陳子新，趙子豐，叢智慧，許曉峰，衣麗葵

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

風(fēng)能是一種無(wú)公害、清潔、可再生的綠色能源。隨著人類環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，風(fēng)力發(fā)電受到世界各國(guó)的高度重視。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般由塔筒、風(fēng)輪、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)等組成。其中，齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中非常重要的部件，其性能決定了風(fēng)力發(fā)電機(jī)的壽命和質(zhì)量。因此，對(duì)齒輪箱的研究成為了學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱故障具有危害性大、維修周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)整個(gè)機(jī)組停機(jī)。研究齒輪箱故障產(chǎn)生的原因，并對(duì)齒輪箱故障進(jìn)行分析，及時(shí)預(yù)測(cè)和發(fā)現(xiàn)齒輪箱的異常情況，可以有效地降低齒輪箱故障的發(fā)生率，保證機(jī)組安全可靠地運(yùn)行。其中，風(fēng)電機(jī)組齒輪箱溫度控制的重要性得到了高度重視：對(duì)于齒輪箱油溫過(guò)溫或過(guò)高等問(wèn)題，給出相應(yīng)的解決方案和措施并進(jìn)行及時(shí)處理，有效地降低了風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的油溫，提高了齒輪箱的整體使用壽命，最大限度地減少了風(fēng)電機(jī)組停機(jī)時(shí)間，保證了風(fēng)電機(jī)組的利用率，提高了風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益。

盡管相關(guān)專家對(duì)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的研究做了大量工作，但是風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的溫度抑制依然是一個(gè)重要問(wèn)題。通過(guò)對(duì)齒輪箱溫度過(guò)高的原因進(jìn)行分析，提出解決方案，安裝風(fēng)電機(jī)組齒輪箱油冷風(fēng)扇智能過(guò)濾系統(tǒng)，并對(duì)內(nèi)蒙赤峰風(fēng)電場(chǎng)的13#機(jī)組安裝了此裝置，使齒輪箱的溫度得到了有效抑制，避免了齒輪箱溫度過(guò)高引起的限功率發(fā)電，甚至停機(jī)而導(dǎo)致發(fā)電量損失的不良情況。

1 齒輪箱溫度高的原因

1.1 齒輪箱散熱器因素

齒輪箱的散熱器在風(fēng)電機(jī)組齒輪箱油溫的散熱中起著非常重要的作用，主要用來(lái)完成熱量的交換。

1)若散熱器的散熱片存在漏油或滲油現(xiàn)象時(shí)，其周圍環(huán)境的灰塵會(huì)迅速地吸附在散熱片上，降低散熱片的散熱能力，進(jìn)而導(dǎo)致齒輪箱溫度升高。

2)齒輪箱的散熱風(fēng)扇是用來(lái)加快散熱器上方的空氣流動(dòng)，使散熱器上方的高熱量空氣快速地散發(fā)掉。如果齒輪箱的散熱風(fēng)扇電機(jī)的扇葉連接處出現(xiàn)問(wèn)題或者損壞，此時(shí)引起散熱器的散熱效果變差，進(jìn)而導(dǎo)致齒輪箱溫度升高。

3)齒輪箱的散熱片為交錯(cuò)排列的翅片，這種結(jié)構(gòu)雖然增大了散熱面積，但是散熱片的散熱效果卻降低了。由于風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行，然而風(fēng)電場(chǎng)的工作環(huán)境通常是比較惡劣的，比如空氣中的風(fēng)沙顆粒較大、柳絮楊絮漫天飛舞，都將導(dǎo)致散熱器發(fā)生比較嚴(yán)重的堵塞，使散熱器的通風(fēng)量明顯減小，不能有效地進(jìn)行熱量交換，散熱器的冷卻效率就會(huì)下降，進(jìn)而造成齒輪箱的油溫升高。

1.2 齒輪箱本身結(jié)構(gòu)因素

風(fēng)電機(jī)組齒輪箱長(zhǎng)期運(yùn)行后，齒輪箱高速軸的齒面若有損壞，就會(huì)造成軸的表面不光滑甚至部分損壞，降低齒輪箱的傳動(dòng)效率，使發(fā)熱量增多，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)齒輪箱溫度增高的現(xiàn)象。

