运行操作都不能实现。安全链分别对机组紧急停机(紧急情况下人员操作)、偏航顺时针、逆时针极限(防扭断电缆)、叶片维护(人员进轮毂操作须断安全链)、塔筒振动极限(防止操作机组自身载荷)、齿轮箱高速轴超速、主轴低速轴超速、内部安全链(PLC 控制器输出)、安全继电器1、安全继电器2。2个安全继电器是安全链的核心部件,是安全链的执行机构,当回路断电,继电器必须精确及时可靠的使触点动作,控制风机各个系统保护风机安全,通过结构图可以知道安全继电器KA2在安全链断开的时候控制偏航液压、电气刹车,对偏航进行刹车;安全继电器KA3在安全链断开的情况下,禁止齿轮箱风扇运行、偏航电机运行,切断主控变桨EFC信号触发变桨系统快速收桨,触发高速轴刹车器制动。

3.3 分级安全链保护功能 从安全链结构可以看出,分级安全链分为三个等级,每一个等级都需要复位,整个安全链才能恢复正常。分级如下：一级安全链包括主控柜、机舱、塔基急停安全按钮以及Pilz安全链继电器,二级安全链包括叶片维护开关、主控制器PLC 看门狗继电器、电缆顺时针、逆时针纽缆极限开关、安全继电器1,三级安全链包括塔筒振动开关、主轴超速开关、齿轮箱超速开关、内部安全链、安全链继电器2。所有器件仍然以串联的方式连接在一起,不同级别器件的断开,安全链将执行不同的功能,但回路断开机组进入最高等级停机并闭锁系统的功能不受影响。

为应对苗木生产的风险，农场一方面致力于苗木品种的多元化，种植栾树、红叶李、广玉兰、金丝垂柳、山东白蜡等经济苗木，发展榉树、东方杉、中山杉、金叶水杉、弗吉尼亚栎等高档苗木。另一方面，积极谋划与地方政府合作，分散苗木产业经营风险。2014和2015年，先后与东台市政府在G228国道边合作建设了350亩弗吉尼亚栎、上海东方杉种植项目，由政府免费提供200万元种苗，农场提供土地负责栽植，全额占有苗木收益，实现“政府得形象，农场得效益”。

Pilz安全继电器和安全继电器1、2是分级安全链系统的核心。新增加的Pilz安全继电器的存在使安全链功能更加强大。一级安全链触发安全链断开,二、三级安全链失电断开,此时Pilz、KA1、KA2 安全继电器动作,禁止自动、手动偏航,禁止机舱内散热设备启动,启动高速轴盘刹(受转速限制),始终允许液压站工作(保证刹车制动力),断开变桨EFC 信号紧急收桨,并禁止旁路变桨;二级安全链触发,安全链回路断开,一级安全链保持正常得电即Pilz未动作,三级安全链断开,此时KA1、KA2安全继电器动作,禁止自动偏航,断开变桨EFC信号紧急收桨,并禁止旁路变桨;三级安全链触发,安全链断开,一、二级安全链保持正常得电,Pilz与KA1未动作,KA2动作,断开变桨EFC信号紧急收桨,并禁止旁路变桨。每一级安全链断开,都能确保变桨系统安全链断开,紧急收桨最大程度保护风机安全,不同功能区别在于偏航、冷却、加热等子系统的控制。

4 结语

分级安全链设计在保证常规安全链设计安全功能实现的基础上,增加了功能控制级别划分,更好的满足机组不同工况下设备运行的需求,以及停机维护时服务人员的需求。目前此设计方案已经在我公司新机组中实施,现场运行稳定可靠,达到了设计需求。