陳子新 楊景明 孫紅凱 高 陽 衣麗葵

（1.大唐（赤峰）新能源有限公司，赤峰 024050；2.沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院，沈陽 110136）

1 研究背景

隨著世界能源的日漸匱乏、全球氣候的不斷變暖、人們環(huán)保意識的不斷增強，低碳經(jīng)濟已經(jīng)成為全球關(guān)注的重點[1]。風(fēng)力發(fā)電具有低排放、低污染的低碳電力發(fā)展模式，成為電能可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略選擇之一。近年來，我國對能源的需求和環(huán)保要求力度的不斷加強，風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢、經(jīng)濟性和實用性等優(yōu)點突出，使風(fēng)電機組的裝機容量占可再生能源發(fā)電裝機容量的第一位。

風(fēng)電機組是無人值守高空持續(xù)運行的大型復(fù)雜機械裝置，安裝地點環(huán)境惡劣，工作過程中會以摩擦、碰撞、電磁損耗等形式持續(xù)發(fā)熱。盡管風(fēng)電機組配有散熱裝置，但是依然存在機艙環(huán)境溫度升高，引起潤滑油的潤滑水平降低、機艙管線老化加速甚至機艙爆燃等嚴(yán)重問題。為此，機艙內(nèi)主要發(fā)熱部件軸承、齒輪箱、發(fā)電機等設(shè)定溫升閾值，超溫后風(fēng)電機組主動實施停機避險。對大唐（赤峰）風(fēng)電場統(tǒng)計，由于部件超溫引起的機組停機次數(shù)超過非正常停機總數(shù)40%以上，可見，機艙散熱問題仍然沒有得到有效解決，嚴(yán)重抑制了風(fēng)電機組的可利用率及其成本的回收。風(fēng)電機組機艙環(huán)境溫度過溫問題的研究集中在三方面：部件發(fā)熱的內(nèi)因研究，許多學(xué)者通過模擬風(fēng)力發(fā)電機，分析其溫度場的分布；風(fēng)電機艙結(jié)構(gòu)散熱性研究，馬鐵強等通過研究風(fēng)力發(fā)電機組機艙布局及其在不同的散熱氣流組織形態(tài)下，機組的散熱效率不同，氣流與部件之間的熱耦合成為影響散熱的關(guān)鍵因素；風(fēng)電機組工作環(huán)境對發(fā)熱影響的研究，SMAILI等通過研究極端溫度下風(fēng)電機組機艙的熱性能，提供機艙冷卻系統(tǒng)的功率匹配[2-3]。

上述研究為控制風(fēng)電機組機艙發(fā)熱、冷卻等問題奠定了基礎(chǔ)，但對于實際運行的風(fēng)電系統(tǒng)來說，改善機艙環(huán)境降低機艙溫度，避免機組限功率運行，甚至被迫停機的研究，仍非常重要[4]。

2 機艙環(huán)境溫度過溫原因

2.1 冷卻系統(tǒng)自身問題

冷卻系統(tǒng)自身問題會導(dǎo)致機艙溫度過高。第一，冷卻器故障，如冷卻器內(nèi)部電線短路、斷路、電機燒壞等均可導(dǎo)致風(fēng)扇不運轉(zhuǎn)而影響散熱。第二，冷卻器散熱片上覆蓋大量的灰塵影響冷卻器的散熱，導(dǎo)致冷卻不足。第三，溢流閥是泄壓元件，應(yīng)該在齒輪箱油溫低、壓力高時發(fā)揮作用。目前，發(fā)現(xiàn)油溫高時，溢流閥仍然有流油的情況，這樣會使經(jīng)過冷卻的油量減少，部分油未經(jīng)冷卻直接回到齒輪箱，導(dǎo)致整體冷卻不足，油溫偏高[5]。第四，冷卻不足引起油溫過高，使高速軸承溫度不能有效卸去，導(dǎo)致軸承溫度過高而引起機艙環(huán)境溫度升高。

2.2 潤滑系統(tǒng)不能充分發(fā)揮作用

潤滑系統(tǒng)不能有效發(fā)揮作用而導(dǎo)致機艙溫度過高。第一，打開后箱觀察蓋檢查軸承出油情況，發(fā)現(xiàn)出油很少則說明軸承的進(jìn)油量不足。出現(xiàn)這種情況的原因主要有：進(jìn)油孔設(shè)計太小導(dǎo)致進(jìn)油不足；箱體進(jìn)油孔與進(jìn)油環(huán)進(jìn)油槽錯位；油孔被雜質(zhì)堵塞導(dǎo)致油量減少；進(jìn)油孔油路未鉆通。第二，潤滑系統(tǒng)的壓力閥或溫控閥錯誤。在過濾器與齒輪箱的油管連接無誤的情況下，當(dāng)油溫超過55℃，過濾器到油分配器的管子仍有流油，說明過濾器的溫控閥存在問題而影響散熱。第三，齒輪噴油不足或油孔沒有對準(zhǔn)齒輪，都會導(dǎo)致齒輪溫度過高，進(jìn)而使軸承溫度偏高。