1.3 齒輪箱潤(rùn)滑油因素

風(fēng)電機(jī)組齒輪箱長(zhǎng)期工作，如果潤(rùn)滑油的質(zhì)量出現(xiàn)下降(比如潤(rùn)滑油中的氧化生成物、金屬顆粒、水分等成分超標(biāo))，潤(rùn)滑油的粘度就會(huì)降低，導(dǎo)致齒輪、軸承等機(jī)械磨損加快或出現(xiàn)疲勞點(diǎn)蝕現(xiàn)象，進(jìn)而增加發(fā)熱量，導(dǎo)致齒輪箱溫度升高。

1.4 齒輪箱溫度控制檢測(cè)裝置

1)如果風(fēng)電機(jī)組齒輪箱控制裝置中的溫控?fù)Q向閥失效，將會(huì)導(dǎo)致部分熱量不經(jīng)散熱器直接回到齒輪箱，由于沒(méi)有進(jìn)行熱量交換，使齒輪箱的溫度升高。

2)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，容易出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。如果齒輪箱的溫度檢測(cè)裝置由于振動(dòng)而導(dǎo)致接線不牢固，或者出現(xiàn)電流或電壓尖峰，導(dǎo)致檢測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)不準(zhǔn)確甚至異常，進(jìn)而對(duì)齒輪箱溫度給出不正確的判斷。

2 齒輪箱溫度抑制的傳統(tǒng)方法

2.1 人工清洗

傳統(tǒng)的風(fēng)電機(jī)組齒輪箱除塵方法大多單純地依賴于運(yùn)維人員登塔處理，需要2人配合工作。通常采用人力清掃齒輪箱的熱交換器，這樣做耗費(fèi)大量人力物力，使機(jī)組停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，除塵散熱效果有限，對(duì)齒輪箱熱交換器的清理是治標(biāo)不治本。同時(shí)，由于反復(fù)沖刷齒輪箱油冷熱交換器表面，嚴(yán)重影響了齒輪箱油冷風(fēng)扇油路板的使用壽命。因此，人工清洗的方法，并不能很好地降低齒輪箱的溫度。

2.2 更換大功率的冷卻器

風(fēng)電機(jī)組齒輪箱的油溫過(guò)溫時(shí)，可以通過(guò)提高潤(rùn)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，也就是在不改變?cè)杏吐芳帮L(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的情況下，設(shè)計(jì)更大功率的冷卻器更換原有的冷卻器，達(dá)到降低齒輪箱油溫的目的。

2.3 加裝獨(dú)立冷卻器

為了提高潤(rùn)滑系統(tǒng)的熱交換能力，降低齒輪箱的溫度，風(fēng)電機(jī)組在原有冷卻系統(tǒng)中增加一個(gè)獨(dú)立的風(fēng)冷式油冷卻器，配合原來(lái)的冷卻器工作，油路采用與原冷卻器相串聯(lián)的方式聯(lián)接。但是，此方案在散熱器堵塞后完全失效。

2.4 散熱器表面加裝過(guò)濾網(wǎng)

在散熱器的表面散熱片的下方安裝過(guò)濾網(wǎng)，可以防止柳絮、楊絮、顆?；覊m等堵塞散熱器表面，但由于過(guò)濾網(wǎng)雜絮繁多而堵塞，降低散熱器的散熱效果，甚至造成散熱器無(wú)法散熱。因此，過(guò)濾網(wǎng)需要定期進(jìn)行人工更換。

目前，上述方法均不能有效地解決齒輪箱熱交換器堵塞的問(wèn)題。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后，齒輪箱的散熱性能下降，齒輪箱油溫依然居高不下，齒輪箱的溫度過(guò)溫問(wèn)題沒(méi)有得到有效解決，不利于設(shè)備的正常運(yùn)行，影響了風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)效益。

3 齒輪箱溫度抑制的智能過(guò)濾系統(tǒng)

