風力發電機組齒輪箱油溫高原因及散熱改造方案分析

張上

摘 要：通過論述風力發電機組齒輪箱油溫高的原因及存在的危害，結合齒輪油散熱系統工作原理，提出了相應的解決方案和措施。風電場根據實際情況選擇合理的處理方案，可有效降低齒輪箱油溫，避免齒輪油超溫停機，延長齒輪箱整體使用壽命。

關鍵詞：風力發電機組；齒輪箱；油溫高；散熱器

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.18.036

風能是太陽能的一種轉換形式，是清潔的可再生能源，風力發電不依賴礦物能源，無環境污染，沒有燃料價格風險，發電成本穩定，且蘊藏巨大、分布廣泛。近年來，風電裝機容量快速發展，為企業帶來了顯著的經濟效益和社會效益，但也面臨一些設備問題，比如，風機齒輪箱過溫問題在多種機型上都有出現，在某些機組上更為突出，相關人員一直未找到有效的解決方案，因此，找出一種經濟、實用的改造辦法顯得非常有必要。

1 研究對象

本文的研究對象為1.5 MW風電機組，風機部件主要包括風輪、齒輪箱（油-空冷卻系統）、雙饋感應發電機、變頻器和塔筒。圖1所示為風電機組結構圖。

圖1 風電機組結構圖

2 齒輪油散熱系統的工作原理

齒輪油散熱系統的工作原理為：①機組啟動，齒輪箱低速油泵工作，當齒輪油溫高于40 ℃時，齒輪箱高速油泵工作；②當齒輪箱油溫高于55 ℃或高速軸軸承溫度高于70 ℃時，溫控閥關閉，散熱器開始自動工作，潤滑油經過散熱器冷卻后再進入齒輪箱；③當齒輪油溫降到45 ℃且高速軸軸承溫度低于65 ℃時，散熱器自動停止工作，潤滑油直接經溫控閥進入到齒輪箱強制潤滑；④當齒輪油溫高于75 ℃或高速軸軸承溫度高于90 ℃時，風機限負荷運行。⑤當齒輪油溫高于80 ℃或高速軸軸承溫度高于95 ℃時，風機自動停機。圖2所示為齒輪油散熱系統的工作原理圖。

圖2 齒輪油散熱系統的工作原理圖

3 散熱系統設計核算

一般情況下，行業標準要求新齒輪箱設計的機械效率不低于97%.在標準條件下應達到的其他指標如下：

最大發熱功率：Pv=（1-η）×Pe=0.97×1 520 kW=1 474.4 kW。

HYDAC散熱器散熱能力參數：

OK-EL10L（新版）：當流量為100 L/min時，散熱能力為1.65～1.67 kW/℃。

根據HYDAC產品手冊《Oil/Air Cooler Units》計算油冷散熱板要求達到的散熱能力：

. （1）

式（1）中：P01為冷卻能力，kW/℃；T1為期望最高油溫，取75 ℃；T3為機艙環境溫度（吸入空氣），取45 ℃。

當機艙環境溫度為45 ℃ 時，油冷系統的散熱能力還有約9%的安全余量，在正常運行情況下，可滿足風力發電機組齒輪箱的散熱要求。

4 齒輪箱過溫的原因

齒輪箱過溫的原因主要有以下幾點：①齒輪箱的傳動效率降低，發熱量增大。②溫控換向閥失效，導致部分流量不經過散熱器而直接回到齒輪箱。③散熱片有漏油或滲油現象出現，灰塵會快速黏附堵塞散熱片，降低散熱能力。④散熱片設計不合理。為增大散熱面積，散熱片設計采用了交錯排列的翅片，當環境空氣中有大的灰塵顆粒、楊絮、柳絮時，易堵塞，使通風量減小，冷卻效率下降。⑤齒輪油質量因素。油品劣化，潤滑油中金屬顆粒、氧化生成物、水分等超標，使潤滑質量下降，發熱量增大，導致過溫。⑥設計使用環境與實際使用環境有差異，比如環境溫度、機艙溫度影響等。

5 齒輪箱過溫的危害

齒輪箱過溫的危害主要有：①頻繁限功率，嚴重者過溫停機，待油溫冷卻重啟風機，損失發電量；②降低潤滑油的黏度，油膜變薄，導致齒輪、軸承等機械磨損加快或疲勞點蝕；③油溫持續過高，加快齒輪箱溫度敏感元件的老化，降低機組的整體使用壽命。

6 散熱改造方案及分析

6.1 采用專用清洗劑

方案：采用散熱片專用清洗劑清潔，可有效清除油污、灰塵及附著物，提高散熱效果。

分析：適用于油液污染，散熱片灰塵、柳絮堵塞清理，恢復散熱能力。但當齒輪箱效率下降時不能完全解決溫度過高的問題。

6.2 增大散熱風扇的通流量

方案：①更換散熱風扇葉片及電機，提高散熱通風量；②通過采取變頻措施，提高風扇電機頻率，增加轉速，提高通風量。

分析：未有效提高散熱片的當量冷卻功率，當齒輪箱效率下降時，不能完全解決溫度過高的問題。

6.3 增大油泵功率

方案：更換油泵電機、油泵，增大油泵功率，提高油循環能力。

分析：更換油泵單元工作量較大、經濟性差，可能帶來系統的匹配問題，不建議采用。

6.4 加裝前置濾網

方案：在散熱片的下方（進風口）加裝前置濾網，防止柳絮、楊絮、灰塵等堵塞散熱片。

分析：在一定程度上緩解了飛絮的迚入，但濾網密度的選擇很重要，如果選擇不當，很可能改變靜壓差，降低通風量；濾網需定期清洗或更換。這個方案同樣無法解決齒輪箱效率下降后散熱量不足的問題，可以作為其他方案的補充措施。

