الطاقة والبيئة

العوامل في فشل علبة التروس توربينات الرياح

العوامل في فشل علبة التروس توربينات الرياح

يمكن أن تغطي صيانة توربينات الرياح مجموعة متنوعة من الأنشطة ، ولكن إحدى القضايا الرئيسية تتعلق بإصلاح أو استبدال علب التروس لتوربينات الرياح ، والتي غالبًا ما تفشل قبل الأوان قبل أن يكملوا عمرهم البالغ 20 عامًا. تعاني بعض مشاريع الرياح من معدلات فشل تصل إلى 50 بالمائة في غضون بضع سنوات. وهذا بدوره يؤدي إلى زيادة التكاليف من خلال زيادة وقت التوقف عن العمل وزيادة الصيانة وإعادة بناء علبة التروس واستبدالها.

أحد أسباب ذلك هو حقيقة أن الصناعة جديدة جدًا مقارنة بالصناعات الأخرى ، ولكنها قد تكون أيضًا بسبب وتيرة تطوير توربينات الرياح مع طرح تصاميم أكبر من أي وقت مضى في السوق. يعد الفهم السيئ لأحمال التوربينات عاملاً آخر كما هو الحال بالنسبة للقضية الناشئة مع التكسير المحوري في محامل التوربينات.

في عام 2007 ، أنشأ المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) تعاونية موثوقية علبة التروس NREL من أجل تقييم سبب حدوث أعطال في علبة التروس وكيفية معالجة المشكلة. تبحث مختبرات سانديا الوطنية في البوكيرك أيضًا في هذه المسألة. كانت نتيجة ذلك رغبة أكبر في مشاركة البيانات الناتجة مع عامة الناس ، بينما كانت الصناعة في السابق مترددة إلى حد ما في القيام بذلك. ميزة القيام بذلك هي أنه يمكّن الصناعة من أن تشرح للجمهور ما تفعله للمساعدة في خفض تكلفة طاقة الرياح.

على سبيل المثال ، في السنوات السابقة ، كانت الاختبارات على نطاق واسع باهظة الثمن ، لذا فإن الشركات المصنعة للمعدات الأصلية (OEMs) تميل إلى إجراء اختبارات قصيرة بدلاً من ذلك ، وليس الكثير منها في ذلك الوقت. ومع ذلك ، أصبح الاختبار الآن أكثر شمولاً ، ويتم إجراؤه بشكل عام على منصات اختبار كبيرة ، وبالتالي فهو أيضًا أكثر صرامة.

اختبار المرحلة الأولى لعلبة تروس توربينات الرياح في NREL [مصدر الصورة: NREL]

تم الآن تحسين معرفة كيفية استجابة علب التروس لتوربينات الرياح للأحمال بشكل كبير ، غالبًا بفضل برامج التصميم التي طورتها شركات مثل Romax Technology ، ومقرها تروي ، ميشيغان ، والتي أنتجت حزمة برامج تسمى Romax Wind. وبتجهيزهم بمثل هذه البرامج ، أصبح المهندسون أكثر قدرة على إجراء تقييم دقيق للضغوط المفروضة على التروس والمحامل ، وهذا يعني أنهم في وضع أفضل بكثير ليكونوا قادرين على تطوير توربينات رياح أكثر مرونة.

على سبيل المثال ، أصبح من الواضح الآن إلى حد ما أن غالبية حالات فشل علبة التروس لتوربينات الرياح ، والتي تمثل 76 بالمائة من حالات الفشل ، ترجع إلى فشل المحامل ، على الرغم من أن هذه ليست المشكلة الوحيدة بالطبع. يعد التكسير المحوري في المحامل أحد الأسباب الرئيسية لهذا الفشل.

بصرف النظر عن التصدع المحوري في المحامل ، يمكن أن يؤدي تلوث مواد التشحيم بجزيئات حادة إلى الفشل من خلال تأليب بكرات المحامل. يبدأ على شكل micropitting ، المعروف أيضًا باسم التلوين الرمادي أو الصقيع بسبب اللون الناجم عن وجود تشققات مجهرية تكون عمومًا صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها في حد ذاتها ولكنها تتسبب بشكل جماعي في تبني السطح باللون الرمادي. ثم يضعف سطح الأسطوانة مما يؤدي إلى فقدان التسامح الدقيق. عادة ما تكون الملوثات عبارة عن مواد مثل الرمل والصدأ والرقائق الناتجة عن التصنيع وطحن الغبار والبقع والحطام الناجم عن التآكل. لسوء الحظ ، لا يمكن تصفية معظم هذه الجسيمات من مواد التشحيم.

البقع الداكنة هي ملوثات في الزيت [مصدر الصورة: NREL]

غالبًا ما تعاني علب التروس عالية السرعة من معدلات فشل عالية. كان المهندسون يميلون إلى تركيبها في توربينات الرياح لأن هذا مكنهم أيضًا من تركيب مولدات صغيرة ، وبالتالي خفض التكلفة الأولية. يتجه الاتجاه الآن أكثر نحو تركيب علب التروس متوسطة السرعة. هذه لديها عدد أقل من التروس والمحامل وبالتالي فهي أكثر موثوقية ، ولكنها أيضًا أغلى. ومع ذلك ، يمكن لعلب التروس متوسطة السرعة زيادة عدد التوربينات العاملة في أي وقت ، وبالتالي زيادة كمية الطاقة النظيفة المتولدة وخلق آلاف الوظائف في التصميم والتصنيع والتشغيل.

