風電機組機艙環境溫度改善研究

陳子新 楊景明 孫紅凱 高 陽 衣麗葵

（1.大唐（赤峰）新能源有限公司，赤峰 024050；2.沈陽工程學院 電力學院，沈陽 110136）

1 研究背景

隨著世界能源的日漸匱乏、全球氣候的不斷變暖、人們環保意識的不斷增強，低碳經濟已經成為全球關注的重點[1]。風力發電具有低排放、低污染的低碳電力發展模式，成為電能可持續發展的重要戰略選擇之一。近年來，我國對能源的需求和環保要求力度的不斷加強，風力發電的優勢、經濟性和實用性等優點突出，使風電機組的裝機容量占可再生能源發電裝機容量的第一位。

風電機組是無人值守高空持續運行的大型復雜機械裝置，安裝地點環境惡劣，工作過程中會以摩擦、碰撞、電磁損耗等形式持續發熱。盡管風電機組配有散熱裝置，但是依然存在機艙環境溫度升高，引起潤滑油的潤滑水平降低、機艙管線老化加速甚至機艙爆燃等嚴重問題。為此，機艙內主要發熱部件軸承、齒輪箱、發電機等設定溫升閾值，超溫后風電機組主動實施停機避險。對大唐（赤峰）風電場統計，由于部件超溫引起的機組停機次數超過非正常停機總數40%以上，可見，機艙散熱問題仍然沒有得到有效解決，嚴重抑制了風電機組的可利用率及其成本的回收。風電機組機艙環境溫度過溫問題的研究集中在三方面：部件發熱的內因研究，許多學者通過模擬風力發電機，分析其溫度場的分布；風電機艙結構散熱性研究，馬鐵強等通過研究風力發電機組機艙布局及其在不同的散熱氣流組織形態下，機組的散熱效率不同，氣流與部件之間的熱耦合成為影響散熱的關鍵因素；風電機組工作環境對發熱影響的研究，SMAILI等通過研究極端溫度下風電機組機艙的熱性能，提供機艙冷卻系統的功率匹配[2-3]。

上述研究為控制風電機組機艙發熱、冷卻等問題奠定了基礎，但對于實際運行的風電系統來說，改善機艙環境降低機艙溫度，避免機組限功率運行，甚至被迫停機的研究，仍非常重要[4]。

2 機艙環境溫度過溫原因

2.1 冷卻系統自身問題

冷卻系統自身問題會導致機艙溫度過高。第一，冷卻器故障，如冷卻器內部電線短路、斷路、電機燒壞等均可導致風扇不運轉而影響散熱。第二，冷卻器散熱片上覆蓋大量的灰塵影響冷卻器的散熱，導致冷卻不足。第三，溢流閥是泄壓元件，應該在齒輪箱油溫低、壓力高時發揮作用。目前，發現油溫高時，溢流閥仍然有流油的情況，這樣會使經過冷卻的油量減少，部分油未經冷卻直接回到齒輪箱，導致整體冷卻不足，油溫偏高[5]。第四，冷卻不足引起油溫過高，使高速軸承溫度不能有效卸去，導致軸承溫度過高而引起機艙環境溫度升高。

2.2 潤滑系統不能充分發揮作用

潤滑系統不能有效發揮作用而導致機艙溫度過高。第一，打開后箱觀察蓋檢查軸承出油情況，發現出油很少則說明軸承的進油量不足。出現這種情況的原因主要有：進油孔設計太小導致進油不足；箱體進油孔與進油環進油槽錯位；油孔被雜質堵塞導致油量減少；進油孔油路未鉆通。第二，潤滑系統的壓力閥或溫控閥錯誤。在過濾器與齒輪箱的油管連接無誤的情況下，當油溫超過55℃，過濾器到油分配器的管子仍有流油，說明過濾器的溫控閥存在問題而影響散熱。第三，齒輪噴油不足或油孔沒有對準齒輪，都會導致齒輪溫度過高，進而使軸承溫度偏高。

