风电机组机舱环境温度改善研究

2018-02-16陈子新杨景明孙红凯衣丽葵

现代制造技术与装备 2018年10期

陈子新杨景明孙红凯高阳衣丽葵

（1.大唐（赤峰）新能源有限公司，赤峰 024050；2.沈阳工程学院电力学院，沈阳 110136）

1 研究背景

随着世界能源的日渐匮乏、全球气候的不断变暖、人们环保意识的不断增强，低碳经济已经成为全球关注的重点[1]。风力发电具有低排放、低污染的低碳电力发展模式，成为电能可持续发展的重要战略选择之一。近年来，我国对能源的需求和环保要求力度的不断加强，风力发电的优势、经济性和实用性等优点突出，使风电机组的装机容量占可再生能源发电装机容量的第一位。

风电机组是无人值守高空持续运行的大型复杂机械装置，安装地点环境恶劣，工作过程中会以摩擦、碰撞、电磁损耗等形式持续发热。尽管风电机组配有散热装置，但是依然存在机舱环境温度升高，引起润滑油的润滑水平降低、机舱管线老化加速甚至机舱爆燃等严重问题。为此，机舱内主要发热部件轴承、齿轮箱、发电机等设定温升阈值，超温后风电机组主动实施停机避险。对大唐（赤峰）风电场统计，由于部件超温引起的机组停机次数超过非正常停机总数40%以上，可见，机舱散热问题仍然没有得到有效解决，严重抑制了风电机组的可利用率及其成本的回收。风电机组机舱环境温度过温问题的研究集中在三方面：部件发热的内因研究，许多学者通过模拟风力发电机，分析其温度场的分布；风电机舱结构散热性研究，马铁强等通过研究风力发电机组机舱布局及其在不同的散热气流组织形态下，机组的散热效率不同，气流与部件之间的热耦合成为影响散热的关键因素；风电机组工作环境对发热影响的研究，SMAILI等通过研究极端温度下风电机组机舱的热性能，提供机舱冷却系统的功率匹配[2-3]。

上述研究为控制风电机组机舱发热、冷却等问题奠定了基础，但对于实际运行的风电系统来说，改善机舱环境降低机舱温度，避免机组限功率运行，甚至被迫停机的研究，仍非常重要[4]。

2 机舱环境温度过温原因

2.1 冷却系统自身问题

冷却系统自身问题会导致机舱温度过高。第一，冷却器故障，如冷却器内部电线短路、断路、电机烧坏等均可导致风扇不运转而影响散热。第二，冷却器散热片上覆盖大量的灰尘影响冷却器的散热，导致冷却不足。第三，溢流阀是泄压元件，应该在齿轮箱油温低、压力高时发挥作用。目前，发现油温高时，溢流阀仍然有流油的情况，这样会使经过冷却的油量减少，部分油未经冷却直接回到齿轮箱，导致整体冷却不足，油温偏高[5]。第四，冷却不足引起油温过高，使高速轴承温度不能有效卸去，导致轴承温度过高而引起机舱环境温度升高。

2.2 润滑系统不能充分发挥作用

润滑系统不能有效发挥作用而导致机舱温度过高。第一，打开后箱观察盖检查轴承出油情况，发现出油很少则说明轴承的进油量不足。出现这种情况的原因主要有：进油孔设计太小导致进油不足；箱体进油孔与进油环进油槽错位；油孔被杂质堵塞导致油量减少；进油孔油路未钻通。第二，润滑系统的压力阀或温控阀错误。在过滤器与齿轮箱的油管连接无误的情况下，当油温超过55℃，过滤器到油分配器的管子仍有流油，说明过滤器的温控阀存在问题而影响散热。第三，齿轮喷油不足或油孔没有对准齿轮，都会导致齿轮温度过高，进而使轴承温度偏高。

3 机舱环境传统处理方法

3.1 人工除尘

机舱环境传统的除尘方法，通常是运维人员登上风电机组塔顶进行清洁。一般采用人力清扫机舱设备和齿轮箱的热交换器，如果机舱环境温度高，运维人员打开机舱天窗靠自然风散热来降低机舱温度。这样做既耗费人力物力，停机时间又长，而除尘散热效果有限，对齿轮箱热交换器的清理治标不治本。同时，由于反复冲刷齿轮箱冷却器的表面，严重影响了齿轮箱油冷风扇油路板的使用寿命。

3.2 采用大功率冷却器

为避免齿轮箱过温，可以通过提高润滑系统的热交换能力，增加系统中“风/油冷却器”的当量冷却功率，即在不改变原有油路及风机结构的情况下，设计更大功率的冷却器，替换原来的冷却器。

3.3 加装一台冷却器

为提高润滑系统的热交换能力，在原有冷却系统中增加一台独立的风冷式油冷却器，配合原冷却器工作，油路采用与原冷却器相串联的方式联接。

4 机舱环境温度的智能控制

为解决机舱环境传统处理方法的不足，本文在风电机组中安装机舱环境智能过滤降温系统来改善机舱环境，降低机舱温度。

机舱环境智能过滤降温系统有6路温度传感器接入控制系统，分别布置在齿轮箱散热器前端和后端、齿轮箱散热器油管内循环和外循环、机舱柜外侧、机舱外。当散热器前端与后端的温度差值小于10℃，证明散热器散热效果不好，散热器存在灰尘造成堵塞，控制系统自动发送启动命令给机舱除尘过滤装置。机舱除尘过滤装置框架采用德标50×50铝型材，结构紧固，防震抗拉；过滤网采用空气通透性好的304不锈钢材质，不影响散热器散热效果。当控制系统发送给除尘过滤装置中伺服电动机启动信号，伺服电动机通过同步齿形带带动丝网导轮轴，自动更换过滤网。为保证过滤网一直处于被拉伸的状态，不会倾斜而跑出轨道，过滤装置上配备阻尼装置，配合伺服电动机同时工作。

当齿轮箱油管外循环和内循环其中任一个温度传感器监测到温度达到60℃，并且内循环温度大于外循环温度，证明温控阀失效。当控制系统监测机舱温度超过45℃时，说明机舱温度高，控制系统向通风装置的轴流风机发送启动命令，当机舱温度降低45℃以下，轴流风机停止工作。轴流风机采用一体式加厚铸铁风叶设计，强度高不易变形脱落，叶轮经过严格的动平衡校准具有良好的空气动力性能，风量大噪音底，加厚铸铁外壳，表面高温喷漆处理，耐磨损，抗腐蚀，重量轻，硬度高，抗震防摔，同时电机固定采用三角力学固定，可以有效减轻电机在运行过程中产生的震动，保证电机持续稳定安全运行。电机采用220V电压供电，功率0.12kW，转速可达到1450r/min，风量2000m3/h，做到低耗能、低噪音、高风量，降温效果经过测试达到7.6℃。

5 经济效益分析

风电场的风电机组每台容量为1.5MW，每年由于高温大风天气导致风电机组停机约为10次，每次停机恢复平均时间8小时，每年每台风电机组因风机环境污染、齿轮箱散热不畅导致的油温过热停机损失电量可达120万kWh。一个具有33台的49.5MW容量的风电场，每年将损失电量3960万kWh，按风电上网电价0.6元/千瓦时标准计算，每年损失237.6万元。由此可见，风电机组安装机舱环境智能过滤降温系统后，改善机舱环境，降低机舱温度，减少机组的停机次数，有效提高了风电机组的并网运行时间，提高风电场的发电量，进而提高风电场的经济效益。