（上海敏泰液压股份有限公司 上海市 201299）
摘要：齿轮箱是风电机组中的核心部件，也是风电机组中最为昂贵的部件。齿轮箱润滑系统的能量传递介质是高粘度齿轮油，齿轮油的性能直接影响风电机组润滑系统的性能，控制好油液的工作温度又是润滑系统正常工作的前提条件。
本文以某2MW风电机组为例，从齿轮箱高温故障的原因出发，对风机机舱、齿轮箱风冷换热器和防尘装置进行优化设计，并在风机实际运用中取得成效。
关键词：风力发电；风电机组；风冷换热器；铝制板翅式芯体；轴流风机；防尘装置
1.引言
如今，电力已是现代文明的象征，一个国家的人均用电量往往是该国经济发展水平的标志。仅依靠煤、石油、天然气和核能发电已面临资源枯竭和环境污染的双重压力，已不能适应世界人口和经济持续发展的需要。特别是近年来我国为应对雾霾，2014年三部委下发的《能源行业加强大气污染防治工作方案》中提出的中期目标“2017年，非化石能源消费比重提高到13%”、远期目标“能源消费结构调整和总量控制取得明显成效”，为新能源和可再生能源的发展提供了有利条件。根据可再生能源发展规划，国家提出2020年全国风电总装机容量达到3000kW。中国科协副主席陆延昌更是断言，我们再生能源发电的重点是风电，陆上风电资源约为2.53亿千瓦，沿海风电资源约为7.5亿千瓦，总计约10亿千瓦。这些都充分说明风力发电在提倡能源清洁化的今天，正逐步成为电力行业中不可或缺的一员，我国风电市场具有十分广阔的发展前景。
但是，由于我国大部分风场都建设在比较偏远的地方（见图1：中国风能资源分布及部分风电场分布图），风场的环境大都比较恶劣，其中很大部分的风场土地沙化比较严重，空气中的尘土密度较大；少数风场植被稀疏，但是这些植被每年春、夏季会产生絮状物（如柳絮、沙葱絮、胡杨絮等）。这些尘土和絮状物会堵塞风电机组齿轮箱润滑系统的冷却装置——风冷换热器，特别是夏季高温环境条件下，换热器的换热能力下降，从而导致齿轮箱油液温度升高，影响风电机组的正常运行。
图1：中国风能资源分布及部分风电场分布图
而主机厂家为了减少外部工况中尘土、絮状物的影响，部分风机会采用相对比较密闭的塔筒和机舱结构设计，但是由于齿轮箱、发电机、变压器、变频器等机械和电气部件在风机运行过程中会产生较大热量，而它们所处的机舱内和塔底平台又是相对封闭的、狭小的空间，产生的热量不能顺利排出，就会使机舱内的温度升高，配套风冷换热器的换热能力无法达到预期，最终引起齿轮箱油池温度或者发电机水温超温报警，风电机组限功率运行或者停机，导致风电机组的设备利用率和经济效益下降。
在风机的正常运转中，通常润滑系统的温度保护范围设定如下：
齿轮箱轴承温度——限功率 85℃/停机 90℃；
齿轮箱油温——限功率 75℃/停机 80℃。
当两者中任一温度超过其对应的限功率温度时，限功标志为1，同时限功积分开始，积分周期为5min。在限功率运行过程中，温度仍然呈上升趋势，达到停机温度时就会导致停机保护，风机停止运行。
2.齿轮箱风冷换热器的设计步骤
风电机组的齿轮箱油温控制是由电加热器和冷却器共同实现，在大多数情况下，由于系统发热，油温通常高于规定运转温度，大部分时间需要冷却器对系统进行冷却以控制油温。风冷换热器采用的铝制板翅式芯体（以下简称“芯体”）因为结构紧凑、体积小、换热效率高，配套轴流风机和异步电机，可以实现较高风量、风压的特点，在风机齿轮箱润滑冷却系统中有着广泛应用。
该2MW齿轮箱风冷换热器是齿轮箱润滑冷却系统中的一部分，它水平安装在齿轮箱上的支架上面、采用吸风方式。风冷换热器的结构尺寸受整个系统布置的影响，换热量由齿轮箱的效率决定，设计流程如图2所示。
该2MW齿轮箱风冷换热器采用强制风冷，即芯体作为散热组件、电机带动轴流风扇形成强制气流以达到冷却效果的换热器。芯体的结构如图3所示，内翅片和复合板、封条组成油侧通道，外翅片和复合板、封条组成风侧通道，齿轮油侧采用锯齿形翅片、空气侧采用波纹形翅片，翅片结构如图4所示。
图2：风冷换热器设计流程图
图3：芯体结构示意图
图4：翅片结构图
2MW齿轮箱润滑系统的设计输入参数如下表1。
表1：2MW齿轮箱润滑系统设计输入
根据系统参数的要求和外形尺寸限定，考虑到当地工况条件，风冷换热器的设计输出如下表2。
