風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱油溫高原因及散熱改造方案分析

張上

摘 要：通過論述風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱油溫高的原因及存在的危害，結(jié)合齒輪油散熱系統(tǒng)工作原理，提出了相應(yīng)的解決方案和措施。風(fēng)電場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合理的處理方案，可有效降低齒輪箱油溫，避免齒輪油超溫停機(jī)，延長(zhǎng)齒輪箱整體使用壽命。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；齒輪箱；油溫高；散熱器

中圖分類號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.18.036

風(fēng)能是太陽(yáng)能的一種轉(zhuǎn)換形式，是清潔的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電不依賴礦物能源，無環(huán)境污染，沒有燃料價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)電成本穩(wěn)定，且蘊(yùn)藏巨大、分布廣泛。近年來，風(fēng)電裝機(jī)容量快速發(fā)展，為企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但也面臨一些設(shè)備問題，比如，風(fēng)機(jī)齒輪箱過溫問題在多種機(jī)型上都有出現(xiàn)，在某些機(jī)組上更為突出，相關(guān)人員一直未找到有效的解決方案，因此，找出一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的改造辦法顯得非常有必要。

1 研究對(duì)象

本文的研究對(duì)象為1.5 MW風(fēng)電機(jī)組，風(fēng)機(jī)部件主要包括風(fēng)輪、齒輪箱（油-空冷卻系統(tǒng)）、雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)、變頻器和塔筒。圖1所示為風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖。

圖1 風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

2 齒輪油散熱系統(tǒng)的工作原理

齒輪油散熱系統(tǒng)的工作原理為：①機(jī)組啟動(dòng)，齒輪箱低速油泵工作，當(dāng)齒輪油溫高于40 ℃時(shí)，齒輪箱高速油泵工作；②當(dāng)齒輪箱油溫高于55 ℃或高速軸軸承溫度高于70 ℃時(shí)，溫控閥關(guān)閉，散熱器開始自動(dòng)工作，潤(rùn)滑油經(jīng)過散熱器冷卻后再進(jìn)入齒輪箱；③當(dāng)齒輪油溫降到45 ℃且高速軸軸承溫度低于65 ℃時(shí)，散熱器自動(dòng)停止工作，潤(rùn)滑油直接經(jīng)溫控閥進(jìn)入到齒輪箱強(qiáng)制潤(rùn)滑；④當(dāng)齒輪油溫高于75 ℃或高速軸軸承溫度高于90 ℃時(shí)，風(fēng)機(jī)限負(fù)荷運(yùn)行。⑤當(dāng)齒輪油溫高于80 ℃或高速軸軸承溫度高于95 ℃時(shí)，風(fēng)機(jī)自動(dòng)停機(jī)。圖2所示為齒輪油散熱系統(tǒng)的工作原理圖。

圖2 齒輪油散熱系統(tǒng)的工作原理圖

3 散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)核算

一般情況下，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求新齒輪箱設(shè)計(jì)的機(jī)械效率不低于97%.在標(biāo)準(zhǔn)條件下應(yīng)達(dá)到的其他指標(biāo)如下：

最大發(fā)熱功率：Pv=（1-η）×Pe=0.97×1 520 kW=1 474.4 kW。

HYDAC散熱器散熱能力參數(shù)：

OK-EL10L（新版）：當(dāng)流量為100 L/min時(shí)，散熱能力為1.65～1.67 kW/℃。

根據(jù)HYDAC產(chǎn)品手冊(cè)《Oil/Air Cooler Units》計(jì)算油冷散熱板要求達(dá)到的散熱能力：

. （1）

式（1）中：P01為冷卻能力，kW/℃；T1為期望最高油溫，取75 ℃；T3為機(jī)艙環(huán)境溫度（吸入空氣），取45 ℃。

當(dāng)機(jī)艙環(huán)境溫度為45 ℃ 時(shí)，油冷系統(tǒng)的散熱能力還有約9%的安全余量，在正常運(yùn)行情況下，可滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱的散熱要求。

