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风电齿轮箱的发展及技术现状

  2014-2019年我国风电累计装机持续增长,截至2019年底,全国风电累计装机2.1亿千瓦、同比增长14.0%,在新增装机方面,风电年度新增装机2574万千瓦,同比上涨22%。

  从风电结构看,截至2019年底,全国风电累计装机2.1亿千瓦中,陆上风电累计装机占主要比重,达到2.04亿千瓦,占比97%;海上风电累计装机593万千瓦,占比3%。

  陆上风电虽然是我国风力发电主导,但是海上风电规模有望得到逐步发展。2019年,海上风电新增装机198万千瓦,海上风电累计装机593万千瓦,增幅明显,2020年海上风电新增装机将持续上升,将突破200万千瓦。

  在装机规模持续扩大的同时,我国可再次生产的能源利用水平也在逐步的提升。2019年,全国风电行业均实现了弃风量、弃风率的持续下降,加快推进我国能源行业高水平质量的发展。2019年我国弃风电量达169亿千瓦时,同比减少108亿千瓦时,全国平均弃风率为4%,同比下降3个百分点,实现了弃风电量和弃风率的“双降”。大部分弃风限电地区的形势进一步好转。表明我国风电等可再次生产的能源开发技术获得进一步发展。

  在风电装机规模持续增长,突破两亿千瓦,全国弃风电量和弃风率实现“双降”时,我国年度风电发电量也得到发展,2019年我国风力年度发电量首次突破4000亿千瓦时,全国风电发电量达到4057亿千瓦时,同比增长10.9%,占全部发电量的5.5%。

  2016年,我国首部《中国风电发展路线 年,我国风电装机容量将达到 10 亿千瓦,将成为电能主力。

  2019年,我国风电可再次生产的能源装机规模逐步扩大,风电发电量实现新高,风电清洁能源利用水平得到提高。在2020年“十三五”规划即将收官时,我国也将迎来可再次生产的能源电力发展状况考核。预计2020年将进一步全面推动风电可再次生产的能源高质量高水平发展,充分的发挥其清洁能源替代作用。

  风电齿轮箱是风能发电机的关键部分,随着风电的发展,风电齿轮箱也获得了良好的发展前途。国内的企业还存在技术能力不够的问题, 有必要了解齿轮箱制造的关键技术,提升技术水平,满足市场需求。

  风力发电机组中的齿轮箱是一个重要的机械部件,其主要功用是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。风力发电受自然条件的影响,一些特殊气象状况的出现,皆可能会引起风电机组出现故障,而狭小的机舱不可能像在地面那样具有牢固的机座基础,整个传动系的动力匹配和扭转振动的因素总是集中反映在某个薄弱环节上,大量的实践证明,这个环节常常是机组中的齿轮箱。因此,加强对齿轮箱的研究,重视对其来维护保养的工作显得很重要。

  风电齿轮箱是风力发电机组中技术上的含金量较高的部件之一,同时也是故障率比较高的部件之一,是我国风电技术水平提升的主要瓶颈。目前,我国齿轮箱制造企业已经具备独立自主研发能力,可批量制造1.5MW、2MW、2.5MW、3MW、3.3MW、3.6MW、4.0MW、5MW、6MW等在内的多种系列齿轮箱产品,可适应高低温、低风速、高海拔、海上及其他特殊工况环境,可配套国内主要整机制造企业的产品,基本满足国内风电产业高质量发展需求,并有部分企业正在研发8MW、10MW系列海上风电大兆瓦级齿轮箱。

  当前,国内风场齿轮箱主要制造企业有:南京高精传动设备制造集团有限公司、宁波东力股份有限公司、浙江通力重型齿轮股份有限公司、重庆齿轮箱有限责任公司、杭州前进齿轮箱集团股份有限公司、三一重型能源装备有限公司、中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司、中车北京南口机械有限公司、中车福伊特传动技术(北京)有限公司、采埃孚(天津)风电有限公司、湖南南方宇航高精传动有限公司、大连华锐重工集团股份有限公司、重庆望江工业有限公司、天津华建天恒传动有限责任公司、太原重工股份有限公司、弗兰德传动系统有限公司(威能极)、秦川机床工具集团股份公司、宁夏银星能源股份有限公司、美闻达传动设备(苏州)有限公司等20家。

  风力资源十分丰富,风能发电有着十分广阔的发展前途,因此,风机齿轮箱在未来有很广阔的发展空间。目前市场上的主要风力发电设备包括双反馈发电和直驱发电,其中双反馈发电是目前市场的主流发电技术,这种发电使用多重齿轮箱,承接风能推动叶片所带来的动力,之后齿轮箱提升转速进行发电。风力发电机组中,齿轮箱是十分重要的零部件,由于风能发电的加快速度进行发展,所以齿轮箱市场存在供不应求的现象。但是与此同时,我国的齿轮箱制造水平相比来说较低,产能不足,满足不了市场需求。国外的风机齿轮箱规模已经很庞大, 很多低功率风机都使用国产齿轮箱,但是在兆瓦级以上的齿轮箱,却十分依赖于国外厂商。国外齿轮箱制造商的零部件更新比较快,型号更新速度也很快。同时,国外厂商在售后服务上也领先于国内,是国内厂商的主要差距之一。

  从1983年在欧洲立起来的Growian3MW风机以来。至今已经30多年了,兆瓦级风电主齿轮箱的传动形式经过这些年来的发展,逐渐形成了自身的一些特点。

  在风力机的运行过程中,风轮的受力状况极为恶劣,经常在急剧变化的重载荷下连续运行数十小时,其所受到的各种载荷都通过主轴直接传递给齿轮箱的低速轴。而且,风力发电机组的设计通常要求在无人值班运行条件下工作长达20年之久,因此齿轮箱的轴承在此受到了真正的考验。

  轴承是齿轮箱中的关键零件,如果轴承存在问题,齿轮箱必然会发生故障。很多国外企业在齿轮箱轴承的技术水平比较高,轴承往往会有比较长的寿命。同时为了可以了解齿轮箱的情况,就有必要了解轴承的寿命,及时对老化的轴承来更换,避免轴承发生故障之后导致齿轮箱运转不畅。轴承损坏的原因有很多,在计算时需要针对不一样的因素做综合考虑, 这就导致不同的企业和国家都有自己的寿命计算标准,并没有统一的理论基础。国内的厂商也在研究轴承寿命计算的有关技术,对提高轴承的应用有很大的帮助。温度、润滑油的粘度都对轴承的寿命有一定的影响,而且如果周围环境不清洁,也会对轴承造成污染,导致轴承的运作情况变差。在对轴承的寿命进行计算时,这样一些方面的因素都要考虑进去,从而获得准确的结果。

  轴承是风电齿轮箱中的核心部件。在齿轮箱运转时,轴承支承零部件的旋转并降低在工作时的摩擦。在一个轴系系统中,至少需要两个及以上的轴承支撑并引导旋转的轴,在实际应用过程中根据不同的应用需求有三种基本配置方式:固定+浮动的轴承配置、预调整的轴承配置、两端浮动的轴承配置。

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