華銳風(fēng)電科技（集團(tuán)）股份有限公司 陳淑娜 孫 廣 程 維 田 帥

1 引言

目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組存在較多油溫高限功率問(wèn)題，其中1.5MW機(jī)組各風(fēng)場(chǎng)存在較多的夏季油溫高限功率問(wèn)題[1]，3MW部分機(jī)組出現(xiàn)了冬季油溫高報(bào)故障問(wèn)題，為解決這兩種不同的油溫高故障問(wèn)題，對(duì)干河口第五風(fēng)場(chǎng)出現(xiàn)夏季油溫高的1.5MW機(jī)組進(jìn)行冷卻系統(tǒng)校核，對(duì)哈密風(fēng)場(chǎng)出現(xiàn)冬季油溫高的3MW機(jī)組進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析，分別提出了不同的改造方案。

2 故障描述

甘河口第五風(fēng)場(chǎng)機(jī)組進(jìn)入夏季時(shí)，有部分機(jī)組出現(xiàn)油溫高限功率情況，調(diào)取2014年9月15日的數(shù)據(jù)（平均風(fēng)速11.3m/s，風(fēng)場(chǎng)不限功率），對(duì)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)有35臺(tái)機(jī)組出現(xiàn)過(guò)油溫高限功率現(xiàn)象，其余機(jī)組運(yùn)行良好。

哈密苦水某風(fēng)電場(chǎng)3MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自2014年投產(chǎn)以來(lái)，每到秋、冬季節(jié)就會(huì)大批量報(bào)齒輪箱進(jìn)油溫度高故障，累計(jì)達(dá)22臺(tái)，只要現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速在6m/s以上，風(fēng)機(jī)不限負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，就會(huì)報(bào)故障停機(jī)，嚴(yán)重影響了發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)效益。

3 原因分析

3.1 夏季油溫高原因分析

3.1.1 機(jī)艙系統(tǒng)熱平衡分析

太陽(yáng)輻射使機(jī)艙吸收的熱量。Q1=S×α×G=21.8kW；其中玻璃鋼材料的吸收比：α=0.507；太陽(yáng)輻照強(qiáng)度：G=1000W/㎡（甘肅地區(qū)夏天中午太陽(yáng)的光照強(qiáng)度）；機(jī)艙的等效直射面積取S=43㎡。

齒輪箱表面散熱量。齒輪箱表面散熱量：Q2=αG×A×（toil-troom）=11.06×18.6×25=5.14kW；其中齒輪箱傳熱系數(shù)：αG=11.06W/（m2K）；空氣速度系數(shù)：fx=1；齒輪箱最高油溫：toil=75℃；機(jī)艙環(huán)境溫度：troom=50℃；齒輪箱表面面積：A=18.6㎡。

機(jī)艙內(nèi)其他零部件自身散熱量。發(fā)電機(jī)表面散熱量：Q31=2.3kW；變頻器散熱量：Q32=2.3kW；驗(yàn)證機(jī)艙熱平衡。當(dāng)環(huán)境溫度40℃時(shí)，機(jī)艙溫度50℃，額定風(fēng)速下，在不考慮機(jī)艙內(nèi)外換熱前提下，機(jī)艙內(nèi)部總熱量Qall為：Qall=Q1+Q2+Q31+Q32=31.54kW。根據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2]中公式7.3-1，計(jì)算機(jī)艙內(nèi)達(dá)到熱平衡時(shí)的溫度：TEQ=3600×Qall/（Cair×Lcool×ρa(bǔ)ir）+troom=47.6℃。其中，冷卻風(fēng)扇流量：Lcool=12000 m3/h；空氣密度：ρa(bǔ)ir=1.225kg/m3；空氣比熱容，Cair=1.005，KJ/（kg·℃）。綜上，當(dāng)環(huán)境溫度為40℃，機(jī)艙溫度為47.6℃時(shí)，機(jī)艙內(nèi)基本達(dá)到熱平衡狀態(tài)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況基本相符。

3.1.2 齒輪箱冷卻系統(tǒng)校核

為評(píng)估齒輪箱潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)的散熱能力，對(duì)冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件散熱器進(jìn)行校核。冷卻系統(tǒng)參數(shù)：潤(rùn)滑油流量V=105L/min；齒輪箱損耗率PV=46kW；齒輪箱表面散熱量Q2=5.14KW。

甘河口第五風(fēng)場(chǎng)選用OK-EL10L散熱器，流量在105L/min時(shí)，散熱能力POK-EL10L=1.66kW/℃，（備注：該數(shù)值根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定，含1.1倍安全系數(shù)）。