表2：2MW齿轮箱风冷换热器设计输出
3.齿轮箱高温故障的原因分析
该2MW风机所处地理位置为山东境内的山地丘陵地带，属于温带季风气候，夏季高温多雨、冬季寒冷干燥，春、夏季节会产生大量絮状物（柳絮、杨絮），不可避免的进入到风机塔筒和机舱的内部。通过实地调查，对该风电机组的机舱状况、齿轮箱风冷换热器的布置和机舱内外温度、风速测试等情况的综合分析，从机舱进出风和风冷换热器的角度出发，齿轮箱润滑冷却系统高温故障的原因主要有以下几点：
3.1 机舱设计密闭性高
风机的机舱设计时考虑到了当地夏季雨水多、絮状物多的状况，所以机舱设计的密闭性高，如图5、6、7、8所示。
3.2 芯体堵塞
如图9所示，齿轮箱润滑系统的风冷换热器安装在齿轮箱上部，底部距离齿轮箱上部约100~150mm，芯体迎风面有明显油污、飞絮物堵塞。
有研究表明，齿轮箱风冷换热器的芯体风道堵塞物主要是灰尘和絮状物，而它们进入风电机组内部的通道主要就是塔筒门和机舱的舱体缝隙。该风机塔筒门虽然做成了密闭型式，但是运维过程中舱门开启还是会有絮状物进入机舱，且由于齿轮箱的风冷换热器采用吸风方式（即，风从机舱内部吹向机舱外部），这样在风电机组实际运行过程中，机舱内灰尘和絮状物就会向上吸附在芯体上面；再加上齿轮箱所在机舱内部有润滑点喷射或挥发形成的油污，也会吸附在芯体上，从而堵塞换热器的风道翅片、降低冷却风速，影响系统散热（如图10所示）。
该2MW风机现场实测的数据如下：
●机舱顶部、风机叶轮处进风位置检测风压约-10~+3Pa，存在少量负压；
●机舱正常运行时，风冷换热器迎风面的风速仅1.5~2.1m/s；
●风机吊装口、顶部出舱口打开，风冷换热器迎风面的风速2.1~2.8m/s（约有一半的百叶窗无法正常打开）；
●百叶窗人工固定、完全打开，风冷换热器迎风面的风速2.6~3.2m/s；
●风冷换热器的芯体风道翅片堵塞比较明显；
●机舱内外的温差约8~10度。
●以上情况显示，机舱内存在少量负压、进风不足、内外温差大、风冷换热器的芯体堵塞是导致齿轮箱润滑系统油温高温报警甚至停机的原因。
●因此，齿轮箱润滑冷却系统高温报警的解决方案从以下3个方面入手：
●机舱改进；
●风冷换热器的换热能力提升；
●芯体的防尘。
4.机舱改进
根据风场的运行数据，夏季环境温度高、风速大、持续时间长，风电机组处于高功率运行时，齿轮箱、发电机、变压器、变频器等机械和电气部件会产生较大热量，而它们所处的机舱内和塔底平台又是相对封闭的、狭小的空间，产生的热量不能顺利排出，就会使机舱内的温度升高，加之环境温度较高，导致风电机组高温故障率增加、影响风机运行甚至停机。所以，改善机舱的通风状况、降低机舱内外温差是提高风机运行效率、降低高温故障切实有效的方式、
按照风机厂家的设计理论，机舱和塔架的通风系统一般要求内外环境温差控制在5℃以内，有利于改善塔架和机舱的空气流通、有效降低机组运行温度，确保机组的正常运行。机舱通风量的核算公式如下：
式中：
V舱 ——机舱所需的全面通风量，单位 m3/h
S ——通风系统安全系数，一般取1.5
舱 ——机舱内发热总量，单位kW
tmax ——机舱最高允许温度，单位℃
t0 ——机组运行环境最高温度，单位℃
Cp ——机舱最高允许温度对应的空气比热容，单位kJ/（kg.K）
ρ ——机舱最高允许温度对应的空气密度，单位kg/m3
4.1 塔筒门、塔架平台通风系统改进
通过在塔筒门上增加百叶窗和轴流风机、增加塔架平台通风孔、加大塔架平台和塔筒的间隙，来提升塔架底部的通风性能。
4.2 机舱通风系统改进
在机舱罩底部增加通风口，尾部安装2个轴流风机。轴流风机的排风量满足机舱通风量，通过进风口、轴流风机和出风口使机舱内部与外界形成良好的空气交换和热量传递，有效降低机舱内部温度。
4.3 增加机舱空-空冷通风装置
机舱内的热空气流过空-空热交换器，与外循环风道的冷空气进行热量交换，冷却后的空气通过内循环风道的出口回到机舱，从而实现机舱内温度的控制。通常情况下，空-空冷通风装置的布置如图11、12所示。
5.风冷换热器的换热能力提升
