風(fēng)電機(jī)組齒輪箱高溫問題處理分析

文 | 孫昊

雙饋式風(fēng)電機(jī)組是風(fēng)力發(fā)電的主流機(jī)型之一，齒輪箱是雙饋機(jī)組重要部件之一，其運(yùn)行的穩(wěn)定性很重要。隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的延長，很多雙饋機(jī)組齒輪箱冷卻系統(tǒng)陸續(xù)出現(xiàn)油溫高的問題，經(jīng)過多次清洗和維修，還是不能徹底解決齒輪箱油溫高限負(fù)荷的問題。本文以一臺(tái)1500kW機(jī)組的齒輪箱散熱器改進(jìn)為例，對齒輪箱散熱情況進(jìn)行解析說明。

齒輪箱油溫超限主要影響

一、機(jī)組限功率運(yùn)行

齒輪油超溫導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組限功率運(yùn)行或者是超溫停機(jī)，嚴(yán)重?fù)p失發(fā)電量，影響風(fēng)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；目前很多風(fēng)電機(jī)組都存在這種問題，年度損失電量達(dá)到利用小時(shí)數(shù)的5%～10%以上，最嚴(yán)重的風(fēng)電機(jī)組每年因此損失數(shù)十萬千瓦時(shí)的電量，帶病運(yùn)行的機(jī)組無法滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。隨著運(yùn)行時(shí)間延長，這種問題越來越嚴(yán)重。有些廠家為了回避這個(gè)問題，調(diào)高了油溫報(bào)警的限值，但給齒輪箱的潤滑造成危害。齒輪箱的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)浸沒在油池中，若油池溫度過高，必然會(huì)導(dǎo)致齒面在工作時(shí)的基礎(chǔ)溫度過高，油膜潤滑效果變差，齒面很容易出現(xiàn)膠合現(xiàn)象。

二、縮短齒輪箱及潤滑油使用壽命

按照潤滑油的生產(chǎn)廠家以及行業(yè)內(nèi)專業(yè)機(jī)構(gòu)公開的研究結(jié)果，齒輪油這類全合成潤滑油的平均使用溫度每提高十度，齒輪油的使用年限會(huì)減少將近一半的時(shí)間。潤滑油長期在相對高溫的環(huán)境運(yùn)行，將導(dǎo)致油品加速氧化，粘溫性能改變。油液在氧化后發(fā)泡特性逐步增強(qiáng)，造成油膜剛度減小、油品潤滑特性變差、齒面磨損和軸承磨損加劇，進(jìn)而導(dǎo)致齒輪箱傳動(dòng)效率下降、齒面點(diǎn)蝕以及軸承磨損后的齒面偏載，極大地減少齒輪箱使用壽命。

三、惡化齒輪箱運(yùn)行環(huán)境

隨著齒輪箱運(yùn)行效率降低，超溫現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重，風(fēng)電機(jī)組對環(huán)境的適應(yīng)能力更差，同等氣象條件下風(fēng)電機(jī)組限負(fù)荷時(shí)間逐年增加。

四、影響機(jī)艙整體通風(fēng)能力

較高的齒輪箱油溫將導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙整體冷卻能力嚴(yán)重不足，出現(xiàn)機(jī)艙溫度明顯高于環(huán)境溫度的現(xiàn)象，溫差越大說明冷卻系統(tǒng)存在的問題越嚴(yán)重。此外，高溫導(dǎo)致機(jī)艙內(nèi)電氣元件更容易老化，引發(fā)其他故障，到了夏季高溫期間，風(fēng)電機(jī)組各種電氣設(shè)備故障頻發(fā)，這些問題的出現(xiàn)都跟冷卻系統(tǒng)的能力不足有關(guān)系。

