風電機組齒輪箱高溫問題處理分析

文 | 孫昊

雙饋式風電機組是風力發電的主流機型之一，齒輪箱是雙饋機組重要部件之一，其運行的穩定性很重要。隨著機組運行時間的延長，很多雙饋機組齒輪箱冷卻系統陸續出現油溫高的問題，經過多次清洗和維修，還是不能徹底解決齒輪箱油溫高限負荷的問題。本文以一臺1500kW機組的齒輪箱散熱器改進為例，對齒輪箱散熱情況進行解析說明。

齒輪箱油溫超限主要影響

一、機組限功率運行

齒輪油超溫導致風電機組限功率運行或者是超溫停機，嚴重損失發電量，影響風電機組的經濟指標；目前很多風電機組都存在這種問題，年度損失電量達到利用小時數的5%～10%以上，最嚴重的風電機組每年因此損失數十萬千瓦時的電量，帶病運行的機組無法滿負荷穩定運行。隨著運行時間延長，這種問題越來越嚴重。有些廠家為了回避這個問題，調高了油溫報警的限值，但給齒輪箱的潤滑造成危害。齒輪箱的轉動機構浸沒在油池中，若油池溫度過高，必然會導致齒面在工作時的基礎溫度過高，油膜潤滑效果變差，齒面很容易出現膠合現象。

二、縮短齒輪箱及潤滑油使用壽命

按照潤滑油的生產廠家以及行業內專業機構公開的研究結果，齒輪油這類全合成潤滑油的平均使用溫度每提高十度，齒輪油的使用年限會減少將近一半的時間。潤滑油長期在相對高溫的環境運行，將導致油品加速氧化，粘溫性能改變。油液在氧化后發泡特性逐步增強，造成油膜剛度減小、油品潤滑特性變差、齒面磨損和軸承磨損加劇，進而導致齒輪箱傳動效率下降、齒面點蝕以及軸承磨損后的齒面偏載，極大地減少齒輪箱使用壽命。

三、惡化齒輪箱運行環境

隨著齒輪箱運行效率降低，超溫現象會更加嚴重，風電機組對環境的適應能力更差，同等氣象條件下風電機組限負荷時間逐年增加。

四、影響機艙整體通風能力

較高的齒輪箱油溫將導致風電機組機艙整體冷卻能力嚴重不足，出現機艙溫度明顯高于環境溫度的現象，溫差越大說明冷卻系統存在的問題越嚴重。此外，高溫導致機艙內電氣元件更容易老化，引發其他故障，到了夏季高溫期間，風電機組各種電氣設備故障頻發，這些問題的出現都跟冷卻系統的能力不足有關系。

高溫原因分析

一、齒輪箱運行效率降低

齒輪箱廠配套的潤滑系統，其中包含一臺鋁管鋁翅片冷卻器以及油泵、過濾器、管道等。以1500kW機組為例，冷卻器的設計功率一般為47kW，設計條件為環境溫度低于40℃，齒輪箱的傳動效率大于97.5%時可以保證齒輪箱的油溫維持在75℃以下。隨運行時間的加長，齒輪箱運行效率降低，發熱量增加，散熱器功率不能滿足散熱需求。

二、實際散熱效果下降

散熱器進風口溫度和環境溫度差值過高，實測值超過10℃，遠遠高于設計額定值5℃，由于散熱器阻塞、風道設計不佳等原因致使散熱器進風口空氣溫度過高。

三、冷卻風扇流量不能達到設計值

該案例中的冷卻風扇設計風量為15900m3/h，經過實際測試，在配套冷卻器一起組裝后，實際風量只有10500 m3/h，不能滿足冷卻器冷卻潤滑油的功率要求。

四、散熱翅片結構不合理

空氣側翅片阻力大，容易阻塞。油道的內翅片密集，也容易積存雜質，造成內循環阻力增加，進一步減小了循環倍率，冷卻能力持續下降。

五、散熱器的進口環境溫度高于設計最大允許值45℃

（1）機艙內發熱源較多，熱量無法及時地排出艙外；

（2）機艙內外不能實現有效熱交換，使得機艙溫度持續升高，在齒輪箱過熱報警時，機艙內溫度可能還未達到最高值。

處理方案

一、更改散熱器結構，增加散熱功率、減小空氣流通阻力

原散熱器翅片采用鋸齒型翅片，中間有突出的翅片結構，污物通過性能較差，特別是柳絮類的污物容易停留在翅片內部，并且極不易清洗。改變外翅片通風通道模式，優化翅片選型，將易堵塞的鋸齒型翅片更換成防污性較好的淺波紋型翅片。從圖1可以看出，波紋型翅片的污物通過性能較好，左圖為現運行風電機組外翅片結構形式，右圖為改型后的外翅片結構形式，改進后的散熱片具有較強的防堵能力。