تفشل العديد من علب التروس بسبب تقسية الطحن. يحدث هذا عندما تتجاوز درجة حرارة جزء من الترس درجة حرارة التهدئة للفولاذ المصنوع منه. وهذا بدوره يقلل من صلابتها وبالتالي قوتها. لمواجهة هذا الأمر ، تطلب الشركات المصنعة للمعدات الأصلية من مورديها فحص التروس لمعرفة درجة الطحن. يمكن استخدام عملية تسمى الحفر الداخلي لتحديد الاختلافات في البنية المجهرية في المكونات وبالتالي تمكين تحديد المناطق المتضررة من خلال المعالجة الآلية أو حرق الطحن. إذا لم تبرد هذه المناطق بشكل صحيح ، فقد ترتفع درجة حرارتها. ستظهر أكثر قتامة تحت اختبار الحفر الداخلي من المناطق غير التالفة.

يؤدي تضمين جسيم غريب في الترس إلى زيادة الضغط. إذا كان كبيرًا بما يكفي وقريبًا بدرجة كافية من سطح ملامس نشط ، فسيؤدي ذلك إلى تعطل الترس قبل الأوان. علاج هذا هو الاختبار غير المدمر مثل اختبار المصفوفة بالموجات فوق الصوتية على مراحل والذي يساعد على تقليل عدد "الادراج" وبالتالي عدد أعطال التروس.

بالعودة إلى مشكلة التكسير المحوري المذكورة سابقًا ، يعد هذا سببًا منتظمًا لفشل علبة التروس التوربينية. يحدث التكسير المحوري في المحامل عادة على شكل شقوق طويلة على الحلقة الداخلية للمحمل. يطلق عليه أحيانًا "التكسير بالحفر الأبيض" بسبب المناطق البيضاء غير المنتظمة التي تظهر على أسطح المحمل عندما يتم حفرها كيميائيًا وفحصها باستخدام المخططات المجهرية. إنها مشكلة تصيب علب التروس لجميع الشركات المصنعة ومحامل الأسطوانة الأسطوانية معرضة بشكل خاص. يمكن أن تؤدي المعالجة الحرارية أثناء التصنيع إلى تفاقم المشكلة لأن التبريد غير المنتظم يمكن أن يسبب ضغوطًا موضعية تؤدي إلى التصدع. يمكن أن يساعد شكل معين من المعالجة الحرارية يُعرف باسم كربنة الحالة في تقليل حدوث التكسير المحوري في المحامل. يتضمن ذلك وضع المكون في فرن الغلاف الجوي الكربوني ، متبوعًا بالإخماد والتلطيف ، مما يوفر قلبًا منخفض الكربون متينًا وقشرة صلبة عالية الكربون.

تلف تروس السرعة العالية والمرحلة المتوسطة [مصدر الصورة: NREL]

يمكن أن يحدث التكسير أيضًا بسبب التحول غير المتكافئ للأوستينيت إلى مارتينسيت. Martensite هو شكل صلب جدًا من الفولاذ. يحدث التحول المارتيني عند تبريد معادن معينة وغالبًا عندما يتم تبريد الأوستينيت إلى درجة حرارة الغرفة. الأوستينيت هو تآصل من الحديد ، والتآصل هو خاصية لبعض العناصر الكيميائية لتوجد في شكلين مختلفين أو أكثر في نفس الحالة الفيزيائية. على سبيل المثال ، تشتمل متآصلات الكربون على الألماس والجرافيت والجرافين والفوليرين. بالإضافة إلى الأوستينيت ، هناك نوعان آخران من تآصل الحديد هما حديد ألفا (الفريت) وحديد دلتا. يُعرف الأوستينيت أيضًا باسم حديد جاما. إذا لم يكن تحول الأوستينيت إلى مارتينسيت موحدًا ، فيمكن أن يتسبب في معدلات تبريد مختلفة ، مما يؤدي بدوره إلى نمو وانكماش وتشوهات ملتوية تسبب التصدع.

لا يزال التكسير المحوري غير مفهوم تمامًا ، ولكن هناك حل آخر ، بالإضافة إلى المعالجة الحرارية للكربنة ، يمكن أن يكون طلاء أكسيد أسود على المحامل. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تحسين الخصائص الهيكلية للفولاذ المستخدم في صنع المحامل أثناء إخراج الهيدروجين أيضًا. هذا مهم لأن الهيدروجين يمكن أن يتسبب في هشاشة الفولاذ. يمكن أن تشمل مصادر الهيدروجين زيت علبة التروس والرطوبة في الزيت ومضافات الزيت المختلفة. قد يكون المصدر الآخر هو التفريغ الكهروستاتيكي من الأنظمة الكهربائية أو أنظمة التشحيم التي قد تستخرج الهيدروجين من الماء والزيت في علبة التروس.

على الرغم من أن فشل علبة التروس يمثل بالفعل مشكلة مستمرة في قطاع الرياح ، إلا أن فهم هذه المشكلات يتحسن طوال الوقت ، ومعه تتحسن موثوقية توربينات الرياح.


شاهد الفيديو: أفلام وثائقية: المشروع العملاق #05 (يونيو 2021).