摘要：通过论述风力发电机组齿轮箱油温高的原因及存在的危害，结合齿轮油散热系统工作原理，提出了相应的解决方案和措施。风电场根据实际情况选择合理的处理方案，可有效降低齿轮箱油温，避免齿轮油超温停机，延长齿轮箱整体使用寿命。
关键词：风力发电机组；齿轮箱油温；散热改造方案
风能是太阳能的一种转换形式，是清洁的可再生能源，风力发电不依赖矿物能源，无环境污染，没有燃料价格风险，发电成本稳定，且蕴藏巨大、分布广泛。近年来，风电装机容量快速发展，为企业带来了显著的经济效益和社会效益，但也面临一些设备问题，比如，风机齿轮箱过温问题在多种机型上都有出现，在某些机组上更为突出，相关人员一直未找到有效的解决方案，因此，找出一种经济、实用的改造办法显得非常有必要。华锐 1.5MW（型号为 SL1500）风机在现场运行时，经常出现高速轴高温报警或油池油温高报警，风机不得不降功率运行，导致风机的发电量不足，运行效率低和风场经济效益差。风场均要求对其进行技术改造，提高风机发电量和运行效率，改善风场经济效益。
1 研究对象
本文的研究对象为 华锐 1.5MW（型号为 SL1500） 风电机组，风机部件主要包括风轮、齿轮箱（油-空冷却系统）、双馈感应发电机、变频器和塔筒。
2 齿轮油散热系统的工作原理
齿轮油散热系统的工作原理为：①机组启动，齿轮箱低速油泵工作，当齿轮油温高于 40 ℃时，齿轮箱高速油泵工作；②当齿轮箱油温高于 55 ℃或高速轴轴承温度高于 70 ℃时，温控阀关闭，散热器开始自动工作，润滑油经过散热器冷却后再进入齿轮箱；③当齿轮油温降到 45 ℃且高速轴轴承温度低于65 ℃时，散热器自动停止工作，润滑油直接经温控阀进入到齿轮箱强制润滑；④当齿轮油温高于 75 ℃或高速轴轴承温度高于 90 ℃时，风机限负荷运行。⑤当齿轮油温高于 80 ℃或高速轴轴承温度高于 95 ℃时，风机自动停机。图 2 所示为齿轮油散热系统的工作原理图。
3.齿轮箱过温的原因
齿轮箱过温的原因主要有以下几点：①齿轮箱的传动效率降低，发热量增大。②温控换向阀失效，导致部分流量不经过散热器而直接回到齿轮箱。③散热片有漏油或渗油现象出现，灰尘会快速黏附堵塞散热片，降低散热能力。④散热片设计不合理。为增大散热面积，散热片设计采用了交错排列的翅片，当环境空气中有大的灰尘颗粒、杨絮、柳絮时，易堵塞，使通风量减小，冷却效率下降。⑤齿轮油质量因素。油品劣化，润滑油中金属颗粒、氧化生成物、水分等超标，使润滑质量下降，发热量增大，导致过温。⑥设计使用环境与实际使用环境有差异，比如环境温度、机舱温度影响等。
4齿轮箱过温的危害
1) 齿轮箱机械效率低
华锐1.5MW风机齿轮箱采用的是HYDAC的润滑冷却系统，HYDAC的润滑冷却系统是针对国外齿轮箱设计的，国外齿轮箱的机械效率都＞97%，其发热功率低于50kW/h，能够满足国外齿轮箱的正常运行。但是此风机使用的国产齿轮箱，国产齿轮箱由于齿轮加工精度等问题，机械效率一般都比国外齿轮箱要低很多， 基本上机械效率都不到97%，其发热功率一般都大于50kW/h，因此，HYDAC的润滑冷却系统在国内如不经过技术改造很难满足风机的全功率发电要求，这是整个设备在发电时，齿轮箱高温报警的主要原因之一。风机长期运行后，由于齿轮箱中齿轮的磨损，其机械效率也会下降，导致运行过程中发热严重。
2) 机舱设计不合理
华锐1.5MW风机机舱设计不合理，与外部环境无法进行足够的空气交换，由于机舱内发热元件太多，产生的热量都积存在机舱内部，导致机舱内部环境温度高达45℃，严重影响散热器的换热效率，这也是导致齿轮箱油温温升较高的一个主要原因之一。
3) HYDAC 散热器的换热容量偏小
HYDAC 润滑系统的散热器总成是针对国外齿轮箱的机械效率设计的，并且设计参考的环境温度一般是35℃，极限不超过40℃，由于机舱环境温度已经达到 45℃，远远满足不了齿轮箱的散热要求。
4) 散热器冷却风量不足
由于机舱设计不合理，经现场测试发现，散热器在工作时，机舱内存在比较严重的负压，反映出散热器工作时，冷却风量不足，换热效率低，导致齿轮箱高温报警。
3 改造途径
从上面的分析可知，改造途径可以从下面三个方面进行考虑：
1) 提高风冷却器的换热能力。从华锐 1.5WM 风机齿轮箱润滑系统原理图可知，要提高润滑系统的换热能力就必须提高风冷却器的换热能力，提高风冷却器换热能力从两个方面进行解决：增加换热器芯体的换热面积提高冷却风扇的冷却风量.
