芻議某廠家1.5MW機型風電機組潤滑油冷卻系統

文 | 明艷英，李興國，朱振東

芻議某廠家1.5MW機型風電機組潤滑油冷卻系統

文 | 明艷英，李興國，朱振東

截至2014年底，我國安裝風電機組76241臺，累計裝機容量1.14609億千瓦，1.5MW機組占不同功率機組累計裝機容量的61%。

某廠家裝機臺數較多，裝機容量較大，在制造商排名中名列前茅，1.5MW機型市場保有量大。該1.5MW機型風電機組存在齒輪箱潤滑油夏季溫度高問題，導致機組降負荷或停止運行，影響安全生產，浪費清潔能源，產生較大經濟損失。

本文對其潤滑油冷卻系統進行分析，力求找出產生問題的原因，為解決問題提供依據。

簡介

一、風電機組

機組類型：常溫型

額定功率：1.5 MW

額定風速：11 m/s

切入風速：3 m/s

切出風速：20 m/s

額定轉速：17.4 rpm

發電機額定速度：1810 rpm

葉輪直徑：77.4 m

輪轂高度：80 m

罩體尺寸：10162×3642×3782mm

支撐筒直徑：φ3282mm

二、齒輪箱

齒輪箱是將風輪轉化的動能傳遞給發電機并使其達到所需要轉速的傳動機構，由兩級行星和一級平行軸齒輪組成，三級傳動。

型號：PWE1577/PPSC1280

傳動比：—104

額定功率：1.7 MW

額定轉矩：933 kNm

外型尺寸：3698×1984×1684 mm

貯油量：600L

潤滑油牌號：mobilgear SHC XMP 320合成油

潤滑油比熱：1.88J/(kg·℃)

潤滑油密度：0.915kg/l。

油/風冷卻器生產單位：HYDAC賀德克

油/風冷卻器型號：OK-EL10L-S/2.1/400-50/SOXX RAL5003型（板翅式）

油/風冷卻器額定冷卻能力：63kW（油進口和空氣進口溫度差40℃，油泵流量105l/min）。

三、齒輪箱潤滑

齒輪箱主軸軸承為浸油潤滑，平行軸軸承和齒輪為 壓力潤滑，其余軸承和齒輪為壓力和浸油復合潤滑。齒輪箱貯存的潤滑油通過油泵加壓、過濾（或冷卻）后引入各潤滑點實現壓力潤滑，潤滑油壓不低于0.8bar。

油溫超過55℃，齒輪箱產生的熱量大于自然散失的熱量，潤滑油進入油/風冷卻器強制散失多余的熱量。此時，油泵額定轉速1450rpm，額定流量105l/min，電機功率6kW。

