芻議某廠家1.5MW機(jī)型風(fēng)電機(jī)組潤(rùn)滑油冷卻系統(tǒng)

文 | 明艷英，李興國(guó)，朱振東

芻議某廠家1.5MW機(jī)型風(fēng)電機(jī)組潤(rùn)滑油冷卻系統(tǒng)

文 | 明艷英，李興國(guó)，朱振東

截至2014年底，我國(guó)安裝風(fēng)電機(jī)組76241臺(tái)，累計(jì)裝機(jī)容量1.14609億千瓦，1.5MW機(jī)組占不同功率機(jī)組累計(jì)裝機(jī)容量的61%。

某廠家裝機(jī)臺(tái)數(shù)較多，裝機(jī)容量較大，在制造商排名中名列前茅，1.5MW機(jī)型市場(chǎng)保有量大。該1.5MW機(jī)型風(fēng)電機(jī)組存在齒輪箱潤(rùn)滑油夏季溫度高問(wèn)題，導(dǎo)致機(jī)組降負(fù)荷或停止運(yùn)行，影響安全生產(chǎn)，浪費(fèi)清潔能源，產(chǎn)生較大經(jīng)濟(jì)損失。

本文對(duì)其潤(rùn)滑油冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析，力求找出產(chǎn)生問(wèn)題的原因，為解決問(wèn)題提供依據(jù)。

簡(jiǎn)介

一、風(fēng)電機(jī)組

機(jī)組類型：常溫型

額定功率：1.5 MW

額定風(fēng)速：11 m/s

切入風(fēng)速：3 m/s

切出風(fēng)速：20 m/s

額定轉(zhuǎn)速：17.4 rpm

發(fā)電機(jī)額定速度：1810 rpm

葉輪直徑：77.4 m

輪轂高度：80 m

罩體尺寸：10162×3642×3782mm

支撐筒直徑：φ3282mm

二、齒輪箱

齒輪箱是將風(fēng)輪轉(zhuǎn)化的動(dòng)能傳遞給發(fā)電機(jī)并使其達(dá)到所需要轉(zhuǎn)速的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由兩級(jí)行星和一級(jí)平行軸齒輪組成，三級(jí)傳動(dòng)。

型號(hào)：PWE1577/PPSC1280

傳動(dòng)比：—104

額定功率：1.7 MW

額定轉(zhuǎn)矩：933 kNm

外型尺寸：3698×1984×1684 mm

貯油量：600L

潤(rùn)滑油牌號(hào)：mobilgear SHC XMP 320合成油

潤(rùn)滑油比熱：1.88J/(kg·℃)

潤(rùn)滑油密度：0.915kg/l。

油/風(fēng)冷卻器生產(chǎn)單位：HYDAC賀德克

油/風(fēng)冷卻器型號(hào)：OK-EL10L-S/2.1/400-50/SOXX RAL5003型（板翅式）

油/風(fēng)冷卻器額定冷卻能力：63kW（油進(jìn)口和空氣進(jìn)口溫度差40℃，油泵流量105l/min）。

三、齒輪箱潤(rùn)滑

齒輪箱主軸軸承為浸油潤(rùn)滑，平行軸軸承和齒輪為 壓力潤(rùn)滑，其余軸承和齒輪為壓力和浸油復(fù)合潤(rùn)滑。齒輪箱貯存的潤(rùn)滑油通過(guò)油泵加壓、過(guò)濾（或冷卻）后引入各潤(rùn)滑點(diǎn)實(shí)現(xiàn)壓力潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油壓不低于0.8bar。

油溫超過(guò)55℃，齒輪箱產(chǎn)生的熱量大于自然散失的熱量，潤(rùn)滑油進(jìn)入油/風(fēng)冷卻器強(qiáng)制散失多余的熱量。此時(shí)，油泵額定轉(zhuǎn)速1450rpm，額定流量105l/min，電機(jī)功率6kW。

