風電機組齒輪箱油溫高原因分析及解決方案

華銳風電科技（集團）股份有限公司 陳淑娜 孫 廣 程 維 田 帥

1 引言

目前，風力發(fā)電機組存在較多油溫高限功率問題，其中1.5MW機組各風場存在較多的夏季油溫高限功率問題[1]，3MW部分機組出現(xiàn)了冬季油溫高報故障問題，為解決這兩種不同的油溫高故障問題，對干河口第五風場出現(xiàn)夏季油溫高的1.5MW機組進行冷卻系統(tǒng)校核，對哈密風場出現(xiàn)冬季油溫高的3MW機組進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析，分別提出了不同的改造方案。

2 故障描述

甘河口第五風場機組進入夏季時，有部分機組出現(xiàn)油溫高限功率情況，調(diào)取2014年9月15日的數(shù)據(jù)（平均風速11.3m/s，風場不限功率），對機組運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)有35臺機組出現(xiàn)過油溫高限功率現(xiàn)象，其余機組運行良好。

哈密苦水某風電場3MW風力發(fā)電機組自2014年投產(chǎn)以來，每到秋、冬季節(jié)就會大批量報齒輪箱進油溫度高故障，累計達22臺，只要現(xiàn)場風速在6m/s以上，風機不限負荷運行時，就會報故障停機，嚴重影響了發(fā)電量和經(jīng)濟效益。

3 原因分析

3.1 夏季油溫高原因分析

3.1.1 機艙系統(tǒng)熱平衡分析

太陽輻射使機艙吸收的熱量。Q1=S×α×G=21.8kW；其中玻璃鋼材料的吸收比：α=0.507；太陽輻照強度：G=1000W/㎡（甘肅地區(qū)夏天中午太陽的光照強度）；機艙的等效直射面積取S=43㎡。

齒輪箱表面散熱量。齒輪箱表面散熱量：Q2=αG×A×（toil-troom）=11.06×18.6×25=5.14kW；其中齒輪箱傳熱系數(shù)：αG=11.06W/（m2K）；空氣速度系數(shù)：fx=1；齒輪箱最高油溫：toil=75℃；機艙環(huán)境溫度：troom=50℃；齒輪箱表面面積：A=18.6㎡。

機艙內(nèi)其他零部件自身散熱量。發(fā)電機表面散熱量：Q31=2.3kW；變頻器散熱量：Q32=2.3kW；驗證機艙熱平衡。當環(huán)境溫度40℃時，機艙溫度50℃，額定風速下，在不考慮機艙內(nèi)外換熱前提下，機艙內(nèi)部總熱量Qall為：Qall=Q1+Q2+Q31+Q32=31.54kW。根據(jù)《實用供熱空調(diào)設計手冊》[2]中公式7.3-1，計算機艙內(nèi)達到熱平衡時的溫度：TEQ=3600×Qall/（Cair×Lcool×ρair）+troom=47.6℃。其中，冷卻風扇流量：Lcool=12000 m3/h；空氣密度：ρair=1.225kg/m3；空氣比熱容，Cair=1.005，KJ/（kg·℃）。綜上，當環(huán)境溫度為40℃，機艙溫度為47.6℃時，機艙內(nèi)基本達到熱平衡狀態(tài)，計算結(jié)果與實際情況基本相符。

3.1.2 齒輪箱冷卻系統(tǒng)校核

為評估齒輪箱潤滑冷卻系統(tǒng)的散熱能力，對冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件散熱器進行校核。冷卻系統(tǒng)參數(shù)：潤滑油流量V=105L/min；齒輪箱損耗率PV=46kW；齒輪箱表面散熱量Q2=5.14KW。

甘河口第五風場選用OK-EL10L散熱器，流量在105L/min時，散熱能力POK-EL10L=1.66kW/℃，（備注：該數(shù)值根據(jù)試驗結(jié)果確定，含1.1倍安全系數(shù)）。

圖1

計算油冷散熱板需要達到的散熱能力為：

式中：

P01——冷卻能力，kW/℃；

toil——冷卻器進油口溫度，℃；

troom——機艙環(huán)境溫度，℃。

流量校核[3]，冷卻系統(tǒng)需要達到的流量V01為：

式中：潤滑油流量V01,L/min；冷卻器進口最大油溫度toil=75℃；冷卻器出口油溫度toil-out=60℃；潤滑油密度ρoil=0.8449g/ml；潤滑油比熱Coil=2.075kj/kg·℃。

綜上，潤滑系統(tǒng)流量105L/min，有13%富余量，泵流量選擇合適。

3.1.3 綜合評估

當環(huán)境溫度≤40℃，機艙溫度＜47.6℃時，在散熱板不被堵塞的情況下，機組不會出現(xiàn)限功率情況，冷卻系統(tǒng)滿足風場使用要求。

但實際情況是，在風電場出現(xiàn)油溫高問題的機組中，除了少量是因為油濾堵塞、傳感器問題、溫控閥損壞、安全閥損壞及環(huán)境溫度高于40℃等原因，絕大多數(shù)都存在油冷散熱片表面和板翅通道堵塞現(xiàn)象，進而導致散熱能力下降。因此散熱能力下降是導致油溫高的重要原因。

3.2 冬季油溫高原因分析

該風場機組在夏季大風、高溫工況下未報油溫高故障，可排除冷卻系統(tǒng)散熱能力不足的問題，在冬季溫度較低時，且冷卻回路打開時，報油溫高故障。

綜合分析，系統(tǒng)內(nèi)部阻力較大是導致油溫高報故障的主要原因：冬季，環(huán)境溫度較低，高溫油液被迅速冷卻，齒輪油黏度隨溫度變化較大，越靠近冷卻器出油口油溫越低，黏度越大，使得芯體內(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，冷卻器設計余量大等綜合因素，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，從而引起齒輪箱油溫高。

