风电机组齿轮箱高温问题处理分析

刘家慧

摘   要：随着社会的飞速发展，我国电力需求与日俱增，电力供应压力越来越大。尤其是近些年，随着节能减排工作的顺利开展，风能发电成为了缓解供电压力的中坚力量。风电机组作为风力发电的核心设备，其高效、稳定地运行显得尤为重要。但是，在实际运行过程中，由于多方面因素干扰，风电机组齿轮箱的冷却效果不理想，即使经过反复清洗修理，齿轮箱的高温问题仍未改善。本文将以1500kW风电机组为例，对洗轮箱的高温问题以及处理措施进行分析探究。

关键词：风电机  齿轮  高温处理

中图分类号：TG457.25                            文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）05（a）-0134-02

1  齿轮箱高温问题的影响

1.1 限制风电机组功率运行

齿轮箱温度过高，会使风机低功率运行，甚至导致停机，这严重降低了风力发电机组的工作效率，造成极大的经济损失。就目前而言，齒轮箱超温现象时有发生，据不完全统计，每年浪费电量要高达发电小时数的5%～10%左右，更有甚者，达到数十万瓦。而随着运行时间增加，机组无法稳定带满负荷运行的问题越来越严重。面对这种情况，有些制造厂商私自更改齿轮油箱的最高温度限定值，为润滑系统的正常、稳定运行埋下了安全隐患。

1.2 降低齿轮箱与润滑油的寿命周期

对于全合成润滑油（如齿轮油等）而言，每当温度提高10℃，齿轮油的使用寿命将随之减少50%左右。而在持续高温的环境下，润滑油氧化速度加快，对其粘温性造成影响，进而引起品变质、油耗变大等一系列问题。与此同时，在润滑油氧化的过程中，其发泡特性不断提升，导致油膜刚度降低，润滑性能减弱，加剧齿面、轴承间的磨损，出现齿轮传动失效、工作齿面偏载等现象，导致齿轮箱工作效率低下、使用寿命缩短。

1.3 减弱机舱的通风能力

齿轮箱温度过高，将会严重影响风电机组的机舱冷却能力，导致机舱与环境温度差值较大。换言之，机舱温度与环境温度差值越大，意味着风电机组的机舱整体冷却系统的问题就越大。同时，高温环境下，机舱内电气元件老化现象显著，极易发生安全故障。尤其是在夏季等高温气候，风电机组的电气故障现象频发，这与冷却能力低下脱不开关系。

2  高温原因分析

2.1 齿轮箱运行效率降低

齿轮箱的出厂润滑系统主要有铝管铝翅片冷却器、管道、油泵以及过滤器等。当发电机组功率为1500kW时，冷却器的额定功率通常设计为47kW;设计条件如下：环境温度<40℃，齿轮箱传动功率>97.5%，齿轮箱温度<75℃。当运行时间增加，齿轮箱无法实现满载运行，且运行过程中产生大量热量，导致散热效果与散热需求失衡。

2.2 实际散热效果下降

环境温度明显低于散热器进风口温度，大约维持在10℃，这比设计值要高出一倍。在对散热器阻塞、管道设计缺陷等诸多因素进行综合考量后，散热器进风口的温度很可能还会增加。

2.3 冷却风扇流量达不到设定值

在额定功率下，本文研究的风电机组的冷却风扇的设定风量为15900m3/h。而在与冷却器组合完成后，经测量，实际运行过程中的风量仅为10500m3/h，这显然无法达到冷却器的冷却系统运行需求。

2.4 散热翅片结构不合理

由于散热器的空气侧翅片面受到较大阻力，极易引起阻塞问题。而油路管道内的翅片分布集中，造成杂质积累，提高内循环阻力，削弱了循环倍率，导致冷却效果不佳。

2.5 散热器的进风口温度过高

散热器进风口温度在最大设计限值（45℃）以上，究其原因，主要有以下两点：其一，风电机组运行过程中，机舱发热量大，在有限时间内，无法全部快速排出;其二，风电机组的机舱内外的热交换效果不佳，导致机舱温度不断增加。当齿轮箱发出温度报警时，机舱内的温度也许还在设计极限值以下。

3  处理方案

3.1 调整散热器结构

如图1所示，改造前：散热器的翅片结构是锯齿形状，在中间部位存在突出，不易于清理维修，影响排污效果，尤其是对柳絮状污物极易残留。改造后：翅片为浅波纹形状，有效解决了堵塞问题，有助于提高散热功率提、降低空气阻力。

3.2 更换齿轮箱冷却风扇

叶片是影响风冷冷却器风量的重要因素。在满足电机功率以及叶片安装等要求的基础上，应科学选择叶片规格型号，并采取合理措施，不断优化叶片形状、角度以及曲率等参数。加大冷却器排风量可以有效提升散热器（风冷型）的散热效果，同时还有利于改善齿轮箱机舱的作业环境，实现降温作用。同样，这对于发电机以及变频器等电器元件的散热降温都是有益的。

4  结论分析

4.1 改造前数据分析

环境温度：19.35℃;机舱均温度31.24℃;齿轮箱均温度61.75℃。其中，油温>75℃油温点数为1462，平均温度达到3124℃。由于在实际运行过程中，齿轮箱温度在75℃以上，导致机组功率受限，造成高达4.4万多千瓦的电量损失，相当于机组发电量的5%左右。

4.2 改造后风电机组的运行情况

4.2.1 更换风扇前后散热器进口温度与环境温度的差值对比分析

散热器的进风口温度就是机舱的温度，因此，散热器的冷却效果与机舱温度成反比关系。机舱温度越高，冷却效果越差。而机舱温度主要由运行散热量、散热器通风能力决定的。对于同一风电机组，机舱发热量一般会保持不变。因此，散热器的通风效果是影响机舱温度的决定性因素。经实践验证，功率相同的条件下，改造后的风电机组，其机舱通风能力明显提高，机舱内外环境的温度差有效减小，其他元器件的散热效果也有不同程度的提升。

4.2.2 改造前后齿轮箱油温对比分析

环境温度不同，齿轮箱的油温也会存在一定差异。改造后，齿轮箱油温有所降低，解决了因限功率造成的电量损失比重约为5%，该项优化措施增加的经济收益在数万左右。同时，环境温度提高，齿轮箱箱改造前后的有温差也会随之增加。具体数据如表1所示。

参考文献

[1] 杨旭东，王春秀，王佳伟，等.双馈型风电机组齿轮箱更换方案的设计及应用[J].机械设计与制造，2019（1）：88-90，94.

[2] 李广伟，赵登利，于良峰.风电齿轮箱润滑系统故障分析及解决方案[J].风能，2015（11）：90-92.

[3] 孙昊.风电机组齿轮箱高温问题处理分析[J].风能，2018（11）：84-87.