冷卻器安裝齒輪箱頂部，抽吸機(jī)艙內(nèi)的空氣，機(jī)艙形成負(fù)壓，外界空氣滲入維護(hù)風(fēng)量平衡。

由于齒輪箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)等設(shè)備（元件）散熱，雖然油/風(fēng)冷卻器連續(xù)排出機(jī)艙內(nèi)高溫空氣，機(jī)艙空氣溫度也高于外界環(huán)境溫度。

為保證電氣元件安全工作，機(jī)組要求機(jī)艙溫度不能高于55℃。

齒輪箱要求具有較好的換熱環(huán)境；其它廠家類似機(jī)型機(jī)組要求，齒輪箱處空氣流速>3m/s，補(bǔ)充空氣溫度＜35℃。

齒輪箱要求：高速軸承溫度≥90℃度時(shí)，機(jī)組最高80%額定負(fù)荷運(yùn)行，≥95℃停止運(yùn)行。齒輪箱油溫≥75℃時(shí)，機(jī)組最高80%額定負(fù)荷運(yùn)行，≥80℃停止運(yùn)行。

機(jī)組產(chǎn)熱

機(jī)艙內(nèi)連續(xù)產(chǎn)熱設(shè)備包括齒輪箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)、變頻柜等，間歇產(chǎn)熱設(shè)備包括變槳裝置、巡航裝置等。影響齒輪箱潤(rùn)滑油溫度的設(shè)備是齒輪箱、聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)和變頻柜等。

一、齒輪箱

我國(guó)規(guī)定，在額定工況下，對(duì)于三級(jí)平行軸或一級(jí)行星+兩級(jí)平行軸齒輪傳動(dòng)的齒輪箱，機(jī)械效率應(yīng)不小于97%；余下3%損耗功率轉(zhuǎn)化為產(chǎn)熱功率。

某廠家1.5MW機(jī)型機(jī)組齒輪箱由兩級(jí)行星+一級(jí)平行軸齒輪組成，結(jié)構(gòu)略有差異，損耗功率估算：

行星齒輪傳動(dòng)損耗率0.8%，兩級(jí)行星齒輪傳動(dòng)損耗功率為27.2kW；

平行軸齒輪傳動(dòng)損耗率0.85%，一級(jí)平行軸齒輪傳動(dòng)損耗功率為14.45kW；

軸承傳動(dòng)損耗率0.1%，不考慮行星架軸承，主軸2只和平行軸4只軸承傳動(dòng)損耗功率為10.2kW；總損耗功率等于51.85kW。

折算機(jī)械效率96.95%，估算結(jié)果與我國(guó)規(guī)定相近，所以按機(jī)械效率97%計(jì)算齒輪箱產(chǎn)熱功率較為合理。齒輪箱產(chǎn)熱功率51kW。

為散失上述熱量，油泵需要高速運(yùn)行，此時(shí)電機(jī)功率6kW，這部分功率轉(zhuǎn)化為熱能散失。

所以齒輪箱產(chǎn)熱能力是齒輪損耗功率和油泵功率之和，即57kW。

二、發(fā)電機(jī)和變頻柜

發(fā)電機(jī)為雙饋異步發(fā)電機(jī)，額定輸出（1810rpm）功率為1.52MW，速度范圍1000 rpm-2000rpm，效率≥97%，最大發(fā)電機(jī)損耗≤45kW，即發(fā)電機(jī)產(chǎn)熱能力45kW；

機(jī)艙中變頻柜和控制柜中的電氣、控制元器件，主要是3×500kW變頻器，在工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱量，資料介紹產(chǎn)熱能力19 kW。

發(fā)電機(jī)全封閉式發(fā)電機(jī)，散熱能力差，要求機(jī)艙通風(fēng)順暢，電機(jī)表面積灰能及時(shí)清除。變頻柜和控制拒內(nèi)也要求建立良好的空氣流場(chǎng)。

三、聯(lián)軸器

聯(lián)軸器連接齒輪箱輸出軸和發(fā)電機(jī)輸入軸，傳遞動(dòng)能，補(bǔ)償兩軸之間的軸向和角度偏差。

聯(lián)軸器一般采用德國(guó)CENTALINK聯(lián)軸器，屬?gòu)椥匀f(wàn)向聯(lián)軸器，允許軸向偏移±20mm，角度補(bǔ)償瞬時(shí)最大≤3.0°。