冷卻器安裝齒輪箱頂部，抽吸機艙內的空氣，機艙形成負壓，外界空氣滲入維護風量平衡。

由于齒輪箱、聯軸器、發電機等設備（元件）散熱，雖然油/風冷卻器連續排出機艙內高溫空氣，機艙空氣溫度也高于外界環境溫度。

為保證電氣元件安全工作，機組要求機艙溫度不能高于55℃。

齒輪箱要求具有較好的換熱環境；其它廠家類似機型機組要求，齒輪箱處空氣流速>3m/s，補充空氣溫度＜35℃。

齒輪箱要求：高速軸承溫度≥90℃度時，機組最高80%額定負荷運行，≥95℃停止運行。齒輪箱油溫≥75℃時，機組最高80%額定負荷運行，≥80℃停止運行。

機組產熱

機艙內連續產熱設備包括齒輪箱、聯軸器、發電機、變頻柜等，間歇產熱設備包括變槳裝置、巡航裝置等。影響齒輪箱潤滑油溫度的設備是齒輪箱、聯軸器、發電機和變頻柜等。

一、齒輪箱

我國規定，在額定工況下，對于三級平行軸或一級行星+兩級平行軸齒輪傳動的齒輪箱，機械效率應不小于97%；余下3%損耗功率轉化為產熱功率。

某廠家1.5MW機型機組齒輪箱由兩級行星+一級平行軸齒輪組成，結構略有差異，損耗功率估算：

行星齒輪傳動損耗率0.8%，兩級行星齒輪傳動損耗功率為27.2kW；

平行軸齒輪傳動損耗率0.85%，一級平行軸齒輪傳動損耗功率為14.45kW；

軸承傳動損耗率0.1%，不考慮行星架軸承，主軸2只和平行軸4只軸承傳動損耗功率為10.2kW；總損耗功率等于51.85kW。

折算機械效率96.95%，估算結果與我國規定相近，所以按機械效率97%計算齒輪箱產熱功率較為合理。齒輪箱產熱功率51kW。

為散失上述熱量，油泵需要高速運行，此時電機功率6kW，這部分功率轉化為熱能散失。

所以齒輪箱產熱能力是齒輪損耗功率和油泵功率之和，即57kW。

二、發電機和變頻柜

發電機為雙饋異步發電機，額定輸出（1810rpm）功率為1.52MW，速度范圍1000 rpm-2000rpm，效率≥97%，最大發電機損耗≤45kW，即發電機產熱能力45kW；

機艙中變頻柜和控制柜中的電氣、控制元器件，主要是3×500kW變頻器，在工作時產生大量的熱量，資料介紹產熱能力19 kW。

發電機全封閉式發電機，散熱能力差，要求機艙通風順暢，電機表面積灰能及時清除。變頻柜和控制拒內也要求建立良好的空氣流場。

三、聯軸器

聯軸器連接齒輪箱輸出軸和發電機輸入軸，傳遞動能，補償兩軸之間的軸向和角度偏差。

聯軸器一般采用德國CENTALINK聯軸器，屬彈性萬向聯軸器，允許軸向偏移±20mm，角度補償瞬時最大≤3.0°。

聯軸器兩端是“LINK”連桿，連桿一端與中間短軸連接，另一端與齒輪箱軸（或發電機軸）上法蘭連接。連桿主要部分是球型萬向軸承和緩沖襯套，利用這種結構補償兩軸之間的偏差。

一般情況下，彈性聯軸器傳動效率0.99%-0.995%，萬向聯軸器傳動效率（角度補償≤3°）0.97-0.98。考慮到CENTALINK聯軸器質量好，風電行業安裝和檢修水平高等特點，聯軸器機械效率取為0.995%，額定功率1.5 MW時，聯軸器損失功率1500×(1-0.995%)=7.5kW。

聯軸器旋轉的同時，擾動周邊空氣，將損失功率轉化為散熱功率，提高空氣溫度，所以聯軸器產熱能力7.5kW。

四、產熱總功率

機組產熱總功率就是上述齒輪箱、發電機和變頻柜、聯軸器產熱功率之和，即57+45+19+7.5=128.5kW。

產熱設備向機艙散熱

一、齒輪箱

齒輪箱散熱功率分析，限定機組滿負荷運行，油溫為最高允許溫度75℃，外界環境溫度35℃。

不考慮凸起的安裝環高度，近似考慮齒輪箱是3700×φ1600mm柱形，表面積S1=22.61m2。

壓力潤滑點分布在齒輪箱中上部，部分潤滑油飛濺到齒輪箱內壁，回流至齒輪箱下部油池。在油池儲油和飛濺油的共同作用下，箱體表面溫度較為均勻。向機艙散熱見公式1。

式（1）中：

P1-齒輪箱散熱功率/kW；

α1-齒輪箱表面對流換熱系數/W/(m2·℃)；對于對流不受妨礙的靜止空氣，概略值為15W/(m2.℃)-25W/(m2.℃)，由于齒輪箱具有較好的換熱環境，取25W/(m2·℃)。

t1-齒輪箱表面溫度/℃；取64.54℃（出/入油溫75/54.07℃）。

t2-機艙溫度/℃；取45℃（估算）。

齒輪箱散熱功率P1=11.05kW。

二、發電機和變頻柜

機組通過水/風冷卻器，散失發電機和變頻器產生的熱量；雖然水冷散失了大部分熱量，但發電機和變頻柜的外表面同時也向機艙散失熱量。

水/風冷卻器最高介質溫度70℃，發電機最高進水溫度50℃，變頻柜最高進水溫度45℃。

發電機呈φ900×1800mm筒形，表面積6.36m2，考慮變頻柜散熱，表面積達9m2。估算經驗值0.8kW/m2-1.2kW/m2，發電機和變頻柜散熱功率9kW。

