风力发电机组齿轮箱冬季油温高故障分析与处理

2022-06-17陈淑娜李东田帅

新型工业化 2022年5期

陈淑娜，李东，田帅

1.华锐风电科技（集团）股份有限公司，北京，100872；2.国材（北京）检测认证服务有限公司，北京，100037

0 引言

随着风电技术的快速发展，风电装机容量越来越大，齿轮箱是风力发电机组的核心部件之一，由于结构的特殊性以及在复杂工况下承受各种复杂载荷，需要对齿轮箱的油温、油压、油位、噪声和振动、功率、转速等进行监控，确保风电齿轮箱的性能是各厂家极为关注的问题。风力发电机组在夏季出现油温高比较常见，但某风场3MW风力发电机组，在夏季运转正常，而在冬季批量出现齿轮箱油温高报故障，机组控制系统一旦监测到齿轮箱油温高于最大值，便会报故障，并限功率运行，导致风机在低温大风工况下功率不到额定功率的1/2。针对此问题，本文通过对该风场多台机组运行数据进行追踪分析，发现了问题的关键原因，提出了一种结构优化方案，彻底解决了机组冬季油温高限功率的问题。

1 齿轮箱发热形式与润滑冷却系统原理

1.1 发热形式

齿轮箱发热形式主要有以下两种：

（1）由摩擦副在运行过程中产生的摩擦功率损失，主要包括齿轮啮合引起的功率损失和支撑轴承摩擦生热引起的功率损失；（2）传动机构搅拌润滑油产生的功率损失。

1.2 润滑冷却系统

齿轮箱运行中会产生大量热量，热量会通过热传导形式引起齿轮箱内零部件和润滑油温度升高，齿轮箱箱体表面的散热量非常有限，需要通过润滑冷却系统循环吸收多余的热量。风力发电机组齿轮箱冷润滑冷却系统基本结构如图1所示。

其主要由油泵-电机组（4）、安全阀（6）、组合过滤器（11.1、11.2、12）、温控阀（13），风冷油换热器（14）以及管路（1.1-1.5）构成；泵的吸油管与齿轮箱用软管相连，回油口与齿轮箱也用软管相连。

工作原理如下：齿轮箱润滑系统工作时，油泵-电机组（4）向系统提供压力润滑油，当系统压力超过安全阀（6）设定压力值时，安全阀打开，齿轮油直接通过安全阀回流至齿轮箱油池内，避免油压过高破坏系统中其他元器件，当过滤器滤芯压差大于设定值（如3.5bar）时，滤芯上的单向阀打开，齿轮油只通过50微米粗滤，当齿轮箱油温升高，滤芯压差≤3.5bar时，润滑油经过10微米（11.1）和50微米（11.2）两级过滤。当齿轮箱油温低于45℃时，齿轮油经过温控阀低温回路到达齿轮箱分配器，当齿轮油箱温度达到 45℃时，温控阀（13）开始动作，油液一部分经仍然经过低温回路到达分配器，另一部分经高温回路经油冷风扇（14）冷却后到达齿轮箱分配器，直至温度上升至60℃，温控阀低温回路关闭，高温回路全开，油液全部流经风冷油换热器（14）后再进到齿轮箱进行润滑；当冷却器（14）的压差达到 6bar 时，旁通阀（5.3）开启，齿轮油不经散热器器而直接进到齿轮箱。

1.3 风冷油换热器传热原理

风冷油换热器通常采用翅片结构[1]，传热效率高，结构紧凑，风电行业较为常用的是锯齿型翅片、波纹型翅片。

根据传热学[2]，传热过程是指热量从壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流体的过程，传热过程中所传递的热量如下：

式中：

Ø1——润滑油传递给翅片的热流量，W；

Ø2——冷却空气带走的热流量，W；

C ——润滑油的比热容，J/（kg·K）；

M ——润滑油的质量流量，kg/s；

tf1——热交换器进口油温（K）；

tf2——热交换器出口油温（K）；

A——热交换器散热片的表面积，m2；

h——热交换器散热片表面传热系数，W/（m2·K）；

tf3——隔板与润滑油接触内表面的温度（K），与润滑油的油温和流速成正比；

tf4——热交换器散热片与空气接触外表面温度（K）。

根据换热器的特点，可近似认为Ø1与Ø2实时相等。

1.4 额定换热量计算

由换热器传热原理可知，齿轮箱滑油冷却系统的如果要满足热平衡状态，热交换器的换热量Ø1或Ø2应该等于齿轮箱自身产生的热量Ø。3MW风电机组齿轮箱设计要求齿轮箱运行效率不低于97%，综合考虑齿轮箱、发电机和变频器的效率损失，可得齿轮箱输入轴功率约为3300kW，在机组额定运转工况下，齿轮箱自身产生的热量Q=3300kW×3%=99kW。从而在热交换器设计过程中，额定散热量应不低于99kW才能满足使用要求[3]。

2 齿轮箱冬季油温高问题分析

2.1 润滑系统机舱内布置形式

该风场3MW机组润滑冷却系统在机舱内的布置形式如下图2所示。

2.2 硬件故障排查

首先对润滑系统硬件进行故障排查，排除温控阀故障、散热片堵塞、滤网堵塞、齿轮油品降低、机械部件磨损、温度传感器故障、滤芯污染等原因[4,6]。除个别机组因为温控阀失效引起油温高外，其余机组均未发现硬件故障。据现场反馈，夏季该风场润滑冷却系统冷却效果明显优于附近的其他风机，无报高温故障。

2.3 运行数据分析

对该风场多台机组近一年运行数据进行分析，发现该风场油温高现象在夏季大风高温情况下并未出现，而是出现在冬季低温大风情况下，图3和图4为该风场40#、50#机组在2017.5.1-2018.5.1一年的运行数据：

在2017年7月份左右，在环境温度35℃以上，风速15m/s以上工况下，齿轮箱油温均低于75℃，而在2018年2月份左右，在环境温度-18℃，风速18m/s工况下，齿轮箱油温接近80℃。

2.4 故障分析

润滑系统通过温控阀控制油液流向，在油温低于温控阀开启温度时，油液全部通过低温回路进入齿轮箱分配器入口，随着油温逐渐升高油液全部通过冷却器回路，进行冷却后再进入齿轮箱分配器，冷却器放置在机舱尾部，吸入外界空气进行热交换后排出机舱，当温度极低时，高温油液被迅速冷却，越靠近冷却器出油口油温越低，齿轮油粘度随温度变化较大，低温时粘度急剧增大，使得换热器芯体内部阻力大大增加，加之分配器入口阻力较大、润滑管路较长等综合因素，产生较大阻力，进而导致系统溢流阀开启，一部分流量未经冷却直接回流至齿轮箱[7]，整体系统流量不能全部回至齿轮箱分配器，从而引起齿轮箱油温高。

综合分析系统内部阻力较大，是导致报油温高的主要原因，阻力较大的原因为：风冷油换热器设计余量大，润滑管路长，在冬季低温工作时，油液被迅速冷却，齿轮油运动粘度会随着温度的降低而逐渐增大，并且温度越低粘度增加得越快，粘度的增加导致油品的流动性变差，由于粘度与温度之间是指数关系，因此温度越低，液体的粘度增加越快[3,5]，如下图5所示。

从而造成齿轮油不能充分被冷却，故而报故障。