6.5 加裝散熱器獨立冷卻風道

方案：在機艙內部增設獨立油冷風道，使油冷散熱器的冷卻介質由機艙內部空氣變為機艙外部空氣，冷卻介質溫度降低有利于提高散熱器的散熱效果；避免齒輪箱散發的油氣對散熱板造成污染，保證散熱器的清潔，同時確保油冷散熱器的散熱能力。

分析：由于機艙內熱輻射、太陽照射等因素，無法形成通流，即便解決了齒輪箱的問題，也因此造成機艙溫度過高，進而引起控制柜等溫度過高等次生問題；需在機艙加裝軸流風機，這對機艙整體結構、穩定性影響較大，同時要考慮軸流風機位置安裝的可行性。

6.6 優化升級散熱片

為提高通風效率，縮小散熱器的面積，設計時散熱器采用了帶“翹翅”的冷卻結構。該結構在提升散熱能力的同時，不可避免地造成了柳絮等雜質容易附著在散熱片上，導致散熱片堵塞。

方案：更換新型散熱板，只替換原有散熱板，散熱能力比原散熱板要強，且柳絮、楊絮不易掛在散熱板縫隙中。

分析：新型散熱板散熱功率比原賀德克散熱片提高了約10%，滿足設計散熱能力；柳絮、楊絮不易掛在散熱板縫隙中，塵土不易附著，在一定的塵附條件下仍保證足夠的散熱能力；更換簡單，易操作，可有效解決堵塞問題，從而達到少清洗或免清洗的目的；適用于柳絮、楊絮、灰塵引起的過溫問題，散熱效率一般，不能完全解決溫度過高的問題。

6.7 新增小容量獨立散熱器

方案：增加一個獨立散熱器，將其固定在主機架上，配合原散熱器工作，油路采用串聯（或并聯）聯接。

控制方式1：使用原散熱器控制信號，在原散熱器的基礎上再增加一條回路，共用一個控制信號；新增散熱器使用獨立電源，實現與原散熱器同時開斷，并在保護回路上相對獨立。

控制方式2：為提高新加散熱器的利用率，要求提供一個PLC上的控制點，根據油溫度、機艙溫度、軸承溫度情況，通過主控程序控制新加的散熱器啟動或停止；需與主機廠協商，開放一個PLC輸出點，并寫入控制程序。

分析：散熱效率可提高20%～30%，安裝簡單、方便，易操作，能夠解決齒輪箱效率降低的問題；，新增PLC控制點可減少新散熱器的啟動時間，減少耗電量，提高利用率及冷卻器壽命。適用于過溫嚴重的風電場。

6.8 新增大容量獨立散熱器

方案：增加一個大容量的散熱器，其結構類似于方案6.7，綜合散熱能力提升超過40%.

分析：即使原冷卻器部分堵塞，仍能解決溫升問題。但該方案的不足是成本過高，雖然性能較好，但性價比不高，且安裝空間受限，只適用于過溫非常嚴重的風電場。

各方案的優勢、劣勢和適用情況如表1所示。

表1 各方案的優勢、劣勢和適用情況

方案名稱 優勢 劣勢 適用情況

采用專用清洗劑 施工容易，成本低 散熱效果一般 油液污染、附著物堵塞

增大散熱風扇

的通流量 施工容易，成本低 散熱效果一般 一般過溫情況

增大油泵功率 施工容易，油泵功率增大 存在匹配問題 不建議采用

加裝前置濾網 施工容易，成本低 降低通風量 灰塵、柳絮堵塞情況

加裝散熱器

獨立冷卻風道 成本低，效率提升較大 引起機艙過溫 機艙已安裝軸流風機

優化升級散熱片 施工容易，成本適中 散熱效果提升一般 灰塵、柳絮堵塞情況

新增小容量

獨立散熱器 散熱效果提升20%～30% 增加PLC控制點 過溫較嚴重的情況

新增大容量

獨立散熱器 散熱效果提升超過40% 施工難度大，成本高 過溫非常嚴重的情況

7 結束語

以改善齒輪箱散熱效果為目的，本文結合齒輪油散熱系統的工作原理，提出了多種改造方案，并進行了經濟性、實效性對比、分析。風電場根據自身設備情況選用合適的改造方案，可有效降低齒輪箱油溫，避免齒輪油超溫停機，延長齒輪箱整體使用壽命。

風力發電機組是一個非常復雜的系統，造成齒輪箱油溫過高的因素較多，本文只探討了發生超溫后如何有效散熱問題，并沒有研究造成齒輪箱油過溫的內部本質原因，比如齒輪箱摩擦增大、傳動效率降低等，在后續工作中我們將不斷深入研究這方面的問題。

〔編輯：劉曉芳〕