三、聯軸器

上面計算可知，彈性萬向聯軸器機械效率0.995%，損失功率1500×(1-0.995%)=7.5kW。

聯軸器旋轉的同時，擾動周邊空氣，將損失功率轉化為散熱功率，提高空氣溫度。所以，聯軸器向機艙散熱功率7.5kW。

四、產熱設備向機艙散熱

產熱設備向機艙散熱總功率為上述齒輪箱、發電機和變頻柜、聯軸器向機艙散熱功率之和，即11.05+9+7.5= 27.55kW。

機組散熱

一、罩體

產熱設備向機艙散熱，加熱機艙空氣，提高空氣溫度；一部分熱量通過罩體散失到機艙外大氣中，一部分熱量通過油/風冷卻器排放到機艙外大氣中。罩體散熱見公式2。

式（2）中：

S2—罩體表面積/m2；170m2。

α1—對流換熱系數/W/（m2·℃），計算見公式3。

式（3）中：

αw—機艙外空氣與罩體的對流換熱系數，W/（m2·℃）；良好的強制對流換熱，取100W/(m2·℃)。

δ—罩體厚度/mm；8mm。

λ—罩體導熱系數/W/（m2·℃）；0.35W/（m2·℃），玻璃鋼材料。

αn—機艙內空氣與罩體的對流換熱系數，W/(m2·℃)；流暢的自然對流/6W/(m2·℃)。

計算可得：α1=5W/m2·℃

Δt1—機艙內外溫度之差/℃；10℃。

罩體散失熱量：8.5kW；

二、水/風冷卻器

發電機和變頻柜產熱能力為64kW，向機艙散熱9kW。

水/風冷卻器散熱55kW。

水/風冷卻器實際出力為額定出力的86%。

三、油/風冷卻器

機組產熱總功率128.5kW，罩體散熱8.5kW，水/風冷卻器散熱55kW，其余65kW需要油/風冷卻器散失。

齒輪箱發熱功率57kW，油/風冷卻器實際散熱65kW。

冷卻57kW發熱功率，機組配置63kW油/風冷卻器，冷卻65kW發熱功率，需要配置71.5kW油/風冷卻器。油/風冷卻器實際出力為額定出力的114%。

結論

油/風冷卻器額定出力63kW，實際散熱71.5kW，冷卻器選型偏小。

冷卻器選型偏小的原因是沒有考慮聯軸器、發電機和變頻柜向機艙散熱，扣除罩體散熱后，對冷卻器增加的散熱負荷。

齒輪箱發熱功率57kW，平衡散熱片污染導致的冷卻能力下降，額定冷卻能力為散熱功率的1.1倍，油/風冷卻器額定出力63kW。油/風冷卻器額定出力與實際出力65 kW相接近。這是冷卻器對污染敏感的原因。

油/風冷卻器即要排出機艙高溫空氣，又要冷卻潤滑油；這種“又背又抱”的工作方式，客觀上浪費了冷卻器的出力。油/風冷卻器額定出力63kW，通過冷卻器散失的熱量65kW，包括產熱設備向機艙散熱19.05kW，油/風冷卻器實際出力為額定出力的72.94%。

由于發電機和變頻柜向機艙散熱，水/風冷卻器實際出力小于額定出力。

油/風冷卻器是板翅式冷卻器，工作最佳空氣潔凈度30萬級，機艙空氣質量不能保證。

（作者單位：明艷英：阜新發電有限責任公司；李興國，朱振東：阜新美迪原環?？萍加邢薰荆?/p>