風力發(fā)電機組齒輪箱冬季油溫高故障分析與處理

陳淑娜，李東，田帥

1.華銳風電科技（集團）股份有限公司，北京，100872；2.國材（北京）檢測認證服務(wù)有限公司，北京，100037

0 引言

隨著風電技術(shù)的快速發(fā)展，風電裝機容量越來越大，齒輪箱是風力發(fā)電機組的核心部件之一，由于結(jié)構(gòu)的特殊性以及在復雜工況下承受各種復雜載荷，需要對齒輪箱的油溫、油壓、油位、噪聲和振動、功率、轉(zhuǎn)速等進行監(jiān)控，確保風電齒輪箱的性能是各廠家極為關(guān)注的問題。風力發(fā)電機組在夏季出現(xiàn)油溫高比較常見，但某風場3MW風力發(fā)電機組，在夏季運轉(zhuǎn)正常，而在冬季批量出現(xiàn)齒輪箱油溫高報故障，機組控制系統(tǒng)一旦監(jiān)測到齒輪箱油溫高于最大值，便會報故障，并限功率運行，導致風機在低溫大風工況下功率不到額定功率的1/2。針對此問題，本文通過對該風場多臺機組運行數(shù)據(jù)進行追蹤分析，發(fā)現(xiàn)了問題的關(guān)鍵原因，提出了一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，徹底解決了機組冬季油溫高限功率的問題。

1 齒輪箱發(fā)熱形式與潤滑冷卻系統(tǒng)原理

1.1 發(fā)熱形式

齒輪箱發(fā)熱形式主要有以下兩種：

（1）由摩擦副在運行過程中產(chǎn)生的摩擦功率損失，主要包括齒輪嚙合引起的功率損失和支撐軸承摩擦生熱引起的功率損失；（2）傳動機構(gòu)攪拌潤滑油產(chǎn)生的功率損失。

1.2 潤滑冷卻系統(tǒng)

齒輪箱運行中會產(chǎn)生大量熱量，熱量會通過熱傳導形式引起齒輪箱內(nèi)零部件和潤滑油溫度升高，齒輪箱箱體表面的散熱量非常有限，需要通過潤滑冷卻系統(tǒng)循環(huán)吸收多余的熱量。風力發(fā)電機組齒輪箱冷潤滑冷卻系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其主要由油泵-電機組（4）、安全閥（6）、組合過濾器（11.1、11.2、12）、溫控閥（13），風冷油換熱器（14）以及管路（1.1-1.5）構(gòu)成；泵的吸油管與齒輪箱用軟管相連，回油口與齒輪箱也用軟管相連。

工作原理如下：齒輪箱潤滑系統(tǒng)工作時，油泵-電機組（4）向系統(tǒng)提供壓力潤滑油，當系統(tǒng)壓力超過安全閥（6）設(shè)定壓力值時，安全閥打開，齒輪油直接通過安全閥回流至齒輪箱油池內(nèi)，避免油壓過高破壞系統(tǒng)中其他元器件，當過濾器濾芯壓差大于設(shè)定值（如3.5bar）時，濾芯上的單向閥打開，齒輪油只通過50微米粗濾，當齒輪箱油溫升高，濾芯壓差≤3.5bar時，潤滑油經(jīng)過10微米（11.1）和50微米（11.2）兩級過濾。當齒輪箱油溫低于45℃時，齒輪油經(jīng)過溫控閥低溫回路到達齒輪箱分配器，當齒輪油箱溫度達到 45℃時，溫控閥（13）開始動作，油液一部分經(jīng)仍然經(jīng)過低溫回路到達分配器，另一部分經(jīng)高溫回路經(jīng)油冷風扇（14）冷卻后到達齒輪箱分配器，直至溫度上升至60℃，溫控閥低溫回路關(guān)閉，高溫回路全開，油液全部流經(jīng)風冷油換熱器（14）后再進到齒輪箱進行潤滑；當冷卻器（14）的壓差達到 6bar 時，旁通閥（5.3）開啟，齒輪油不經(jīng)散熱器器而直接進到齒輪箱。

1.3 風冷油換熱器傳熱原理

風冷油換熱器通常采用翅片結(jié)構(gòu)[1]，傳熱效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，風電行業(yè)較為常用的是鋸齒型翅片、波紋型翅片。

根據(jù)傳熱學[2]，傳熱過程是指熱量從壁面一側(cè)的流體通過壁面?zhèn)鞯搅硪粋?cè)流體的過程，傳熱過程中所傳遞的熱量如下：

式中：

?1——潤滑油傳遞給翅片的熱流量，W；

?2——冷卻空氣帶走的熱流量，W；

C ——潤滑油的比熱容，J/（kg·K）；

M ——潤滑油的質(zhì)量流量，kg/s；

tf1——熱交換器進口油溫（K）；

tf2——熱交換器出口油溫（K）；

A——熱交換器散熱片的表面積，m2；

h——熱交換器散熱片表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/（m2·K）；

tf3——隔板與潤滑油接觸內(nèi)表面的溫度（K），與潤滑油的油溫和流速成正比；

tf4——熱交換器散熱片與空氣接觸外表面溫度（K）。

根據(jù)換熱器的特點，可近似認為?1與?2實時相等。

1.4 額定換熱量計算

由換熱器傳熱原理可知，齒輪箱滑油冷卻系統(tǒng)的如果要滿足熱平衡狀態(tài)，熱交換器的換熱量?1或?2應(yīng)該等于齒輪箱自身產(chǎn)生的熱量?。3MW風電機組齒輪箱設(shè)計要求齒輪箱運行效率不低于97%，綜合考慮齒輪箱、發(fā)電機和變頻器的效率損失，可得齒輪箱輸入軸功率約為3300kW，在機組額定運轉(zhuǎn)工況下，齒輪箱自身產(chǎn)生的熱量Q=3300kW×3%=99kW。從而在熱交換器設(shè)計過程中，額定散熱量應(yīng)不低于99kW才能滿足使用要求[3]。