二、更換齒輪箱冷卻風扇

風冷卻器風量由所選葉片決定，在保證葉片所需軸功率不超過電機功率、葉片安裝接口尺寸一致的前提下，通過專用葉片選型軟件的計算，對葉片重新選型優化得到合理的葉片形狀參數，包括角度和曲率。經過優化后新葉片的排風量可增加25%左右。風冷卻器排風量的增加除了能改善風冷卻器的散熱性能，還能改善機艙內通風環境，加速機艙內空氣循環，降低機艙內空氣溫度，對齒輪箱、發電機、變頻器等的散熱都有好處。

改造前后對比分析

根據上述改造方案，對某風電場進行現場改造，改造前后的對比分析如下：

一、改造前運行數據分析

采集改造前從2016年2月14日至7月25日共162天的數據，在此期間環境平均溫度19.35℃，機艙平均溫度31.24℃，齒輪箱平均油溫61.75℃，其中1462個點油溫大于75℃，平均溫度達76.6℃。將剔除后的數據點繪制功率散點圖如圖2所示。

圖1 改造前后翅片對比

攝影：梁家輝

在現場的機組測試中，根據機組運行數據，結合功率曲線計算，由于該1500kW機組齒輪箱油溫超過75℃，限功率造成的機組發電量損失約為44040kW。自2月14日至7月25日發電量總計為838038kW。由油溫高導致的功率損失約為機組發電量的5%。

圖2 改造前功率散點圖

圖3 機艙溫度與環境溫度的差值

圖4 同環境溫度同功率對比齒輪箱油溫

表1 各溫度區間的齒輪箱平均油溫

二、改造后機組運行情況分析

采集改造后從2016年7月31日至11月1日共94天的數據，在此期間環境平均溫度22.53℃，機艙平均溫度30.14℃，齒輪箱平均油溫55.3℃。 改造后未出現由于齒輪箱油溫高帶來的限功率問題。

（一）更換風扇前后散熱器進口溫度與環境溫度的差值對比分析

機艙溫度為散熱器入口溫度，機艙溫度越低，散熱器冷卻效果越好。而機艙發熱量和散熱器通風效果是影響機艙溫度的兩個主要因素。機組情況已經確定，同功率下的機艙發熱量基本不變，影響機艙溫度的主要因素即為散熱器通風量。圖3所示為技改前后機艙溫度與環境溫度的差值隨功率的變化趨勢。通過散點圖發現，在相同功率的情況下，技改后機艙溫度與環境溫度差值明顯降低，說明機艙通風情況明顯改善，帶來機艙內部其他設備的散熱情況也相應改善。

（二）技改前后齒輪箱油溫對比分析

圖4為同環境溫度下，對比同功率下的齒輪箱油溫。根據散點圖顯示，技改后的齒輪箱油溫明顯低于技改前，環境溫度越高差異越明顯。

10℃≤T＜15℃，改造前后的油溫基本相同；

15℃≤T＜20℃，改造前后的油溫差為4.19℃；

20℃≤T＜25℃，改造前后的油溫差為5.38℃；

25℃≤T＜30℃，改造前后的油溫差為9.68℃；

30℃≤T＜35℃，改造前后的油溫差為10.91℃；

35℃≤T＜40℃，改造前后的油溫差為19.82℃（該區間改造后的數據較少，不確定度較大）。

經現場驗證，改造后未發生由于油溫高導致的限功率問題，發電量提升約5%，按利用小時數每年2000小時、電價0. 5元/千瓦時計算，僅此一項優化單臺機組即可增加年收益7.5萬元。

結論

本文重點分析了齒輪箱油溫高問題產生的原因，并據此提出相應的改造方案。從實施效果來看，改造后的機艙溫度降低明顯，機艙內其他部件散熱情況得到明顯改善，電子元器件使用壽命增加，大大降低了因高溫、部分潤滑不良、部件損壞等情況導致的機組停機，提高了機組安全性、穩定性、可靠性，提升了機組可利用率和發電效益。

攝影：車傳江