风力发电机组齿轮箱温度抑制的研究

2018-07-05陈子新赵子丰丛智慧许晓峰衣丽葵

沈阳工程学院学报（自然科学版） 2018年2期

陈子新，赵子丰，丛智慧，许晓峰，衣丽葵

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

风能是一种无公害、清洁、可再生的绿色能源。随着人类环保意识的增强，风力发电受到世界各国的高度重视。风力发电机组一般由塔筒、风轮、齿轮箱、发电机、控制系统、刹车系统等组成。其中，齿轮箱是风力发电机组中非常重要的部件，其性能决定了风力发电机的寿命和质量。因此，对齿轮箱的研究成为了学者们关注的重点。

风力发电机组齿轮箱故障具有危害性大、维修周期长等特点，严重时会引发整个机组停机。研究齿轮箱故障产生的原因，并对齿轮箱故障进行分析，及时预测和发现齿轮箱的异常情况，可以有效地降低齿轮箱故障的发生率，保证机组安全可靠地运行。其中，风电机组齿轮箱温度控制的重要性得到了高度重视：对于齿轮箱油温过温或过高等问题，给出相应的解决方案和措施并进行及时处理，有效地降低了风电机组齿轮箱的油温，提高了齿轮箱的整体使用寿命，最大限度地减少了风电机组停机时间，保证了风电机组的利用率，提高了风电场的运行效率和经济效益。

尽管相关专家对风电机组齿轮箱的研究做了大量工作，但是风电机组齿轮箱的温度抑制依然是一个重要问题。通过对齿轮箱温度过高的原因进行分析，提出解决方案，安装风电机组齿轮箱油冷风扇智能过滤系统，并对内蒙赤峰风电场的13#机组安装了此装置，使齿轮箱的温度得到了有效抑制，避免了齿轮箱温度过高引起的限功率发电，甚至停机而导致发电量损失的不良情况。

1 齿轮箱温度高的原因

1.1 齿轮箱散热器因素

齿轮箱的散热器在风电机组齿轮箱油温的散热中起着非常重要的作用，主要用来完成热量的交换。

1)若散热器的散热片存在漏油或渗油现象时，其周围环境的灰尘会迅速地吸附在散热片上，降低散热片的散热能力，进而导致齿轮箱温度升高。

2)齿轮箱的散热风扇是用来加快散热器上方的空气流动，使散热器上方的高热量空气快速地散发掉。如果齿轮箱的散热风扇电机的扇叶连接处出现问题或者损坏，此时引起散热器的散热效果变差，进而导致齿轮箱温度升高。

3)齿轮箱的散热片为交错排列的翅片，这种结构虽然增大了散热面积，但是散热片的散热效果却降低了。由于风电场的风电机组长期运行，然而风电场的工作环境通常是比较恶劣的，比如空气中的风沙颗粒较大、柳絮杨絮漫天飞舞，都将导致散热器发生比较严重的堵塞，使散热器的通风量明显减小，不能有效地进行热量交换，散热器的冷却效率就会下降，进而造成齿轮箱的油温升高。

1.2 齿轮箱本身结构因素

风电机组齿轮箱长期运行后，齿轮箱高速轴的齿面若有损坏，就会造成轴的表面不光滑甚至部分损坏，降低齿轮箱的传动效率，使发热量增多，在高速运转过程中出现齿轮箱温度增高的现象。

1.3 齿轮箱润滑油因素

风电机组齿轮箱长期工作，如果润滑油的质量出现下降(比如润滑油中的氧化生成物、金属颗粒、水分等成分超标)，润滑油的粘度就会降低，导致齿轮、轴承等机械磨损加快或出现疲劳点蚀现象，进而增加发热量，导致齿轮箱温度升高。

1.4 齿轮箱温度控制检测装置

1)如果风电机组齿轮箱控制装置中的温控换向阀失效，将会导致部分热量不经散热器直接回到齿轮箱，由于没有进行热量交换，使齿轮箱的温度升高。

2)风电机组运行过程中，容易出现振动现象。如果齿轮箱的温度检测装置由于振动而导致接线不牢固，或者出现电流或电压尖峰，导致检测数据出现不准确甚至异常，进而对齿轮箱温度给出不正确的判断。

2 齿轮箱温度抑制的传统方法

2.1 人工清洗

传统的风电机组齿轮箱除尘方法大多单纯地依赖于运维人员登塔处理，需要2人配合工作。通常采用人力清扫齿轮箱的热交换器，这样做耗费大量人力物力，使机组停机时间长，除尘散热效果有限，对齿轮箱热交换器的清理是治标不治本。同时，由于反复冲刷齿轮箱油冷热交换器表面，严重影响了齿轮箱油冷风扇油路板的使用寿命。因此，人工清洗的方法，并不能很好地降低齿轮箱的温度。

2.2 更换大功率的冷却器

风电机组齿轮箱的油温过温时，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，也就是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更换原有的冷却器，达到降低齿轮箱油温的目的。

2.3 加装独立冷却器

为了提高润滑系统的热交换能力，降低齿轮箱的温度，风电机组在原有冷却系统中增加一个独立的风冷式油冷却器，配合原来的冷却器工作，油路采用与原冷却器相串联的方式联接。但是，此方案在散热器堵塞后完全失效。