2 齒輪箱冬季油溫高問題分析

2.1 潤滑系統(tǒng)機艙內(nèi)布置形式

該風場3MW機組潤滑冷卻系統(tǒng)在機艙內(nèi)的布置形式如下圖2所示。

2.2 硬件故障排查

首先對潤滑系統(tǒng)硬件進行故障排查，排除溫控閥故障、散熱片堵塞、濾網(wǎng)堵塞、齒輪油品降低、機械部件磨損、溫度傳感器故障、濾芯污染等原因[4,6]。除個別機組因為溫控閥失效引起油溫高外，其余機組均未發(fā)現(xiàn)硬件故障。據(jù)現(xiàn)場反饋，夏季該風場潤滑冷卻系統(tǒng)冷卻效果明顯優(yōu)于附近的其他風機，無報高溫故障。

2.3 運行數(shù)據(jù)分析

對該風場多臺機組近一年運行數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)該風場油溫高現(xiàn)象在夏季大風高溫情況下并未出現(xiàn)，而是出現(xiàn)在冬季低溫大風情況下，圖3和圖4為該風場40#、50#機組在2017.5.1-2018.5.1一年的運行數(shù)據(jù)：

在2017年7月份左右，在環(huán)境溫度35℃以上，風速15m/s以上工況下，齒輪箱油溫均低于75℃，而在2018年2月份左右，在環(huán)境溫度-18℃，風速18m/s工況下，齒輪箱油溫接近80℃。

2.4 故障分析

潤滑系統(tǒng)通過溫控閥控制油液流向，在油溫低于溫控閥開啟溫度時，油液全部通過低溫回路進入齒輪箱分配器入口，隨著油溫逐漸升高油液全部通過冷卻器回路，進行冷卻后再進入齒輪箱分配器，冷卻器放置在機艙尾部，吸入外界空氣進行熱交換后排出機艙，當溫度極低時，高溫油液被迅速冷卻，越靠近冷卻器出油口油溫越低，齒輪油粘度隨溫度變化較大，低溫時粘度急劇增大，使得換熱器芯體內(nèi)部阻力大大增加，加之分配器入口阻力較大、潤滑管路較長等綜合因素，產(chǎn)生較大阻力，進而導致系統(tǒng)溢流閥開啟，一部分流量未經(jīng)冷卻直接回流至齒輪箱[7]，整體系統(tǒng)流量不能全部回至齒輪箱分配器，從而引起齒輪箱油溫高。

綜合分析系統(tǒng)內(nèi)部阻力較大，是導致報油溫高的主要原因，阻力較大的原因為：風冷油換熱器設(shè)計余量大，潤滑管路長，在冬季低溫工作時，油液被迅速冷卻，齒輪油運動粘度會隨著溫度的降低而逐漸增大，并且溫度越低粘度增加得越快，粘度的增加導致油品的流動性變差，由于粘度與溫度之間是指數(shù)關(guān)系，因此溫度越低，液體的粘度增加越快[3,5]，如下圖5所示。

從而造成齒輪油不能充分被冷卻，故而報故障。

3 解決方案

3.1 優(yōu)化方案

該方案是基于整體安裝結(jié)構(gòu)不變、物料盡可能少變動的原則進行調(diào)整，具體實施方案如下：

3.1.1 調(diào)整冷卻參數(shù)

根據(jù)齒輪箱理論計算發(fā)熱量和當?shù)貙嶋H環(huán)境溫度，調(diào)整如下表1所示。調(diào)整為60mm寬，進出口位置外移；

?

3.1.2 更換散熱片[1]

安裝接口尺寸不變，根據(jù)調(diào)整后的冷卻參數(shù)重新設(shè)計芯體，厚度由95mm增加到113mm；翅片版間距加大，增加迎風面積；油主通道由80mm寬；

3.1.3 調(diào)整吸風溫度[2]

在冬季溫度較低時，打開冷卻器支架上的人孔門，將冷卻器由艙外吸風調(diào)整為艙內(nèi)吸風。

3.2 優(yōu)化后運行數(shù)據(jù)分析

見圖9-12。

4 結(jié)語

本文著重分析了某3MW機組齒輪箱冬季油溫高產(chǎn)生的原因，并據(jù)此提出相應(yīng)的改造方案，對改造前后運行數(shù)據(jù)進行對比分析，改造后的散熱器，既解決了冬季油溫高限功率情況，又滿足夏季大風高溫工況下的散熱需求，有效解決了齒輪箱冬季油溫高限功率的問題，對于該系列風電齒輪箱冬季油溫高具有重要的指導意義。

針對本文所研究風電機組存在的系列問題，在后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計不僅要考慮冷卻能力不足的問題，還要充分考慮過冷的問題，將散熱余量控制在合理范圍內(nèi)對，從而提升機組設(shè)計的合理性。