4 齒輪箱過溫的原因

齒輪箱過溫的原因主要有以下幾點(diǎn)：①齒輪箱的傳動(dòng)效率降低，發(fā)熱量增大。②溫控?fù)Q向閥失效，導(dǎo)致部分流量不經(jīng)過散熱器而直接回到齒輪箱。③散熱片有漏油或滲油現(xiàn)象出現(xiàn)，灰塵會(huì)快速黏附堵塞散熱片，降低散熱能力。④散熱片設(shè)計(jì)不合理。為增大散熱面積，散熱片設(shè)計(jì)采用了交錯(cuò)排列的翅片，當(dāng)環(huán)境空氣中有大的灰塵顆粒、楊絮、柳絮時(shí)，易堵塞，使通風(fēng)量減小，冷卻效率下降。⑤齒輪油質(zhì)量因素。油品劣化，潤(rùn)滑油中金屬顆粒、氧化生成物、水分等超標(biāo)，使?jié)櫥|(zhì)量下降，發(fā)熱量增大，導(dǎo)致過溫。⑥設(shè)計(jì)使用環(huán)境與實(shí)際使用環(huán)境有差異，比如環(huán)境溫度、機(jī)艙溫度影響等。

5 齒輪箱過溫的危害

齒輪箱過溫的危害主要有：①頻繁限功率，嚴(yán)重者過溫停機(jī)，待油溫冷卻重啟風(fēng)機(jī)，損失發(fā)電量；②降低潤(rùn)滑油的黏度，油膜變薄，導(dǎo)致齒輪、軸承等機(jī)械磨損加快或疲勞點(diǎn)蝕；③油溫持續(xù)過高，加快齒輪箱溫度敏感元件的老化，降低機(jī)組的整體使用壽命。

6 散熱改造方案及分析

6.1 采用專用清洗劑

方案：采用散熱片專用清洗劑清潔，可有效清除油污、灰塵及附著物，提高散熱效果。

分析：適用于油液污染，散熱片灰塵、柳絮堵塞清理，恢復(fù)散熱能力。但當(dāng)齒輪箱效率下降時(shí)不能完全解決溫度過高的問題。

6.2 增大散熱風(fēng)扇的通流量

方案：①更換散熱風(fēng)扇葉片及電機(jī)，提高散熱通風(fēng)量；②通過采取變頻措施，提高風(fēng)扇電機(jī)頻率，增加轉(zhuǎn)速，提高通風(fēng)量。

分析：未有效提高散熱片的當(dāng)量冷卻功率，當(dāng)齒輪箱效率下降時(shí)，不能完全解決溫度過高的問題。

6.3 增大油泵功率

方案：更換油泵電機(jī)、油泵，增大油泵功率，提高油循環(huán)能力。

分析：更換油泵單元工作量較大、經(jīng)濟(jì)性差，可能帶來系統(tǒng)的匹配問題，不建議采用。

6.4 加裝前置濾網(wǎng)

方案：在散熱片的下方（進(jìn)風(fēng)口）加裝前置濾網(wǎng)，防止柳絮、楊絮、灰塵等堵塞散熱片。

分析：在一定程度上緩解了飛絮的迚入，但濾網(wǎng)密度的選擇很重要，如果選擇不當(dāng)，很可能改變靜壓差，降低通風(fēng)量；濾網(wǎng)需定期清洗或更換。這個(gè)方案同樣無法解決齒輪箱效率下降后散熱量不足的問題，可以作為其他方案的補(bǔ)充措施。

6.5 加裝散熱器獨(dú)立冷卻風(fēng)道

方案：在機(jī)艙內(nèi)部增設(shè)獨(dú)立油冷風(fēng)道，使油冷散熱器的冷卻介質(zhì)由機(jī)艙內(nèi)部空氣變?yōu)闄C(jī)艙外部空氣，冷卻介質(zhì)溫度降低有利于提高散熱器的散熱效果；避免齒輪箱散發(fā)的油氣對(duì)散熱板造成污染，保證散熱器的清潔，同時(shí)確保油冷散熱器的散熱能力。

分析：由于機(jī)艙內(nèi)熱輻射、太陽(yáng)照射等因素，無法形成通流，即便解決了齒輪箱的問題，也因此造成機(jī)艙溫度過高，進(jìn)而引起控制柜等溫度過高等次生問題；需在機(jī)艙加裝軸流風(fēng)機(jī)，這對(duì)機(jī)艙整體結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性影響較大，同時(shí)要考慮軸流風(fēng)機(jī)位置安裝的可行性。

6.6 優(yōu)化升級(jí)散熱片

為提高通風(fēng)效率，縮小散熱器的面積，設(shè)計(jì)時(shí)散熱器采用了帶“翹翅”的冷卻結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)在提升散熱能力的同時(shí)，不可避免地造成了柳絮等雜質(zhì)容易附著在散熱片上，導(dǎo)致散熱片堵塞。

