风力发电机组齿轮箱油温高原因及散热改造方案分析

2015-09-11张上

科技与创新 2015年18期

张上

摘要：通过论述风力发电机组齿轮箱油温高的原因及存在的危害，结合齿轮油散热系统工作原理，提出了相应的解决方案和措施。风电场根据实际情况选择合理的处理方案，可有效降低齿轮箱油温，避免齿轮油超温停机，延长齿轮箱整体使用寿命。

关键词：风力发电机组；齿轮箱；油温高；散热器

中图分类号：TM315 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.18.036

风能是太阳能的一种转换形式，是清洁的可再生能源，风力发电不依赖矿物能源，无环境污染，没有燃料价格风险，发电成本稳定，且蕴藏巨大、分布广泛。近年来，风电装机容量快速发展，为企业带来了显著的经济效益和社会效益，但也面临一些设备问题，比如，风机齿轮箱过温问题在多种机型上都有出现，在某些机组上更为突出，相关人员一直未找到有效的解决方案，因此，找出一种经济、实用的改造办法显得非常有必要。

1 研究对象

本文的研究对象为1.5 MW风电机组，风机部件主要包括风轮、齿轮箱（油-空冷却系统）、双馈感应发电机、变频器和塔筒。图1所示为风电机组结构图。

图1 风电机组结构图

2 齿轮油散热系统的工作原理

齿轮油散热系统的工作原理为：①机组启动，齿轮箱低速油泵工作，当齿轮油温高于40 ℃时，齿轮箱高速油泵工作；②当齿轮箱油温高于55 ℃或高速轴轴承温度高于70 ℃时，温控阀关闭，散热器开始自动工作，润滑油经过散热器冷却后再进入齿轮箱；③当齿轮油温降到45 ℃且高速轴轴承温度低于65 ℃时，散热器自动停止工作，润滑油直接经温控阀进入到齿轮箱强制润滑；④当齿轮油温高于75 ℃或高速轴轴承温度高于90 ℃时，风机限负荷运行。⑤当齿轮油温高于80 ℃或高速轴轴承温度高于95 ℃时，风机自动停机。图2所示为齿轮油散热系统的工作原理图。

图2 齿轮油散热系统的工作原理图

3 散热系统设计核算

一般情况下，行业标准要求新齿轮箱设计的机械效率不低于97%.在标准条件下应达到的其他指标如下：

最大发热功率：Pv=（1-η）×Pe=0.97×1 520 kW=1 474.4 kW。

HYDAC散热器散热能力参数：

OK-EL10L（新版）：当流量为100 L/min时，散热能力为1.65～1.67 kW/℃。

根据HYDAC产品手册《Oil/Air Cooler Units》计算油冷散热板要求达到的散热能力：

. （1）

式（1）中：P01为冷却能力，kW/℃；T1为期望最高油温，取75 ℃；T3为机舱环境温度（吸入空气），取45 ℃。

当机舱环境温度为45 ℃ 时，油冷系统的散热能力还有约9%的安全余量，在正常运行情况下，可满足风力发电机组齿轮箱的散热要求。

4 齿轮箱过温的原因

齿轮箱过温的原因主要有以下几点：①齿轮箱的传动效率降低，发热量增大。②温控换向阀失效，导致部分流量不经过散热器而直接回到齿轮箱。③散热片有漏油或渗油现象出现，灰尘会快速黏附堵塞散热片，降低散热能力。④散热片设计不合理。为增大散热面积，散热片设计采用了交错排列的翅片，当环境空气中有大的灰尘颗粒、杨絮、柳絮时，易堵塞，使通风量减小，冷却效率下降。⑤齿轮油质量因素。油品劣化，润滑油中金属颗粒、氧化生成物、水分等超标，使润滑质量下降，发热量增大，导致过温。⑥设计使用环境与实际使用环境有差异，比如环境温度、机舱温度影响等。

5 齿轮箱过温的危害

齿轮箱过温的危害主要有：①频繁限功率，严重者过温停机，待油温冷却重启风机，损失发电量；②降低润滑油的黏度，油膜变薄，导致齿轮、轴承等机械磨损加快或疲劳点蚀；③油温持续过高，加快齿轮箱温度敏感元件的老化，降低机组的整体使用寿命。