3 機艙環(huán)境傳統(tǒng)處理方法

3.1 人工除塵

機艙環(huán)境傳統(tǒng)的除塵方法，通常是運維人員登上風(fēng)電機組塔頂進(jìn)行清潔。一般采用人力清掃機艙設(shè)備和齒輪箱的熱交換器，如果機艙環(huán)境溫度高，運維人員打開機艙天窗靠自然風(fēng)散熱來降低機艙溫度。這樣做既耗費人力物力，停機時間又長，而除塵散熱效果有限，對齒輪箱熱交換器的清理治標(biāo)不治本。同時，由于反復(fù)沖刷齒輪箱冷卻器的表面，嚴(yán)重影響了齒輪箱油冷風(fēng)扇油路板的使用壽命。

3.2 采用大功率冷卻器

為避免齒輪箱過溫，可以通過提高潤滑系統(tǒng)的熱交換能力，增加系統(tǒng)中“風(fēng)/油冷卻器”的當(dāng)量冷卻功率，即在不改變原有油路及風(fēng)機結(jié)構(gòu)的情況下，設(shè)計更大功率的冷卻器，替換原來的冷卻器。

3.3 加裝一臺冷卻器

為提高潤滑系統(tǒng)的熱交換能力，在原有冷卻系統(tǒng)中增加一臺獨立的風(fēng)冷式油冷卻器，配合原冷卻器工作，油路采用與原冷卻器相串聯(lián)的方式聯(lián)接。

4 機艙環(huán)境溫度的智能控制

為解決機艙環(huán)境傳統(tǒng)處理方法的不足，本文在風(fēng)電機組中安裝機艙環(huán)境智能過濾降溫系統(tǒng)來改善機艙環(huán)境，降低機艙溫度。

機艙環(huán)境智能過濾降溫系統(tǒng)有6路溫度傳感器接入控制系統(tǒng)，分別布置在齒輪箱散熱器前端和后端、齒輪箱散熱器油管內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)、機艙柜外側(cè)、機艙外。當(dāng)散熱器前端與后端的溫度差值小于10℃，證明散熱器散熱效果不好，散熱器存在灰塵造成堵塞，控制系統(tǒng)自動發(fā)送啟動命令給機艙除塵過濾裝置。機艙除塵過濾裝置框架采用德標(biāo)50×50鋁型材，結(jié)構(gòu)緊固，防震抗拉；過濾網(wǎng)采用空氣通透性好的304不銹鋼材質(zhì)，不影響散熱器散熱效果。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)送給除塵過濾裝置中伺服電動機啟動信號，伺服電動機通過同步齒形帶帶動絲網(wǎng)導(dǎo)輪軸，自動更換過濾網(wǎng)。為保證過濾網(wǎng)一直處于被拉伸的狀態(tài)，不會傾斜而跑出軌道，過濾裝置上配備阻尼裝置，配合伺服電動機同時工作。

當(dāng)齒輪箱油管外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)其中任一個溫度傳感器監(jiān)測到溫度達(dá)到60℃，并且內(nèi)循環(huán)溫度大于外循環(huán)溫度，證明溫控閥失效。當(dāng)控制系統(tǒng)監(jiān)測機艙溫度超過45℃時，說明機艙溫度高，控制系統(tǒng)向通風(fēng)裝置的軸流風(fēng)機發(fā)送啟動命令，當(dāng)機艙溫度降低45℃以下，軸流風(fēng)機停止工作。軸流風(fēng)機采用一體式加厚鑄鐵風(fēng)葉設(shè)計，強度高不易變形脫落，葉輪經(jīng)過嚴(yán)格的動平衡校準(zhǔn)具有良好的空氣動力性能，風(fēng)量大噪音底，加厚鑄鐵外殼，表面高溫噴漆處理，耐磨損，抗腐蝕，重量輕，硬度高，抗震防摔，同時電機固定采用三角力學(xué)固定，可以有效減輕電機在運行過程中產(chǎn)生的震動，保證電機持續(xù)穩(wěn)定安全運行。電機采用220V電壓供電，功率0.12kW，轉(zhuǎn)速可達(dá)到1450r/min，風(fēng)量2000m3/h，做到低耗能、低噪音、高風(fēng)量，降溫效果經(jīng)過測試達(dá)到7.6℃。

5 經(jīng)濟效益分析

風(fēng)電場的風(fēng)電機組每臺容量為1.5MW，每年由于高溫大風(fēng)天氣導(dǎo)致風(fēng)電機組停機約為10次，每次停機恢復(fù)平均時間8小時，每年每臺風(fēng)電機組因風(fēng)機環(huán)境污染、齒輪箱散熱不暢導(dǎo)致的油溫過熱停機損失電量可達(dá)120萬kWh。一個具有33臺的49.5MW容量的風(fēng)電場，每年將損失電量3960萬kWh，按風(fēng)電上網(wǎng)電價0.6元/千瓦時標(biāo)準(zhǔn)計算，每年損失237.6萬元。由此可見，風(fēng)電機組安裝機艙環(huán)境智能過濾降溫系統(tǒng)后，改善機艙環(huán)境，降低機艙溫度，減少機組的停機次數(shù)，有效提高了風(fēng)電機組的并網(wǎng)運行時間，提高風(fēng)電場的發(fā)電量，進(jìn)而提高風(fēng)電場的經(jīng)濟效益。

6 結(jié)語

風(fēng)電機組安裝機艙環(huán)境智能過濾降溫系統(tǒng)后，極大改善了風(fēng)電機組機艙環(huán)境，降低機艙溫度，切實保障風(fēng)電場的安全運行，減少風(fēng)機停機時間，保障風(fēng)機利用率，提高風(fēng)電場的運行效率和經(jīng)濟盈利能力。