2.4 散热器表面加装过滤网

在散热器的表面散热片的下方安装过滤网，可以防止柳絮、杨絮、颗粒灰尘等堵塞散热器表面，但由于过滤网杂絮繁多而堵塞，降低散热器的散热效果，甚至造成散热器无法散热。因此，过滤网需要定期进行人工更换。

目前，上述方法均不能有效地解决齿轮箱热交换器堵塞的问题。风电机组运行一段时间后，齿轮箱的散热性能下降，齿轮箱油温依然居高不下，齿轮箱的温度过温问题没有得到有效解决，不利于设备的正常运行，影响了风电场的发电量和经济效益。

3 齿轮箱温度抑制的智能过滤系统

齿轮箱油冷风扇智能过滤系统由控制系统、伺服电动机和过滤装置3部分组成，如图1所示，其中过滤装置已经申请了发明专利，首次安装在风力发电机组上。

图1 齿轮箱油冷风扇智能过滤系统

3.1 过滤装置的结构

齿轮箱油冷风扇智能过滤系统中的过滤装置的结构如图1所示，主要由滚轴、框架、阻尼系统、齿轮和过滤网组成。

1)滚轴

滚轴必须结实耐用且机械强度高，可以保障系统的使用年限，并配置振动较小且稳定性能高的阻尼轴承，提高系统的工作效率。为了防止过滤网反转，其中1个轴承是单向轴承。

2)框架

框架选用德标50×50铝型材，具有结构紧固、结实耐用、防腐蚀性能强、防震抗拉等特点，保障系统稳定牢固。

3)阻尼系统

阻尼系统安装在从动侧过滤网导轮轴的两侧，保证了过滤网一直处于被拉伸状态，不会倾斜而跑出轨道。当伺服电动机结束运行后，阻尼系统还可以防止从动部分因为轻微的惯性或者机舱振动，导致过滤网继续向前移动。

4)齿轮

齿轮一定要传动精准、结构紧凑、耐腐蚀性强，保障系统稳定运行。

5)过滤网

过滤网选用高密度、耐风化、耐腐蚀且具有静电吸尘作用的304不锈钢80目材质，空气通透性优异，可以有效地过滤灰尘、柳絮、杨絮、沙粒等，保障高质量的过滤效果和散热器散热效果。

3.2 智能过滤系统的工作原理

将齿轮箱油冷风扇智能过滤系统安装在大唐新能源内蒙古赤峰风电场13#风力发电机组上，如图2所示。智能过滤系统的过滤装置安装在散热器的表面，齿轮箱内部装有温度探测器，控制系统时刻监测温度探测器反馈的温度。当监测温度达到设置的温度限定值时，说明过滤网堵塞严重影响散热器的散热效果，此时控制系统发出信号使过滤装置中的伺服电动机起动。伺服电动机通过同步齿形带带动过滤网导轮轴转动，将堵塞的过滤网卷起，释放新的或洁净的过滤网，保证散热器的散热效果。

图2 现场智能过滤系统

3.3 智能过滤系统的优点

该过滤装置稳固性好，安装方向灵活，可以安装在水平散热器表面、立式散热器表面、倾斜散热器表面等。过滤网通过伺服电动机实现了连续自动更换的智能控制，具有重复利用性，即过滤网在一侧丝网导轮轴旋转完毕后可取下进行清洗后再次利用，实现节约成本。清洗后再次安装过程中可更改伺服电动机的运行时间，远程控制自动卷入新网。伺服电动机的驱动性能好，采用配备1:76变速比减速器的永磁无刷直流伺服电动机，具有低速大转矩的特点。阻尼系统保证了过滤网始终处于轨道内且为拉伸状态。

3.4 实例分析

大唐集团新能源股份有限公司内蒙古赤峰风电场的13#风电机组安装了齿轮箱油冷风扇智能过滤系统，而12#、14#、15#风电机组没有安装此系统，当风电机组有功功率在1 000 kW以上运行时，各个部位温度现场采集的平均数值如表1所示。

表1 风电机组各部位温度现场采集的平均数值

表1中的平均差值是指13#风电机组分别与12#、14#、15#风电机组温度差值的平均值。通过表1的数据分析可知，安装了齿轮箱油冷风扇智能过滤系统的13#风电机组，与没有安装齿轮箱油冷风扇智能过滤系统的12#、14#、15#风电机组相比较，200齿轮油温平均降低了8.57 ℃，203齿轮轴承温度平均降低了9.00 ℃，222齿轮轴承温度平均降低了6.35 ℃。30 s风电机组运行的平均风速高0.06 m/s，风速几乎相等。根据表1可知，若环境温度继续上升，13#风电机组由于安装了齿轮箱油冷风扇智能过滤系统，可以继续并网运行，而12#、14#、15#风电机组则被迫停机，所以13#风电机组并网运行时间会更长，发电量会更多，输出有功功率也会更大。

3.5 经济效益分析

大唐集团新能源股份有限公司内蒙古赤峰风电场的风电机组每台容量为1.5 MW，由于高温大风天气导致风电机组大面积停机，1台风电机组停机1 h损失电量为1.5 MW，若一次停机4小时，损失电量为6 MW。如果1台风电机组一年出现5次停机，损失电量为30 MW，按照风电上网电价0.6元/(kW·h)标准计算，1台风电机组每年的直接损失经济效益为18 000元。由此可见，风电机组安装齿轮箱油冷风扇智能过滤系统后，可以降低机组的停机次数，有效地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。