对于已经投入运行的风机，机舱通风系统的改进难度比较大、涉及范围比较广。因此，该2MW风机齿轮箱润滑系统切实可行的改善方案就是提升齿轮箱风冷换热器的换热能力，根据现场的实测数据和客户最小改进需求，我们给出的改善建议是主要物料不变、提高电机功率、转速和提升轴流风扇性能，风扇性能对比如图13所示。
图13：风扇性能对比
对比调整前后的参数信息如下：
从上表可以看出：虽然风冷换热器的芯体没有改变，但是由于电机功率和转速的提升，风扇可以在保持直径不变的基础上，大幅提升风量-风压性能，从而弥补风冷换热器在机舱内风量和换热能力的损失，保证齿轮箱润滑系统的正常运行。
当然，对于新的风机来讲，在安装空间许可的前提下，可以通过加大芯体的迎风面面积、选择传热系数和阻力合适的翅片规格、适当调整芯体油、风通道的翅片高度和翅片间距，来满足所需的换热面积和降低系统阻力；在此基础上，可以通过综合评估风量、风压和噪音等性能参数来选取合适规格的风扇，匹配相应的电机功率、转速等参数，使得风冷换热器更好地满足客户对系统性能和耗电量等方面的需求。
6.芯体的防尘
从目前风电机组的运行情况来看，风机运行一定时间后，芯体的堵塞是导致齿轮箱风冷换热器风速和风量降低、换热能力下降、齿轮箱油温高温报警的主要原因之一。
由于芯体是铝制板翅式结构，外露风道翅片一旦堵塞比较难以清理干净，因此近年来各个风场除了加大日常运维时对芯体的清理维护，也不断寻求通过增加防尘装置的措施设法改善，并取得了一定成效。目前常见的几种防尘装置如下：
6.1 简易防尘装置
在芯体的表面覆盖过滤网，采用强力磁铁、框架结构等方式固定。这种方法虽然简便易行，并且过滤网便于拆卸、清理或者更换，但是由于过滤网几乎紧贴在芯体的迎风面，过滤网的目数大无法起到良好的过滤效果，目数小会增加芯体的通风阻力、风量下降，仍会造成风冷换热器的换热能力下降，引起超温报警；
6.2 抽拉式防尘装置
这是我们为2MW风电机组的齿轮箱风冷换热器设计的一款防尘装置，其结构如图14所示。防尘装置用金属板制成骨架和滑槽，过滤采用金属编织网和骨架焊接组成，滑槽上安装有多个滚动轴承，运维时可以直接拆掉固定的螺栓，将其抽拉取出，便于清理维护。由于防尘装置距离芯体的迎风面有一定高度（视安装的空间尺寸而定，一般最少≥芯体厚度），相对而言，过滤网的目数对芯体的通风阻力影响会减小，定期运维可以起到防尘作用的同时也尽量减少对风冷换热器的换热能力影响。
图14：2MW齿轮箱风冷换热器追加防尘装置装配示意图
我们在工厂内使用电机和风叶改进后的2MW风冷换热器进行无尘测试，对比风冷换热器不装防尘装置和配置10目、20目防尘装置后进风风速的变化（数据见表3），来判定防尘装置对换热器的影响。
表3：2MW齿轮箱风冷换热器配置防尘装置测试数据
从测试数据可以看出，使用防尘装置不可避免会对风冷换热器的进风风速、换热能力产生影响。从整个系统的换热平衡、电量消耗角度来看，使用过滤网的目数低，风量和换热能力损失小，相对风机运行过程中需要进行运维的周期可以长一些；但反过来讲，如果风冷换热器的换热能力余量充足、电量消耗许可，使用过滤网的目数可以高一些，虽然风量和换热能力损失明显，但是对于风机运行工况中灰尘和絮状物的防堵塞效果会更好，当然这必然需要缩短运维的周期。
所以，选择哪种规格的防尘装置，需要综合评估风机的实际状况、换热器的换热能力、芯体的翅片规格、安装空间尺寸等因素，选取适合的规格和结构形式。
6.结论
综上所述，齿轮箱润滑冷却系统在风电机组中具有重要的作用，为解决现场高温报警的问题，可以通过机舱的设计优化提升通风能力，改善机舱内外温差大的状况；可以提升风冷换热器的换热能力，克服因进风不足、风阻增大等因素对系统换热能力的影响；可以通过增加防尘装置，减少灰尘、絮状物等直接堵塞芯体，便于后期运维。通过这些措施的实施，可以更好地保证风电机组齿轮箱润滑冷却系统正常运行，提高风机运行效率和经济效益。
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论文作者:霍明莉,高峰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第24期
论文发表时间:2017/12/18
标签：齿轮箱论文; 换热器论文; 机舱论文; 风机论文; 机组论文; 风电论文; 系统论文; 《电力设备》2017年第24期论文;