風電機組齒輪箱高溫問題處理分析

劉家慧

摘? ?要：隨著社會的飛速發展，我國電力需求與日俱增，電力供應壓力越來越大。尤其是近些年，隨著節能減排工作的順利開展，風能發電成為了緩解供電壓力的中堅力量。風電機組作為風力發電的核心設備，其高效、穩定地運行顯得尤為重要。但是，在實際運行過程中，由于多方面因素干擾，風電機組齒輪箱的冷卻效果不理想，即使經過反復清洗修理，齒輪箱的高溫問題仍未改善。本文將以1500kW風電機組為例，對洗輪箱的高溫問題以及處理措施進行分析探究。

關鍵詞：風電機? 齒輪? 高溫處理

中圖分類號：TG457.25? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（a）-0134-02

1? 齒輪箱高溫問題的影響

1.1 限制風電機組功率運行

齒輪箱溫度過高，會使風機低功率運行，甚至導致停機，這嚴重降低了風力發電機組的工作效率，造成極大的經濟損失。就目前而言，齒輪箱超溫現象時有發生，據不完全統計，每年浪費電量要高達發電小時數的5%～10%左右，更有甚者，達到數十萬瓦。而隨著運行時間增加，機組無法穩定帶滿負荷運行的問題越來越嚴重。面對這種情況，有些制造廠商私自更改齒輪油箱的最高溫度限定值，為潤滑系統的正常、穩定運行埋下了安全隱患。

1.2 降低齒輪箱與潤滑油的壽命周期

對于全合成潤滑油（如齒輪油等）而言，每當溫度提高10℃，齒輪油的使用壽命將隨之減少50%左右。而在持續高溫的環境下，潤滑油氧化速度加快，對其粘溫性造成影響，進而引起品變質、油耗變大等一系列問題。與此同時，在潤滑油氧化的過程中，其發泡特性不斷提升，導致油膜剛度降低，潤滑性能減弱，加劇齒面、軸承間的磨損，出現齒輪傳動失效、工作齒面偏載等現象，導致齒輪箱工作效率低下、使用壽命縮短。

1.3 減弱機艙的通風能力

齒輪箱溫度過高，將會嚴重影響風電機組的機艙冷卻能力，導致機艙與環境溫度差值較大。換言之，機艙溫度與環境溫度差值越大，意味著風電機組的機艙整體冷卻系統的問題就越大。同時，高溫環境下，機艙內電氣元件老化現象顯著，極易發生安全故障。尤其是在夏季等高溫氣候，風電機組的電氣故障現象頻發，這與冷卻能力低下脫不開關系。

2? 高溫原因分析

2.1 齒輪箱運行效率降低

齒輪箱的出廠潤滑系統主要有鋁管鋁翅片冷卻器、管道、油泵以及過濾器等。當發電機組功率為1500kW時，冷卻器的額定功率通常設計為47kW;設計條件如下：環境溫度<40℃，齒輪箱傳動功率>97.5%，齒輪箱溫度<75℃。當運行時間增加，齒輪箱無法實現滿載運行，且運行過程中產生大量熱量，導致散熱效果與散熱需求失衡。

2.2 實際散熱效果下降

環境溫度明顯低于散熱器進風口溫度，大約維持在10℃，這比設計值要高出一倍。在對散熱器阻塞、管道設計缺陷等諸多因素進行綜合考量后，散熱器進風口的溫度很可能還會增加。

2.3 冷卻風扇流量達不到設定值

在額定功率下，本文研究的風電機組的冷卻風扇的設定風量為15900m3/h。而在與冷卻器組合完成后，經測量，實際運行過程中的風量僅為10500m3/h，這顯然無法達到冷卻器的冷卻系統運行需求。

2.4 散熱翅片結構不合理

由于散熱器的空氣側翅片面受到較大阻力，極易引起阻塞問題。而油路管道內的翅片分布集中，造成雜質積累，提高內循環阻力，削弱了循環倍率，導致冷卻效果不佳。

2.5 散熱器的進風口溫度過高

散熱器進風口溫度在最大設計限值（45℃）以上，究其原因，主要有以下兩點：其一，風電機組運行過程中，機艙發熱量大，在有限時間內，無法全部快速排出;其二，風電機組的機艙內外的熱交換效果不佳，導致機艙溫度不斷增加。當齒輪箱發出溫度報警時，機艙內的溫度也許還在設計極限值以下。

3? 處理方案

3.1 調整散熱器結構

如圖1所示，改造前：散熱器的翅片結構是鋸齒形狀，在中間部位存在突出，不易于清理維修，影響排污效果，尤其是對柳絮狀污物極易殘留。改造后：翅片為淺波紋形狀，有效解決了堵塞問題，有助于提高散熱功率提、降低空氣阻力。

3.2 更換齒輪箱冷卻風扇

葉片是影響風冷冷卻器風量的重要因素。在滿足電機功率以及葉片安裝等要求的基礎上，應科學選擇葉片規格型號，并采取合理措施，不斷優化葉片形狀、角度以及曲率等參數。加大冷卻器排風量可以有效提升散熱器（風冷型）的散熱效果，同時還有利于改善齒輪箱機艙的作業環境，實現降溫作用。同樣，這對于發電機以及變頻器等電器元件的散熱降溫都是有益的。

4? 結論分析

4.1 改造前數據分析

環境溫度：19.35℃;機艙均溫度31.24℃;齒輪箱均溫度61.75℃。其中，油溫>75℃油溫點數為1462，平均溫度達到3124℃。由于在實際運行過程中，齒輪箱溫度在75℃以上，導致機組功率受限，造成高達4.4萬多千瓦的電量損失，相當于機組發電量的5%左右。

4.2 改造后風電機組的運行情況

4.2.1 更換風扇前后散熱器進口溫度與環境溫度的差值對比分析

散熱器的進風口溫度就是機艙的溫度，因此，散熱器的冷卻效果與機艙溫度成反比關系。機艙溫度越高，冷卻效果越差。而機艙溫度主要由運行散熱量、散熱器通風能力決定的。對于同一風電機組，機艙發熱量一般會保持不變。因此，散熱器的通風效果是影響機艙溫度的決定性因素。經實踐驗證，功率相同的條件下，改造后的風電機組，其機艙通風能力明顯提高，機艙內外環境的溫度差有效減小，其他元器件的散熱效果也有不同程度的提升。

4.2.2 改造前后齒輪箱油溫對比分析

環境溫度不同，齒輪箱的油溫也會存在一定差異。改造后，齒輪箱油溫有所降低，解決了因限功率造成的電量損失比重約為5%，該項優化措施增加的經濟收益在數萬左右。同時，環境溫度提高，齒輪箱箱改造前后的有溫差也會隨之增加。具體數據如表1所示。

參考文獻

[1] 楊旭東，王春秀，王佳偉，等.雙饋型風電機組齒輪箱更換方案的設計及應用[J].機械設計與制造，2019（1）：88-90，94.

[2] 李廣偉，趙登利，于良峰.風電齒輪箱潤滑系統故障分析及解決方案[J].風能，2015（11）：90-92.

[3] 孫昊.風電機組齒輪箱高溫問題處理分析[J].風能，2018（11）：84-87.