風電低溫機組齒輪箱油溫加熱方式研究與探討

孫仲澤

東方電氣風電有限公司 四川德陽 618000

風力發電機組常處于風資源豐富但環境溫度極低的區域，而且常因電網故障等原因使得機組處于無電源狀態或待機狀態。如果環境溫度過低，機組再次啟機時需長時間加熱齒輪箱潤滑油以保證合適粘度的潤滑油為齒輪箱提供良好的潤滑，否則齒輪箱會因潤滑不良導致壽命降低。但另一方面，加熱時間過長，等待溫度達標的階段即白白浪費了發電機會，還要從電網消耗電能。因此減少潤滑油的加熱時間可以大大提高發電收益。本文從就兩種溫升途徑對提高齒輪箱溫度等展開分析和探討。

1 風機齒輪箱潤滑油的選定

1.1 潤滑油的選定原則

潤滑油具有減少摩擦、降低溫度和清潔磨損物等的作用。粘度是潤滑油最主要的性能指標，它反映了潤滑油在外力作用下抵抗剪切變形的能力[1]。機械部件對潤滑油的選定基本是根據運行所需的潤滑油的粘度來選定某牌號的潤滑油。潤滑油的牌號是指在40℃時測定的運動粘度的平均值。高速輕載的設備一般選取粘度值較小的潤滑油，工業用的重載設備多選取粘度值高的潤滑油，并添加極壓添加劑等添加劑以提高潤滑油的性能和穩定性。潤滑油粘度的選定，一般是根據載荷和轉速，并考慮其工作溫度來選定。

1.2 粘度與溫度

潤滑油的粘度與溫度有密切的關系。潤滑油粘度隨溫度而變化，當溫度升高時，粘度下降。粘度和溫度之間關系可用美國材料試驗標準(ASTM)的數值和圖表來表示，稱為粘溫曲線。對于風機齒輪箱，根據額定功率、運行轉速以及工作環境等因素以及長久以來的經驗決定了風電齒輪箱選用牌號為320 的工業潤滑油，即該款潤滑油在40℃時的運動粘度為320cSt。由于不同品牌的320 潤滑油配方的不同，粘溫曲線也有所區別。

1.3 啟機條件

目前風機齒輪箱通常都要求啟機油溫需達到10℃以上。在高寒地區，風機停電較長時間后，潤滑油油溫將迅速下降。極端條件下機艙內溫度可能下降至-30℃左右。因此，啟機前需要將齒輪箱潤滑油油溫升高到10℃以上，很顯然這個時間的長短決定了啟機的快慢，也關系到目前各雙饋機組廠商的市場競爭力。因此需要考慮多種途徑既要將該時間縮短，又要保證不損壞齒輪箱和潤滑油，甚至要考慮對風機的影響。

2 加熱器加熱方式

2.1 熱量核算

目前的低溫型機組通常配備機艙加熱器，該加熱器的功率的選擇已充分考慮了機艙內各電氣部件等的空氣溫度要求。風機齒輪箱通常配置2-3 支加熱器，總功率約為2kW，其位于齒輪箱的后下部。按照潤滑油的溫升要求，以單純靠加熱器加熱做一個簡單的計算。假設齒輪箱油量為350L，從-30℃提升到10℃，加熱功率2kW，進行熱量核算。即加熱器提供的熱量與潤滑油吸收熱量和加熱過程中的散熱量之和相等。按照該條件，計算加熱器將-30℃的潤滑油提升至要求值10℃，需要加熱的時間約為4h。

2.2 加熱器加熱的局限性

在潤滑油的加熱系統中，加熱器功率的選擇至關重要。對于油品粘度牌號越大，運行環境越低的潤滑油，則應采用更低的表面功率密度值[2]。風機齒輪箱在-30℃環境下加熱，屬于自然對流換熱方式，這樣加熱器周圍局部溫度可能會劇烈攀升，溫度超過潤滑油基礎油的裂解溫度和添加劑的揮發溫度，最終將對潤滑油造成破壞。根據粘溫曲線，-30℃的粘度遠大于最大電動泵的泵送粘度，所以，-30℃啟動油泵是不可取的，以免對油泵造成損壞。

3 低速空轉攪油加熱方式

大部分的風機齒輪箱都配備了機械泵，它的存在可以提供電機油泵失效情況下的齒輪箱所需必要潤滑。如果低溫下低速轉動途徑可行，低溫下低速空轉既可以因為攪油加熱改善溫度情況，同時機械泵的轉動可以改善油的流動狀況。

3.1 熱量總核算

理論上空轉時電氣負載為0，但考慮齒輪箱內部齒輪嚙合時的摩擦、軸承的摩擦和齒輪的攪油損耗等[3]，實際上此時風機在空轉模式下吸收的風能與風機中機械部件的效率損失維持著能量平衡。在總的效率損失中，齒輪箱內潤滑油的攪油損失占了較大比重[4]。

根據油位，潤滑油浸沒了低速齒輪約1/5 部分，可以完全浸沒行星輪。根據標準ISO/TR14179-1 考慮潤滑油黏度、元件直徑、齒輪浸潤系數和排布系數的影響，將攪油損失的計算分成與軸、齒輪端面、齒面有關的3 個量。按高速軸轉速為300rpm，-30℃的粘度80000cSt 計算得到，攪油損失約為5．2kW。隨著油溫的升高，該值會逐步下降。

3.2 小結

一般來講，滑動或滾動的表面形成的油膜厚度取決于ZN/P 值。針對低溫狀態的齒輪箱潤滑油，高粘度將有利于形成較厚的潤滑油膜。因此低溫下齒輪嚙合的潤滑條件滿足，但是齒面熱量需要潤滑油散熱。因此，以空轉狀態加熱，齒輪箱最好以空載低速運行為佳。

4 結語

綜上所述，風機斷電后啟機準備階段，單純靠齒輪箱加熱器提升齒輪箱油溫是不可取的。為了減少單純靠加熱器加熱的缺點，必須配合潤滑油循環系統以及齒輪箱合理的低速空轉提高潤滑油的加熱效果和循環效率，以便均勻地提升齒輪箱潤滑油的溫度。低溫下齒輪箱潤滑油狀態的改善為及早啟機提供了必要條件，以最終實現及早并網發電，提高發電量。