圖1

計(jì)算油冷散熱板需要達(dá)到的散熱能力為：

式中：

P01——冷卻能力，kW/℃；

toil——冷卻器進(jìn)油口溫度，℃；

troom——機(jī)艙環(huán)境溫度，℃。

流量校核[3]，冷卻系統(tǒng)需要達(dá)到的流量V01為：

式中：潤(rùn)滑油流量V01,L/min；冷卻器進(jìn)口最大油溫度toil=75℃；冷卻器出口油溫度toil-out=60℃；潤(rùn)滑油密度ρoil=0.8449g/ml；潤(rùn)滑油比熱Coil=2.075kj/kg·℃。

綜上，潤(rùn)滑系統(tǒng)流量105L/min，有13%富余量，泵流量選擇合適。

3.1.3 綜合評(píng)估

當(dāng)環(huán)境溫度≤40℃，機(jī)艙溫度＜47.6℃時(shí)，在散熱板不被堵塞的情況下，機(jī)組不會(huì)出現(xiàn)限功率情況，冷卻系統(tǒng)滿(mǎn)足風(fēng)場(chǎng)使用要求。

但實(shí)際情況是，在風(fēng)電場(chǎng)出現(xiàn)油溫高問(wèn)題的機(jī)組中，除了少量是因?yàn)橛蜑V堵塞、傳感器問(wèn)題、溫控閥損壞、安全閥損壞及環(huán)境溫度高于40℃等原因，絕大多數(shù)都存在油冷散熱片表面和板翅通道堵塞現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致散熱能力下降。因此散熱能力下降是導(dǎo)致油溫高的重要原因。

3.2 冬季油溫高原因分析

該風(fēng)場(chǎng)機(jī)組在夏季大風(fēng)、高溫工況下未報(bào)油溫高故障，可排除冷卻系統(tǒng)散熱能力不足的問(wèn)題，在冬季溫度較低時(shí)，且冷卻回路打開(kāi)時(shí)，報(bào)油溫高故障。

綜合分析，系統(tǒng)內(nèi)部阻力較大是導(dǎo)致油溫高報(bào)故障的主要原因：冬季，環(huán)境溫度較低，高溫油液被迅速冷卻，齒輪油黏度隨溫度變化較大，越靠近冷卻器出油口油溫越低，黏度越大，使得芯體內(nèi)部阻力大大增加，加之分配器入口阻力較大、潤(rùn)滑管路較長(zhǎng)，冷卻器設(shè)計(jì)余量大等綜合因素，產(chǎn)生較大阻力，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)溢流閥開(kāi)啟，一部分流量未經(jīng)冷卻直接回流至齒輪箱，從而引起齒輪箱油溫高。

4 改造方案及效果分析

4.1 夏季油溫高改造方案

被改造風(fēng)機(jī)應(yīng)具備下列條件：一是風(fēng)機(jī)無(wú)故障，可正常運(yùn)行，風(fēng)場(chǎng)無(wú)限功率情況；二是為確保油冷系統(tǒng)正常運(yùn)行，需更換新的溫控閥、濾芯、散熱器需要從機(jī)艙拆下徹底清洗干凈或更換新的散熱片；三是選擇臨近或者發(fā)電量相近的風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造。

圖2 串聯(lián)散熱器方案

圖3 并聯(lián)散熱器方案

圖4 串/并聯(lián)示意圖

4.1.1 串/并聯(lián)散熱器方案

在原有散熱器前部并聯(lián)一個(gè)散熱器，增加原有系統(tǒng)散熱能力。

表1

在冬季，因齒輪箱涉及低溫啟動(dòng)問(wèn)題，需要對(duì)散熱器進(jìn)行并聯(lián)裝配。原散熱器散熱能力從1.66kW/℃下降至1.15kW/℃，新并聯(lián)的散熱能力為0.9kW/℃，總散熱能力為2.05kW/℃，總散熱能力提升23%。

散熱器的總散熱功率為：

在夏季齒輪箱不存在低溫啟動(dòng)，可選擇對(duì)散熱器串聯(lián)方案，熱油先經(jīng)過(guò)新增散熱器冷卻，再進(jìn)入原散熱器冷卻，新增散熱器能降低溫度10℃，散熱器的總散熱功率為：P串=P新增×（toil-troom）+POK-EL10L×（toil-troom-10）=54.4kW。其 中，散熱功率P串，kW；冷卻器進(jìn)口溫度toil=75℃；機(jī)艙環(huán)境溫度troom=50℃；串聯(lián)散熱器的散熱能力提升。

綜上，串并聯(lián)能大大提升齒輪箱的散熱能力，串聯(lián)方案比并聯(lián)方案散熱能力明顯高8%。

4.1.2 軸流風(fēng)機(jī)方案

在機(jī)艙尾部增加軸流風(fēng)機(jī)往機(jī)艙內(nèi)吸風(fēng)，可有效增加機(jī)艙內(nèi)部的空氣流通，降低機(jī)艙內(nèi)空氣溫度。風(fēng)機(jī)配有防雨罩，防止雨水和雜物進(jìn)入機(jī)艙。