6 散热改造方案及分析

6.1 采用专用清洗剂

方案：采用散热片专用清洗剂清洁，可有效清除油污、灰尘及附着物，提高散热效果。

分析：适用于油液污染，散热片灰尘、柳絮堵塞清理，恢复散热能力。但当齿轮箱效率下降时不能完全解决温度过高的问题。

6.2 增大散热风扇的通流量

方案：①更换散热风扇叶片及电机，提高散热通风量；②通过采取变频措施，提高风扇电机频率，增加转速，提高通风量。

分析：未有效提高散热片的当量冷却功率，当齿轮箱效率下降时，不能完全解决温度过高的问题。

6.3 增大油泵功率

方案：更换油泵电机、油泵，增大油泵功率，提高油循环能力。

分析：更换油泵单元工作量较大、经济性差，可能带来系统的匹配问题，不建议采用。

6.4 加装前置滤网

方案：在散热片的下方（进风口）加装前置滤网，防止柳絮、杨絮、灰尘等堵塞散热片。

分析：在一定程度上缓解了飞絮的迚入，但滤网密度的选择很重要，如果选择不当，很可能改变静压差，降低通风量；滤网需定期清洗或更换。这个方案同样无法解决齿轮箱效率下降后散热量不足的问题，可以作为其他方案的补充措施。

6.5 加装散热器独立冷却风道

方案：在机舱内部增设独立油冷风道，使油冷散热器的冷却介质由机舱内部空气变为机舱外部空气，冷却介质温度降低有利于提高散热器的散热效果；避免齿轮箱散发的油气对散热板造成污染，保证散热器的清洁，同时确保油冷散热器的散热能力。

分析：由于机舱内热辐射、太阳照射等因素，无法形成通流，即便解决了齿轮箱的问题，也因此造成机舱温度过高，进而引起控制柜等温度过高等次生问题；需在机舱加装轴流风机，这对机舱整体结构、稳定性影响较大，同时要考虑轴流风机位置安装的可行性。

6.6 优化升级散热片

为提高通风效率，缩小散热器的面积，设计时散热器采用了带“翘翅”的冷却结构。该结构在提升散热能力的同时，不可避免地造成了柳絮等杂质容易附着在散热片上，导致散热片堵塞。

方案：更换新型散热板，只替换原有散热板，散热能力比原散热板要强，且柳絮、杨絮不易挂在散热板缝隙中。

分析：新型散热板散热功率比原贺德克散热片提高了约10%，满足设计散热能力；柳絮、杨絮不易挂在散热板缝隙中，尘土不易附着，在一定的尘附条件下仍保证足够的散热能力；更换简单，易操作，可有效解决堵塞问题，从而达到少清洗或免清洗的目的；适用于柳絮、杨絮、灰尘引起的过温问题，散热效率一般，不能完全解决温度过高的问题。

6.7 新增小容量独立散热器

方案：增加一个独立散热器，将其固定在主机架上，配合原散热器工作，油路采用串联（或并联）联接。

控制方式1：使用原散热器控制信号，在原散热器的基础上再增加一条回路，共用一个控制信号；新增散热器使用独立电源，实现与原散热器同时开断，并在保护回路上相对独立。

控制方式2：为提高新加散热器的利用率，要求提供一个PLC上的控制点，根据油温度、机舱温度、轴承温度情况，通过主控程序控制新加的散热器启动或停止；需与主机厂协商，开放一个PLC输出点，并写入控制程序。

分析：散热效率可提高20%～30%，安装简单、方便，易操作，能够解决齿轮箱效率降低的问题；，新增PLC控制点可减少新散热器的启动时间，减少耗电量，提高利用率及冷却器寿命。适用于过温严重的风电场。

6.8 新增大容量独立散热器

方案：增加一个大容量的散热器，其结构类似于方案6.7，综合散热能力提升超过40%.

分析：即使原冷却器部分堵塞，仍能解决温升问题。但该方案的不足是成本过高，虽然性能较好，但性价比不高，且安装空间受限，只适用于过温非常严重的风电场。

各方案的优势、劣势和适用情况如表1所示。

表1 各方案的优势、劣势和适用情况

方案名称优势劣势适用情况

采用专用清洗剂施工容易，成本低散热效果一般油液污染、附着物堵塞