方案：更換新型散熱板，只替換原有散熱板，散熱能力比原散熱板要強(qiáng)，且柳絮、楊絮不易掛在散熱板縫隙中。

分析：新型散熱板散熱功率比原賀德克散熱片提高了約10%，滿足設(shè)計(jì)散熱能力；柳絮、楊絮不易掛在散熱板縫隙中，塵土不易附著，在一定的塵附條件下仍保證足夠的散熱能力；更換簡(jiǎn)單，易操作，可有效解決堵塞問題，從而達(dá)到少清洗或免清洗的目的；適用于柳絮、楊絮、灰塵引起的過溫問題，散熱效率一般，不能完全解決溫度過高的問題。

6.7 新增小容量獨(dú)立散熱器

方案：增加一個(gè)獨(dú)立散熱器，將其固定在主機(jī)架上，配合原散熱器工作，油路采用串聯(lián)（或并聯(lián)）聯(lián)接。

控制方式1：使用原散熱器控制信號(hào)，在原散熱器的基礎(chǔ)上再增加一條回路，共用一個(gè)控制信號(hào)；新增散熱器使用獨(dú)立電源，實(shí)現(xiàn)與原散熱器同時(shí)開斷，并在保護(hù)回路上相對(duì)獨(dú)立。

控制方式2：為提高新加散熱器的利用率，要求提供一個(gè)PLC上的控制點(diǎn)，根據(jù)油溫度、機(jī)艙溫度、軸承溫度情況，通過主控程序控制新加的散熱器啟動(dòng)或停止；需與主機(jī)廠協(xié)商，開放一個(gè)PLC輸出點(diǎn)，并寫入控制程序。

分析：散熱效率可提高20%～30%，安裝簡(jiǎn)單、方便，易操作，能夠解決齒輪箱效率降低的問題；，新增PLC控制點(diǎn)可減少新散熱器的啟動(dòng)時(shí)間，減少耗電量，提高利用率及冷卻器壽命。適用于過溫嚴(yán)重的風(fēng)電場(chǎng)。

6.8 新增大容量獨(dú)立散熱器

方案：增加一個(gè)大容量的散熱器，其結(jié)構(gòu)類似于方案6.7，綜合散熱能力提升超過40%.

分析：即使原冷卻器部分堵塞，仍能解決溫升問題。但該方案的不足是成本過高，雖然性能較好，但性價(jià)比不高，且安裝空間受限，只適用于過溫非常嚴(yán)重的風(fēng)電場(chǎng)。

各方案的優(yōu)勢(shì)、劣勢(shì)和適用情況如表1所示。

表1 各方案的優(yōu)勢(shì)、劣勢(shì)和適用情況

方案名稱 優(yōu)勢(shì) 劣勢(shì) 適用情況

采用專用清洗劑 施工容易，成本低 散熱效果一般 油液污染、附著物堵塞

增大散熱風(fēng)扇

的通流量 施工容易，成本低 散熱效果一般 一般過溫情況

增大油泵功率 施工容易，油泵功率增大 存在匹配問題 不建議采用

加裝前置濾網(wǎng) 施工容易，成本低 降低通風(fēng)量 灰塵、柳絮堵塞情況

加裝散熱器

獨(dú)立冷卻風(fēng)道 成本低，效率提升較大 引起機(jī)艙過溫 機(jī)艙已安裝軸流風(fēng)機(jī)

優(yōu)化升級(jí)散熱片 施工容易，成本適中 散熱效果提升一般 灰塵、柳絮堵塞情況

新增小容量

獨(dú)立散熱器 散熱效果提升20%～30% 增加PLC控制點(diǎn) 過溫較嚴(yán)重的情況

新增大容量

獨(dú)立散熱器 散熱效果提升超過40% 施工難度大，成本高 過溫非常嚴(yán)重的情況

7 結(jié)束語(yǔ)

以改善齒輪箱散熱效果為目的，本文結(jié)合齒輪油散熱系統(tǒng)的工作原理，提出了多種改造方案，并進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性、實(shí)效性對(duì)比、分析。風(fēng)電場(chǎng)根據(jù)自身設(shè)備情況選用合適的改造方案，可有效降低齒輪箱油溫，避免齒輪油超溫停機(jī)，延長(zhǎng)齒輪箱整體使用壽命。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，造成齒輪箱油溫過高的因素較多，本文只探討了發(fā)生超溫后如何有效散熱問題，并沒有研究造成齒輪箱油過溫的內(nèi)部本質(zhì)原因，比如齒輪箱摩擦增大、傳動(dòng)效率降低等，在后續(xù)工作中我們將不斷深入研究這方面的問題。

〔編輯：劉曉芳〕