高溫原因分析

一、齒輪箱運(yùn)行效率降低

齒輪箱廠配套的潤滑系統(tǒng)，其中包含一臺(tái)鋁管鋁翅片冷卻器以及油泵、過濾器、管道等。以1500kW機(jī)組為例，冷卻器的設(shè)計(jì)功率一般為47kW，設(shè)計(jì)條件為環(huán)境溫度低于40℃，齒輪箱的傳動(dòng)效率大于97.5%時(shí)可以保證齒輪箱的油溫維持在75℃以下。隨運(yùn)行時(shí)間的加長，齒輪箱運(yùn)行效率降低，發(fā)熱量增加，散熱器功率不能滿足散熱需求。

二、實(shí)際散熱效果下降

散熱器進(jìn)風(fēng)口溫度和環(huán)境溫度差值過高，實(shí)測值超過10℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)額定值5℃，由于散熱器阻塞、風(fēng)道設(shè)計(jì)不佳等原因致使散熱器進(jìn)風(fēng)口空氣溫度過高。

三、冷卻風(fēng)扇流量不能達(dá)到設(shè)計(jì)值

該案例中的冷卻風(fēng)扇設(shè)計(jì)風(fēng)量為15900m3/h，經(jīng)過實(shí)際測試，在配套冷卻器一起組裝后，實(shí)際風(fēng)量只有10500 m3/h，不能滿足冷卻器冷卻潤滑油的功率要求。

四、散熱翅片結(jié)構(gòu)不合理

空氣側(cè)翅片阻力大，容易阻塞。油道的內(nèi)翅片密集，也容易積存雜質(zhì)，造成內(nèi)循環(huán)阻力增加，進(jìn)一步減小了循環(huán)倍率，冷卻能力持續(xù)下降。

五、散熱器的進(jìn)口環(huán)境溫度高于設(shè)計(jì)最大允許值45℃

（1）機(jī)艙內(nèi)發(fā)熱源較多，熱量無法及時(shí)地排出艙外；

（2）機(jī)艙內(nèi)外不能實(shí)現(xiàn)有效熱交換，使得機(jī)艙溫度持續(xù)升高，在齒輪箱過熱報(bào)警時(shí)，機(jī)艙內(nèi)溫度可能還未達(dá)到最高值。

處理方案

一、更改散熱器結(jié)構(gòu)，增加散熱功率、減小空氣流通阻力

原散熱器翅片采用鋸齒型翅片，中間有突出的翅片結(jié)構(gòu)，污物通過性能較差，特別是柳絮類的污物容易停留在翅片內(nèi)部，并且極不易清洗。改變外翅片通風(fēng)通道模式，優(yōu)化翅片選型，將易堵塞的鋸齒型翅片更換成防污性較好的淺波紋型翅片。從圖1可以看出，波紋型翅片的污物通過性能較好，左圖為現(xiàn)運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組外翅片結(jié)構(gòu)形式，右圖為改型后的外翅片結(jié)構(gòu)形式，改進(jìn)后的散熱片具有較強(qiáng)的防堵能力。

二、更換齒輪箱冷卻風(fēng)扇

風(fēng)冷卻器風(fēng)量由所選葉片決定，在保證葉片所需軸功率不超過電機(jī)功率、葉片安裝接口尺寸一致的前提下，通過專用葉片選型軟件的計(jì)算，對葉片重新選型優(yōu)化得到合理的葉片形狀參數(shù)，包括角度和曲率。經(jīng)過優(yōu)化后新葉片的排風(fēng)量可增加25%左右。風(fēng)冷卻器排風(fēng)量的增加除了能改善風(fēng)冷卻器的散熱性能，還能改善機(jī)艙內(nèi)通風(fēng)環(huán)境，加速機(jī)艙內(nèi)空氣循環(huán)，降低機(jī)艙內(nèi)空氣溫度，對齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變頻器等的散熱都有好處。

改造前后對比分析

根據(jù)上述改造方案，對某風(fēng)電場進(jìn)行現(xiàn)場改造，改造前后的對比分析如下：

一、改造前運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

采集改造前從2016年2月14日至7月25日共162天的數(shù)據(jù)，在此期間環(huán)境平均溫度19.35℃，機(jī)艙平均溫度31.24℃，齒輪箱平均油溫61.75℃，其中1462個(gè)點(diǎn)油溫大于75℃，平均溫度達(dá)76.6℃。將剔除后的數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制功率散點(diǎn)圖如圖2所示。