齒輪箱油冷風(fēng)扇智能過(guò)濾系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、伺服電動(dòng)機(jī)和過(guò)濾裝置3部分組成，如圖1所示，其中過(guò)濾裝置已經(jīng)申請(qǐng)了發(fā)明專利，首次安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上。

圖1 齒輪箱油冷風(fēng)扇智能過(guò)濾系統(tǒng)

3.1 過(guò)濾裝置的結(jié)構(gòu)

齒輪箱油冷風(fēng)扇智能過(guò)濾系統(tǒng)中的過(guò)濾裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由滾軸、框架、阻尼系統(tǒng)、齒輪和過(guò)濾網(wǎng)組成。

1)滾軸

滾軸必須結(jié)實(shí)耐用且機(jī)械強(qiáng)度高，可以保障系統(tǒng)的使用年限，并配置振動(dòng)較小且穩(wěn)定性能高的阻尼軸承，提高系統(tǒng)的工作效率。為了防止過(guò)濾網(wǎng)反轉(zhuǎn)，其中1個(gè)軸承是單向軸承。

2)框架

框架選用德標(biāo)50×50鋁型材，具有結(jié)構(gòu)緊固、結(jié)實(shí)耐用、防腐蝕性能強(qiáng)、防震抗拉等特點(diǎn)，保障系統(tǒng)穩(wěn)定牢固。

3)阻尼系統(tǒng)

阻尼系統(tǒng)安裝在從動(dòng)側(cè)過(guò)濾網(wǎng)導(dǎo)輪軸的兩側(cè)，保證了過(guò)濾網(wǎng)一直處于被拉伸狀態(tài)，不會(huì)傾斜而跑出軌道。當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)束運(yùn)行后，阻尼系統(tǒng)還可以防止從動(dòng)部分因?yàn)檩p微的慣性或者機(jī)艙振動(dòng)，導(dǎo)致過(guò)濾網(wǎng)繼續(xù)向前移動(dòng)。

4)齒輪

齒輪一定要傳動(dòng)精準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)緊湊、耐腐蝕性強(qiáng)，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

5)過(guò)濾網(wǎng)

過(guò)濾網(wǎng)選用高密度、耐風(fēng)化、耐腐蝕且具有靜電吸塵作用的304不銹鋼80目材質(zhì)，空氣通透性優(yōu)異，可以有效地過(guò)濾灰塵、柳絮、楊絮、沙粒等，保障高質(zhì)量的過(guò)濾效果和散熱器散熱效果。

3.2 智能過(guò)濾系統(tǒng)的工作原理

將齒輪箱油冷風(fēng)扇智能過(guò)濾系統(tǒng)安裝在大唐新能源內(nèi)蒙古赤峰風(fēng)電場(chǎng)13#風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上，如圖2所示。智能過(guò)濾系統(tǒng)的過(guò)濾裝置安裝在散熱器的表面，齒輪箱內(nèi)部裝有溫度探測(cè)器，控制系統(tǒng)時(shí)刻監(jiān)測(cè)溫度探測(cè)器反饋的溫度。當(dāng)監(jiān)測(cè)溫度達(dá)到設(shè)置的溫度限定值時(shí)，說(shuō)明過(guò)濾網(wǎng)堵塞嚴(yán)重影響散熱器的散熱效果，此時(shí)控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)使過(guò)濾裝置中的伺服電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)同步齒形帶帶動(dòng)過(guò)濾網(wǎng)導(dǎo)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，將堵塞的過(guò)濾網(wǎng)卷起，釋放新的或潔凈的過(guò)濾網(wǎng)，保證散熱器的散熱效果。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)智能過(guò)濾系統(tǒng)