4 改造方案及效果分析

4.1 夏季油溫高改造方案

被改造風機應具備下列條件：一是風機無故障，可正常運行，風場無限功率情況；二是為確保油冷系統(tǒng)正常運行，需更換新的溫控閥、濾芯、散熱器需要從機艙拆下徹底清洗干凈或更換新的散熱片；三是選擇臨近或者發(fā)電量相近的風機進行改造。

圖2 串聯(lián)散熱器方案

圖3 并聯(lián)散熱器方案

圖4 串/并聯(lián)示意圖

4.1.1 串/并聯(lián)散熱器方案

在原有散熱器前部并聯(lián)一個散熱器，增加原有系統(tǒng)散熱能力。

表1

在冬季，因齒輪箱涉及低溫啟動問題，需要對散熱器進行并聯(lián)裝配。原散熱器散熱能力從1.66kW/℃下降至1.15kW/℃，新并聯(lián)的散熱能力為0.9kW/℃，總散熱能力為2.05kW/℃，總散熱能力提升23%。

散熱器的總散熱功率為：

在夏季齒輪箱不存在低溫啟動，可選擇對散熱器串聯(lián)方案，熱油先經(jīng)過新增散熱器冷卻，再進入原散熱器冷卻，新增散熱器能降低溫度10℃，散熱器的總散熱功率為：P串=P新增×（toil-troom）+POK-EL10L×（toil-troom-10）=54.4kW。其 中，散熱功率P串，kW；冷卻器進口溫度toil=75℃；機艙環(huán)境溫度troom=50℃；串聯(lián)散熱器的散熱能力提升。

綜上，串并聯(lián)能大大提升齒輪箱的散熱能力，串聯(lián)方案比并聯(lián)方案散熱能力明顯高8%。

4.1.2 軸流風機方案

在機艙尾部增加軸流風機往機艙內(nèi)吸風，可有效增加機艙內(nèi)部的空氣流通，降低機艙內(nèi)空氣溫度。風機配有防雨罩，防止雨水和雜物進入機艙。

軸流風扇方案對機艙控制柜及柜內(nèi)期間降溫效果明顯，可降低約5℃。

4.1.3 油冷風道方案

圖5 軸流風機方案

圖6 油冷風道

罩兩側(cè)增加兩個獨立風道，風道入風口在油冷散熱器兩側(cè)，出風口位置保持不變，增加獨立風道后，使油冷散熱器的冷卻介質(zhì)由機艙內(nèi)部空氣變?yōu)闄C艙外部空氣，冷卻介質(zhì)溫度降低更有利于提高散熱器的散熱效果，并且可以避免齒輪箱散發(fā)的油氣對散熱板的污染。

采用此方案的兩臺機組10min數(shù)據(jù)對比如下：

由表2可以看出，在相同的風況，并且發(fā)電量基本相同時，安裝風道的199#風機的油溫比197#風機低8℃，機艙溫度低9℃。

表2

圖7為199#風機與其附近三臺機組，分別為205#、207#、198#，9～10月底數(shù)據(jù)對比。

圖7 199#、205#、207#、198#，數(shù)據(jù)對比

圖8 波紋式散熱片

由圖7可見，相鄰機組油溫高情況明顯，199#機組油溫較低，未報故障。

4.1.4 更換散熱片方案[4]

散熱片采用抗污染設計，降低散熱器內(nèi)、外污染導致的散熱器性能下降，從而減少現(xiàn)場清洗散熱器的頻率，即使工況惡劣導致出現(xiàn)了一定程度的污染，通過簡單的吹掃即可最大程度都地恢復散熱性能，從而有效減少目前現(xiàn)場出現(xiàn)的清理后不久再次出現(xiàn)報警的現(xiàn)象。

效果分析：調(diào)整后，散熱器的散熱性能基本可以滿足現(xiàn)場的絕大部分工況，在機艙內(nèi)空氣溫度不超過45℃的工況下，可實現(xiàn)全時段滿功率運行，避免高溫報警現(xiàn)象，散熱器的散熱效果比原散熱器產(chǎn)品提高15%；調(diào)整后，散熱器的清理周期明顯延長，清理難度下降。

4.2 冬季油溫高改造方案

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：

4.2.1 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)整如表3所示。

表3

4.2.2 更換散熱片

安裝接口尺寸不變，芯體厚度增加；翅片板間距加大；油主通道由80mm寬調(diào)整為60mm寬。

4.2.3 效果分析

改造后，風機不再冬季報油溫高故障，且夏季高溫大風工況下，也未出現(xiàn)高溫故障，圖9為改造后兩臺機組在冬季和夏季的運行數(shù)據(jù)。

圖9 優(yōu)化后40#風力發(fā)電機冬季運行數(shù)據(jù)

圖10 優(yōu)化后50#風力發(fā)電機冬季運行數(shù)據(jù)

圖12 優(yōu)化后50#風力發(fā)電機夏季運行數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文通過對1.5MW機組出現(xiàn)的夏季油溫高現(xiàn)象和3MW機組出現(xiàn)的冬季油溫高現(xiàn)象逐一進行分析，得出了油溫高產(chǎn)生的原因，并制定了不同的改造方案，并具體實施進行驗證，驗證結(jié)果證明，兩套改造方案可有效解決油溫高現(xiàn)象，對進一步研究和解決齒輪箱過溫問題提供了更加有利的方案。