圖1 改造前后翅片對比

攝影：梁家輝

在現(xiàn)場的機(jī)組測試中，根據(jù)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合功率曲線計(jì)算，由于該1500kW機(jī)組齒輪箱油溫超過75℃，限功率造成的機(jī)組發(fā)電量損失約為44040kW。自2月14日至7月25日發(fā)電量總計(jì)為838038kW。由油溫高導(dǎo)致的功率損失約為機(jī)組發(fā)電量的5%。

圖2 改造前功率散點(diǎn)圖

圖3 機(jī)艙溫度與環(huán)境溫度的差值

圖4 同環(huán)境溫度同功率對比齒輪箱油溫

表1 各溫度區(qū)間的齒輪箱平均油溫

二、改造后機(jī)組運(yùn)行情況分析

采集改造后從2016年7月31日至11月1日共94天的數(shù)據(jù)，在此期間環(huán)境平均溫度22.53℃，機(jī)艙平均溫度30.14℃，齒輪箱平均油溫55.3℃。 改造后未出現(xiàn)由于齒輪箱油溫高帶來的限功率問題。

（一）更換風(fēng)扇前后散熱器進(jìn)口溫度與環(huán)境溫度的差值對比分析

機(jī)艙溫度為散熱器入口溫度，機(jī)艙溫度越低，散熱器冷卻效果越好。而機(jī)艙發(fā)熱量和散熱器通風(fēng)效果是影響機(jī)艙溫度的兩個(gè)主要因素。機(jī)組情況已經(jīng)確定，同功率下的機(jī)艙發(fā)熱量基本不變，影響機(jī)艙溫度的主要因素即為散熱器通風(fēng)量。圖3所示為技改前后機(jī)艙溫度與環(huán)境溫度的差值隨功率的變化趨勢。通過散點(diǎn)圖發(fā)現(xiàn)，在相同功率的情況下，技改后機(jī)艙溫度與環(huán)境溫度差值明顯降低，說明機(jī)艙通風(fēng)情況明顯改善，帶來機(jī)艙內(nèi)部其他設(shè)備的散熱情況也相應(yīng)改善。

（二）技改前后齒輪箱油溫對比分析

圖4為同環(huán)境溫度下，對比同功率下的齒輪箱油溫。根據(jù)散點(diǎn)圖顯示，技改后的齒輪箱油溫明顯低于技改前，環(huán)境溫度越高差異越明顯。

10℃≤T＜15℃，改造前后的油溫基本相同；

15℃≤T＜20℃，改造前后的油溫差為4.19℃；

20℃≤T＜25℃，改造前后的油溫差為5.38℃；

25℃≤T＜30℃，改造前后的油溫差為9.68℃；

30℃≤T＜35℃，改造前后的油溫差為10.91℃；

35℃≤T＜40℃，改造前后的油溫差為19.82℃（該區(qū)間改造后的數(shù)據(jù)較少，不確定度較大）。

經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證，改造后未發(fā)生由于油溫高導(dǎo)致的限功率問題，發(fā)電量提升約5%，按利用小時(shí)數(shù)每年2000小時(shí)、電價(jià)0. 5元/千瓦時(shí)計(jì)算，僅此一項(xiàng)優(yōu)化單臺(tái)機(jī)組即可增加年收益7.5萬元。

結(jié)論

本文重點(diǎn)分析了齒輪箱油溫高問題產(chǎn)生的原因，并據(jù)此提出相應(yīng)的改造方案。從實(shí)施效果來看，改造后的機(jī)艙溫度降低明顯，機(jī)艙內(nèi)其他部件散熱情況得到明顯改善，電子元器件使用壽命增加，大大降低了因高溫、部分潤滑不良、部件損壞等情況導(dǎo)致的機(jī)組停機(jī)，提高了機(jī)組安全性、穩(wěn)定性、可靠性，提升了機(jī)組可利用率和發(fā)電效益。

攝影：車傳江