聯(lián)軸器兩端是“LINK”連桿，連桿一端與中間短軸連接，另一端與齒輪箱軸（或發(fā)電機(jī)軸）上法蘭連接。連桿主要部分是球型萬(wàn)向軸承和緩沖襯套，利用這種結(jié)構(gòu)補(bǔ)償兩軸之間的偏差。

一般情況下，彈性聯(lián)軸器傳動(dòng)效率0.99%-0.995%，萬(wàn)向聯(lián)軸器傳動(dòng)效率（角度補(bǔ)償≤3°）0.97-0.98。考慮到CENTALINK聯(lián)軸器質(zhì)量好，風(fēng)電行業(yè)安裝和檢修水平高等特點(diǎn)，聯(lián)軸器機(jī)械效率取為0.995%，額定功率1.5 MW時(shí)，聯(lián)軸器損失功率1500×(1-0.995%)=7.5kW。

聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，擾動(dòng)周邊空氣，將損失功率轉(zhuǎn)化為散熱功率，提高空氣溫度，所以聯(lián)軸器產(chǎn)熱能力7.5kW。

四、產(chǎn)熱總功率

機(jī)組產(chǎn)熱總功率就是上述齒輪箱、發(fā)電機(jī)和變頻柜、聯(lián)軸器產(chǎn)熱功率之和，即57+45+19+7.5=128.5kW。

產(chǎn)熱設(shè)備向機(jī)艙散熱

一、齒輪箱

齒輪箱散熱功率分析，限定機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，油溫為最高允許溫度75℃，外界環(huán)境溫度35℃。

不考慮凸起的安裝環(huán)高度，近似考慮齒輪箱是3700×φ1600mm柱形，表面積S1=22.61m2。

壓力潤(rùn)滑點(diǎn)分布在齒輪箱中上部，部分潤(rùn)滑油飛濺到齒輪箱內(nèi)壁，回流至齒輪箱下部油池。在油池儲(chǔ)油和飛濺油的共同作用下，箱體表面溫度較為均勻。向機(jī)艙散熱見(jiàn)公式1。

式（1）中：

P1-齒輪箱散熱功率/kW；

α1-齒輪箱表面對(duì)流換熱系數(shù)/W/(m2·℃)；對(duì)于對(duì)流不受妨礙的靜止空氣，概略值為15W/(m2.℃)-25W/(m2.℃)，由于齒輪箱具有較好的換熱環(huán)境，取25W/(m2·℃)。

t1-齒輪箱表面溫度/℃；取64.54℃（出/入油溫75/54.07℃）。

t2-機(jī)艙溫度/℃；取45℃（估算）。

齒輪箱散熱功率P1=11.05kW。

二、發(fā)電機(jī)和變頻柜

機(jī)組通過(guò)水/風(fēng)冷卻器，散失發(fā)電機(jī)和變頻器產(chǎn)生的熱量；雖然水冷散失了大部分熱量，但發(fā)電機(jī)和變頻柜的外表面同時(shí)也向機(jī)艙散失熱量。

水/風(fēng)冷卻器最高介質(zhì)溫度70℃，發(fā)電機(jī)最高進(jìn)水溫度50℃，變頻柜最高進(jìn)水溫度45℃。

發(fā)電機(jī)呈φ900×1800mm筒形，表面積6.36m2，考慮變頻柜散熱，表面積達(dá)9m2。估算經(jīng)驗(yàn)值0.8kW/m2-1.2kW/m2，發(fā)電機(jī)和變頻柜散熱功率9kW。

三、聯(lián)軸器

上面計(jì)算可知，彈性萬(wàn)向聯(lián)軸器機(jī)械效率0.995%，損失功率1500×(1-0.995%)=7.5kW。

聯(lián)軸器旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，擾動(dòng)周邊空氣，將損失功率轉(zhuǎn)化為散熱功率，提高空氣溫度。所以，聯(lián)軸器向機(jī)艙散熱功率7.5kW。

