風(fēng)電機組機艙發(fā)熱原因研究

李雯雯，高 陽，何 淼，孫英華，于杰承

（1.沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.國網(wǎng)遼陽供電公司，遼寧 遼陽 111000；3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司海城市供電分公司，遼寧 海城 114200）

1 機艙內(nèi)部發(fā)熱相關(guān)研究概述

現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機組基本上實現(xiàn)了高空無人值守，是一種超大型的、結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的機械設(shè)備。當(dāng)各電氣部件受到復(fù)雜的環(huán)境因素影響時，就會發(fā)生摩擦和碰撞，進(jìn)而導(dǎo)致一定數(shù)量的電磁損耗，并持續(xù)發(fā)熱。對于一些關(guān)鍵的部件，都會配備專用的散熱通道，不過也會有散熱功率不匹配或散熱結(jié)構(gòu)設(shè)置不合理等問題，致使熱量難以及時散發(fā)出去，從而導(dǎo)致機艙的溫度不斷提升。如果不能解決機組散熱的問題，就會嚴(yán)重制約風(fēng)力發(fā)電機組的利用率，同時也會影響其成本回收。

很多學(xué)者對風(fēng)力發(fā)電機在工作過程中的溫度場分布進(jìn)行了研究：文獻(xiàn)［3］主要分析了風(fēng)電齒輪箱工作過程中的穩(wěn)態(tài)溫度場；文獻(xiàn)［4］則將研究的重點放在了機組主軸承在滾動過程中因摩擦而產(chǎn)生的熱；文獻(xiàn)［5-6］對極端條件下風(fēng)力發(fā)電機組機艙內(nèi)部的熱性能進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［7］研究在不同條件下高溫及低溫兩種不同的外部環(huán)境對風(fēng)速和風(fēng)溫的影響。

目前的研究成果表明，從根本上控制風(fēng)力發(fā)電機組在工作過程中的機艙發(fā)熱問題已具備了一定的理論基礎(chǔ)，但對不同部件的散熱氣流組織等方面缺乏研究。如果機艙處于完全不同的散熱氣流組織下，那么整個機組所能獲得的散熱效率也必然會有很大不同。因此，這也是影響機組和部件散熱效率的重要因素之一。

2 機艙內(nèi)部主要發(fā)熱源及其發(fā)熱原因

1）機艙外殼

風(fēng)機在運行的過程中所處的環(huán)境一般都比較惡劣，所以機艙具有很好的密封性，機艙內(nèi)外空氣不互通。當(dāng)風(fēng)機工作時，各部件產(chǎn)生的熱量聚集在機艙內(nèi)部，使機艙內(nèi)部溫度升高，但由于內(nèi)外空氣不流通，所以這些熱量的散發(fā)只能通過齒輪油或者散熱片來進(jìn)行。

2）UPS電源

工作人員為保護(hù)UPS電源，將其用金屬外罩進(jìn)行防護(hù)，而金屬外罩密封，使得UPS散熱不好，以致機艙內(nèi)的溫度進(jìn)一步升高。實際上，可以拆除UPS金屬外罩，使機艙內(nèi)部的空氣和金屬外罩內(nèi)部的空氣進(jìn)行氣體交換，利于散熱通風(fēng)。但這樣做會使UPS的可靠性降低，而UPS暴露在機艙內(nèi)，會讓其容易損壞，難于維修。

3）發(fā)電機軸承

在強風(fēng)地區(qū)，風(fēng)機往往需要長時間工作，發(fā)電機內(nèi)部的軸承在旋轉(zhuǎn)過程中發(fā)生摩擦，產(chǎn)生很多熱量，讓機艙內(nèi)部的溫度無法下降。對于機艙來說，大多數(shù)采用的都是自動潤滑裝置，在機組的整個運行過程中，會自動給軸承注油并且始終保持潤滑。如果潤滑裝置本身發(fā)生故障，就很可能會導(dǎo)致軸承在注油的時候不會特別充分，部分軸承中多余的廢舊油脂不能及時排出。在風(fēng)機大功率運轉(zhuǎn)時，機油導(dǎo)通熱量的能力很強，會在摩擦的過程中產(chǎn)生很多的熱，最終導(dǎo)致的結(jié)果仍舊是溫度過高，嚴(yán)重情況時機組的報警系統(tǒng)就可能顯示停機，不再工作。

4）齒輪箱

齒輪箱內(nèi)部溫度過高的主要原因如下：

①溫控?fù)Q向閥發(fā)生故障，導(dǎo)致部分沒有經(jīng)過散熱器的冷卻油直接回流到齒輪箱。

②散熱片出現(xiàn)漏油或者滲油，而空氣中的灰塵，柳絮等會吸附在散熱片上，使散熱片的能力降低甚至失效，如圖1所示。

③散熱片設(shè)計不合理。

④當(dāng)自然界強風(fēng)過境的速度不同時，用于咬合的機械構(gòu)件的箱子的溫度隨之變化，當(dāng)自然界的氣體溫度取15℃，潤滑油的最初溫度也定為同樣的溫度，潤滑油和空氣的物理特性數(shù)據(jù)如表1所示。

圖1 齒輪箱油冷風(fēng)扇散熱片灰塵覆蓋情況

表1 潤滑油和空氣的物理特征數(shù)據(jù)表

齒輪箱相對流動的熱量交換計算中，各個模塊的影響各不相同，取機體用于咬合的機械構(gòu)件的箱子外、前、后、上、下、左、右6個單位，傳導(dǎo)熱能的系數(shù)如表2所示。

表2 傳導(dǎo)熱能的系數(shù)

3 機艙內(nèi)部溫度過高引起的危害

1）機艙內(nèi)部溫度特別高時，會使風(fēng)電機組停機，這個時候要打開暖風(fēng)來重新啟動，降低了經(jīng)濟性。

2）潤滑油的黏度下降，油膜薄厚不均，加快了齒輪和軸承等機械部件的損耗，甚至發(fā)生疲勞點蝕。

3）當(dāng)潤滑油的溫度長時間處在一個很高的狀態(tài)，會影響一些敏感的機械元件的使用壽命，增加了維修工作的強度和機械元件的更換頻次，降低了風(fēng)電機組的運行效率。

4 針對機艙發(fā)熱所采用的措施對比

對機艙發(fā)熱進(jìn)行處理的方法和措施如表3所示。

表3 機艙發(fā)熱所采用的措施對比

5 結(jié) 論

通過對機艙內(nèi)部發(fā)熱相關(guān)研究的了解，對機艙內(nèi)部的主要發(fā)熱源機艙外殼、UPS電源、變流器回路、發(fā)電機軸承及齒輪箱進(jìn)行了概括，分析了各部分發(fā)熱源的發(fā)熱原因，總結(jié)出機艙內(nèi)部溫度過高引起的危害，并對現(xiàn)有應(yīng)對解決措施的優(yōu)缺點進(jìn)行了對比，指出了各種措施的適用范圍，為后續(xù)研究提供了一定的基礎(chǔ)。