2) 控制机舱内部环境温度。机舱内环境温度升高超过极限值，换热器总成的换热效率会大幅度降低，因此，控制机舱内部的环境温度，也能够提高换热器总成的换热能力，降低主轴轴承的温升，控制齿轮箱油池的温度升高。华锐 1.5MW 风机的机舱由于设计缺陷，机舱与外部通风口面积设计得比较小，造成在现有冷却风扇的能力下进风能力不足，使换热器的换热能力下降严重，这样更促进了机舱内部环境温度的升高，极易引发高温报警。控制机舱内部环境温度，从理论上来说有三种措施：
a) 加大机舱与外部环境的通风面积。由于机舱结构强度要求，加大机舱与外部环境通风面积，就要削弱机舱强度，存在较大的安全风险，在 2012 年，****公司曾邀请该风机的机舱制造公司专门对此作过风险评估，评估结果是否定的。
b) 提高换热器冷却风扇的吸风能力。提高换热器冷却风扇能力，能够一定程度提升机舱与外部环境的压差，加大空气流通能力，抑制机舱环境温度的升高。
c) 在塔筒门上加装风扇。在塔筒门上的百叶窗处加装一个风扇，使风扇强制向塔筒内送风，增加机舱的进风能力，由于百叶窗尺寸限制，大约每小时能够向机舱输送 3000m3/h，可以缓解机舱内环境温度的升高。
3) 改善换热器结构。由于我国风机大多是在柳絮或杨絮比较多的环境下使用，再加上进入机舱的空气未加过滤网进行过滤，造成换热器芯体极易堵塞，芯体通风量下降，换热效率降低，因此，改善换热器结构，使芯体不易堵塞，柳絮、杨絮易于清理，也极有利于降低风机故障，提高风机利用率。
4) 换热器上设置旁通压力阀。在换热器上设置一个 6bar 开启的旁通压力阀,有利于风力发电机在冬天冷启动时对齿轮箱进行保护和环境温度低时保证风机正常可靠地运行。
4 结束语
以改善齿轮箱散热效果为目的，本文结合齿轮油散热系统的工作原理，提出了多种改造方案，并进行了经济性、实效性对比、分析。风电场根据自身设备情况选用合适的改造方案，可有效降低齿轮箱油温，避免齿轮油超温停机，延长齿轮箱整体使用寿命。风力发电机组是一个非常复杂的系统，造成齿轮箱油温过高的因素较多，本文只探讨了发生超温后如何有效散热问题，并没有研究造成齿轮箱油过温的内部本质原因，比如齿轮箱摩擦增大、传动效率降低等，在后续工作中我们将不断深入研究这方面的问题。
参考文献
[1] 郭鹏, David Infield, 杨锡运. 风电机组齿轮箱温度趋势状态监测及分析方法[J]. 中国电机工程学报, 2011, 31(32):129-136.
[2] 秦大同, 周志刚, 杨军,等. 随机风载作用下风力发电机齿轮传动系统动态可靠性分析[J]. 机械工程学报, 2012, 48(3):1-8.
[3] 王旭东, 林腾蛟, 李润方,等. 风力发电机组齿轮系统内部动态激励和响应分析[J]. 机械设计与研究, 2006, 22(3):47-49.
论文作者:杜格根,王昶旭,田力勇
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/11
标签：齿轮箱论文; 机舱论文; 风机论文; 换热器论文; 换热论文; 机械效率论文; 散热器论文; 《电力设备》2018年第17期论文;