3.3 智能過(guò)濾系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

該過(guò)濾裝置穩(wěn)固性好，安裝方向靈活，可以安裝在水平散熱器表面、立式散熱器表面、傾斜散熱器表面等。過(guò)濾網(wǎng)通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)自動(dòng)更換的智能控制，具有重復(fù)利用性，即過(guò)濾網(wǎng)在一側(cè)絲網(wǎng)導(dǎo)輪軸旋轉(zhuǎn)完畢后可取下進(jìn)行清洗后再次利用，實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本。清洗后再次安裝過(guò)程中可更改伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間，遠(yuǎn)程控制自動(dòng)卷入新網(wǎng)。伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能好，采用配備1:76變速比減速器的永磁無(wú)刷直流伺服電動(dòng)機(jī)，具有低速大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)。阻尼系統(tǒng)保證了過(guò)濾網(wǎng)始終處于軌道內(nèi)且為拉伸狀態(tài)。

3.4 實(shí)例分析

大唐集團(tuán)新能源股份有限公司內(nèi)蒙古赤峰風(fēng)電場(chǎng)的13#風(fēng)電機(jī)組安裝了齒輪箱油冷風(fēng)扇智能過(guò)濾系統(tǒng)，而12#、14#、15#風(fēng)電機(jī)組沒(méi)有安裝此系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組有功功率在1 000 kW以上運(yùn)行時(shí)，各個(gè)部位溫度現(xiàn)場(chǎng)采集的平均數(shù)值如表1所示。

表1 風(fēng)電機(jī)組各部位溫度現(xiàn)場(chǎng)采集的平均數(shù)值

表1中的平均差值是指13#風(fēng)電機(jī)組分別與12#、14#、15#風(fēng)電機(jī)組溫度差值的平均值。通過(guò)表1的數(shù)據(jù)分析可知，安裝了齒輪箱油冷風(fēng)扇智能過(guò)濾系統(tǒng)的13#風(fēng)電機(jī)組，與沒(méi)有安裝齒輪箱油冷風(fēng)扇智能過(guò)濾系統(tǒng)的12#、14#、15#風(fēng)電機(jī)組相比較，200齒輪油溫平均降低了8.57 ℃，203齒輪軸承溫度平均降低了9.00 ℃，222齒輪軸承溫度平均降低了6.35 ℃。30 s風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的平均風(fēng)速高0.06 m/s，風(fēng)速幾乎相等。根據(jù)表1可知，若環(huán)境溫度繼續(xù)上升，13#風(fēng)電機(jī)組由于安裝了齒輪箱油冷風(fēng)扇智能過(guò)濾系統(tǒng)，可以繼續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行，而12#、14#、15#風(fēng)電機(jī)組則被迫停機(jī)，所以13#風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，發(fā)電量會(huì)更多，輸出有功功率也會(huì)更大。

3.5 經(jīng)濟(jì)效益分析

大唐集團(tuán)新能源股份有限公司內(nèi)蒙古赤峰風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組每臺(tái)容量為1.5 MW，由于高溫大風(fēng)天氣導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組大面積停機(jī)，1臺(tái)風(fēng)電機(jī)組停機(jī)1 h損失電量為1.5 MW，若一次停機(jī)4小時(shí)，損失電量為6 MW。如果1臺(tái)風(fēng)電機(jī)組一年出現(xiàn)5次停機(jī)，損失電量為30 MW，按照風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)0.6元/(kW·h)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，1臺(tái)風(fēng)電機(jī)組每年的直接損失經(jīng)濟(jì)效益為18 000元。由此可見(jiàn)，風(fēng)電機(jī)組安裝齒輪箱油冷風(fēng)扇智能過(guò)濾系統(tǒng)后，可以降低機(jī)組的停機(jī)次數(shù)，有效地提高了風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間，提高風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量，進(jìn)而提高風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié) 語(yǔ)

風(fēng)電機(jī)組通過(guò)安裝齒輪箱油冷風(fēng)扇智能過(guò)濾系統(tǒng)，有效地抑制了齒輪箱的溫度過(guò)溫問(wèn)題，減少齒輪箱過(guò)溫引起的風(fēng)電機(jī)組停機(jī)時(shí)間，延長(zhǎng)齒輪箱的整體使用壽命，也延長(zhǎng)了發(fā)電機(jī)的使用壽命，保障風(fēng)電機(jī)組的可利用率，提高風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)盈利能力。

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