四、產(chǎn)熱設(shè)備向機(jī)艙散熱

產(chǎn)熱設(shè)備向機(jī)艙散熱總功率為上述齒輪箱、發(fā)電機(jī)和變頻柜、聯(lián)軸器向機(jī)艙散熱功率之和，即11.05+9+7.5= 27.55kW。

機(jī)組散熱

一、罩體

產(chǎn)熱設(shè)備向機(jī)艙散熱，加熱機(jī)艙空氣，提高空氣溫度；一部分熱量通過(guò)罩體散失到機(jī)艙外大氣中，一部分熱量通過(guò)油/風(fēng)冷卻器排放到機(jī)艙外大氣中。罩體散熱見(jiàn)公式2。

式（2）中：

S2—罩體表面積/m2；170m2。

α1—對(duì)流換熱系數(shù)/W/（m2·℃），計(jì)算見(jiàn)公式3。

式（3）中：

αw—機(jī)艙外空氣與罩體的對(duì)流換熱系數(shù)，W/（m2·℃）；良好的強(qiáng)制對(duì)流換熱，取100W/(m2·℃)。

δ—罩體厚度/mm；8mm。

λ—罩體導(dǎo)熱系數(shù)/W/（m2·℃）；0.35W/（m2·℃），玻璃鋼材料。

αn—機(jī)艙內(nèi)空氣與罩體的對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；流暢的自然對(duì)流/6W/(m2·℃)。

計(jì)算可得：α1=5W/m2·℃

Δt1—機(jī)艙內(nèi)外溫度之差/℃；10℃。

罩體散失熱量：8.5kW；

二、水/風(fēng)冷卻器

發(fā)電機(jī)和變頻柜產(chǎn)熱能力為64kW，向機(jī)艙散熱9kW。

水/風(fēng)冷卻器散熱55kW。

水/風(fēng)冷卻器實(shí)際出力為額定出力的86%。

三、油/風(fēng)冷卻器

機(jī)組產(chǎn)熱總功率128.5kW，罩體散熱8.5kW，水/風(fēng)冷卻器散熱55kW，其余65kW需要油/風(fēng)冷卻器散失。

齒輪箱發(fā)熱功率57kW，油/風(fēng)冷卻器實(shí)際散熱65kW。

冷卻57kW發(fā)熱功率，機(jī)組配置63kW油/風(fēng)冷卻器，冷卻65kW發(fā)熱功率，需要配置71.5kW油/風(fēng)冷卻器。油/風(fēng)冷卻器實(shí)際出力為額定出力的114%。

結(jié)論

油/風(fēng)冷卻器額定出力63kW，實(shí)際散熱71.5kW，冷卻器選型偏小。

冷卻器選型偏小的原因是沒(méi)有考慮聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)和變頻柜向機(jī)艙散熱，扣除罩體散熱后，對(duì)冷卻器增加的散熱負(fù)荷。

齒輪箱發(fā)熱功率57kW，平衡散熱片污染導(dǎo)致的冷卻能力下降，額定冷卻能力為散熱功率的1.1倍，油/風(fēng)冷卻器額定出力63kW。油/風(fēng)冷卻器額定出力與實(shí)際出力65 kW相接近。這是冷卻器對(duì)污染敏感的原因。

油/風(fēng)冷卻器即要排出機(jī)艙高溫空氣，又要冷卻潤(rùn)滑油；這種“又背又抱”的工作方式，客觀上浪費(fèi)了冷卻器的出力。油/風(fēng)冷卻器額定出力63kW，通過(guò)冷卻器散失的熱量65kW，包括產(chǎn)熱設(shè)備向機(jī)艙散熱19.05kW，油/風(fēng)冷卻器實(shí)際出力為額定出力的72.94%。

由于發(fā)電機(jī)和變頻柜向機(jī)艙散熱，水/風(fēng)冷卻器實(shí)際出力小于額定出力。

油/風(fēng)冷卻器是板翅式冷卻器，工作最佳空氣潔凈度30萬(wàn)級(jí)，機(jī)艙空氣質(zhì)量不能保證。

（作者單位：明艷英：阜新發(fā)電有限責(zé)任公司；李興國(guó)，朱振東：阜新美迪原環(huán)保科技有限公司）