軸流風(fēng)扇方案對(duì)機(jī)艙控制柜及柜內(nèi)期間降溫效果明顯，可降低約5℃。

4.1.3 油冷風(fēng)道方案

圖5 軸流風(fēng)機(jī)方案

圖6 油冷風(fēng)道

罩兩側(cè)增加兩個(gè)獨(dú)立風(fēng)道，風(fēng)道入風(fēng)口在油冷散熱器兩側(cè)，出風(fēng)口位置保持不變，增加獨(dú)立風(fēng)道后，使油冷散熱器的冷卻介質(zhì)由機(jī)艙內(nèi)部空氣變?yōu)闄C(jī)艙外部空氣，冷卻介質(zhì)溫度降低更有利于提高散熱器的散熱效果，并且可以避免齒輪箱散發(fā)的油氣對(duì)散熱板的污染。

采用此方案的兩臺(tái)機(jī)組10min數(shù)據(jù)對(duì)比如下：

由表2可以看出，在相同的風(fēng)況，并且發(fā)電量基本相同時(shí)，安裝風(fēng)道的199#風(fēng)機(jī)的油溫比197#風(fēng)機(jī)低8℃，機(jī)艙溫度低9℃。

表2

圖7為199#風(fēng)機(jī)與其附近三臺(tái)機(jī)組，分別為205#、207#、198#，9～10月底數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖7 199#、205#、207#、198#，數(shù)據(jù)對(duì)比

圖8 波紋式散熱片

由圖7可見(jiàn)，相鄰機(jī)組油溫高情況明顯，199#機(jī)組油溫較低，未報(bào)故障。

4.1.4 更換散熱片方案[4]

散熱片采用抗污染設(shè)計(jì)，降低散熱器內(nèi)、外污染導(dǎo)致的散熱器性能下降，從而減少現(xiàn)場(chǎng)清洗散熱器的頻率，即使工況惡劣導(dǎo)致出現(xiàn)了一定程度的污染，通過(guò)簡(jiǎn)單的吹掃即可最大程度都地恢復(fù)散熱性能，從而有效減少目前現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的清理后不久再次出現(xiàn)報(bào)警的現(xiàn)象。

效果分析：調(diào)整后，散熱器的散熱性能基本可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)的絕大部分工況，在機(jī)艙內(nèi)空氣溫度不超過(guò)45℃的工況下，可實(shí)現(xiàn)全時(shí)段滿(mǎn)功率運(yùn)行，避免高溫報(bào)警現(xiàn)象，散熱器的散熱效果比原散熱器產(chǎn)品提高15%；調(diào)整后，散熱器的清理周期明顯延長(zhǎng)，清理難度下降。

4.2 冬季油溫高改造方案

該方案是基于整體安裝結(jié)構(gòu)不變、物料盡可能少變動(dòng)的原則進(jìn)行調(diào)整，具體實(shí)施方案如下：

4.2.1 調(diào)整冷卻參數(shù)

根據(jù)齒輪箱理論計(jì)算發(fā)熱量和當(dāng)?shù)貙?shí)際環(huán)境溫度，調(diào)整如表3所示。

表3

4.2.2 更換散熱片

安裝接口尺寸不變，芯體厚度增加；翅片板間距加大；油主通道由80mm寬調(diào)整為60mm寬。

4.2.3 效果分析

改造后，風(fēng)機(jī)不再冬季報(bào)油溫高故障，且夏季高溫大風(fēng)工況下，也未出現(xiàn)高溫故障，圖9為改造后兩臺(tái)機(jī)組在冬季和夏季的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

圖9 優(yōu)化后40#風(fēng)力發(fā)電機(jī)冬季運(yùn)行數(shù)據(jù)

圖10 優(yōu)化后50#風(fēng)力發(fā)電機(jī)冬季運(yùn)行數(shù)據(jù)

圖12 優(yōu)化后50#風(fēng)力發(fā)電機(jī)夏季運(yùn)行數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)1.5MW機(jī)組出現(xiàn)的夏季油溫高現(xiàn)象和3MW機(jī)組出現(xiàn)的冬季油溫高現(xiàn)象逐一進(jìn)行分析，得出了油溫高產(chǎn)生的原因，并制定了不同的改造方案，并具體實(shí)施進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果證明，兩套改造方案可有效解決油溫高現(xiàn)象，對(duì)進(jìn)一步研究和解決齒輪箱過(guò)溫問(wèn)題提供了更加有利的方案。