3 機艙環境傳統處理方法

3.1 人工除塵

機艙環境傳統的除塵方法，通常是運維人員登上風電機組塔頂進行清潔。一般采用人力清掃機艙設備和齒輪箱的熱交換器，如果機艙環境溫度高，運維人員打開機艙天窗靠自然風散熱來降低機艙溫度。這樣做既耗費人力物力，停機時間又長，而除塵散熱效果有限，對齒輪箱熱交換器的清理治標不治本。同時，由于反復沖刷齒輪箱冷卻器的表面，嚴重影響了齒輪箱油冷風扇油路板的使用壽命。

3.2 采用大功率冷卻器

為避免齒輪箱過溫，可以通過提高潤滑系統的熱交換能力，增加系統中“風/油冷卻器”的當量冷卻功率，即在不改變原有油路及風機結構的情況下，設計更大功率的冷卻器，替換原來的冷卻器。

3.3 加裝一臺冷卻器

為提高潤滑系統的熱交換能力，在原有冷卻系統中增加一臺獨立的風冷式油冷卻器，配合原冷卻器工作，油路采用與原冷卻器相串聯的方式聯接。

4 機艙環境溫度的智能控制

為解決機艙環境傳統處理方法的不足，本文在風電機組中安裝機艙環境智能過濾降溫系統來改善機艙環境，降低機艙溫度。

機艙環境智能過濾降溫系統有6路溫度傳感器接入控制系統，分別布置在齒輪箱散熱器前端和后端、齒輪箱散熱器油管內循環和外循環、機艙柜外側、機艙外。當散熱器前端與后端的溫度差值小于10℃，證明散熱器散熱效果不好，散熱器存在灰塵造成堵塞，控制系統自動發送啟動命令給機艙除塵過濾裝置。機艙除塵過濾裝置框架采用德標50×50鋁型材，結構緊固，防震抗拉；過濾網采用空氣通透性好的304不銹鋼材質，不影響散熱器散熱效果。當控制系統發送給除塵過濾裝置中伺服電動機啟動信號，伺服電動機通過同步齒形帶帶動絲網導輪軸，自動更換過濾網。為保證過濾網一直處于被拉伸的狀態，不會傾斜而跑出軌道，過濾裝置上配備阻尼裝置，配合伺服電動機同時工作。

當齒輪箱油管外循環和內循環其中任一個溫度傳感器監測到溫度達到60℃，并且內循環溫度大于外循環溫度，證明溫控閥失效。當控制系統監測機艙溫度超過45℃時，說明機艙溫度高，控制系統向通風裝置的軸流風機發送啟動命令，當機艙溫度降低45℃以下，軸流風機停止工作。軸流風機采用一體式加厚鑄鐵風葉設計，強度高不易變形脫落，葉輪經過嚴格的動平衡校準具有良好的空氣動力性能，風量大噪音底，加厚鑄鐵外殼，表面高溫噴漆處理，耐磨損，抗腐蝕，重量輕，硬度高，抗震防摔，同時電機固定采用三角力學固定，可以有效減輕電機在運行過程中產生的震動，保證電機持續穩定安全運行。電機采用220V電壓供電，功率0.12kW，轉速可達到1450r/min，風量2000m3/h，做到低耗能、低噪音、高風量，降溫效果經過測試達到7.6℃。

5 經濟效益分析

風電場的風電機組每臺容量為1.5MW，每年由于高溫大風天氣導致風電機組停機約為10次，每次停機恢復平均時間8小時，每年每臺風電機組因風機環境污染、齒輪箱散熱不暢導致的油溫過熱停機損失電量可達120萬kWh。一個具有33臺的49.5MW容量的風電場，每年將損失電量3960萬kWh，按風電上網電價0.6元/千瓦時標準計算，每年損失237.6萬元。由此可見，風電機組安裝機艙環境智能過濾降溫系統后，改善機艙環境，降低機艙溫度，減少機組的停機次數，有效提高了風電機組的并網運行時間，提高風電場的發電量，進而提高風電場的經濟效益。

6 結語

風電機組安裝機艙環境智能過濾降溫系統后，極大改善了風電機組機艙環境，降低機艙溫度，切實保障風電場的安全運行，減少風機停機時間，保障風機利用率，提高風電場的運行效率和經濟盈利能力。