陳子新 楊景明 孫紅凱 高 陽(yáng) 衣麗葵

（1.大唐（赤峰）新能源有限公司，赤峰 024050；2.沈陽(yáng)工程學(xué)院 電力學(xué)院，沈陽(yáng) 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(shí)的不斷增強(qiáng)，低碳經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為全球關(guān)注的重點(diǎn)[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(lái)，我國(guó)對(duì)能源的需求和環(huán)保要求力度的不斷加強(qiáng)，風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性等優(yōu)點(diǎn)突出，使風(fēng)電機(jī)組的裝機(jī)容量占可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量的第一位。

風(fēng)電機(jī)組是無(wú)人值守高空持續(xù)運(yùn)行的大型復(fù)雜機(jī)械裝置，安裝地點(diǎn)環(huán)境惡劣，工作過(guò)程中會(huì)以摩擦、碰撞、電磁損耗等形式持續(xù)發(fā)熱。盡管風(fēng)電機(jī)組配有散熱裝置，但是依然存在機(jī)艙環(huán)境溫度升高，引起潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑水平降低、機(jī)艙管線(xiàn)老化加速甚至機(jī)艙爆燃等嚴(yán)重問(wèn)題。為此，機(jī)艙內(nèi)主要發(fā)熱部件軸承、齒輪箱、發(fā)電機(jī)等設(shè)定溫升閾值，超溫后風(fēng)電機(jī)組主動(dòng)實(shí)施停機(jī)避險(xiǎn)。對(duì)大唐（赤峰）風(fēng)電場(chǎng)統(tǒng)計(jì)，由于部件超溫引起的機(jī)組停機(jī)次數(shù)超過(guò)非正常停機(jī)總數(shù)40%以上，可見(jiàn)，機(jī)艙散熱問(wèn)題仍然沒(méi)有得到有效解決，嚴(yán)重抑制了風(fēng)電機(jī)組的可利用率及其成本的回收。風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙環(huán)境溫度過(guò)溫問(wèn)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(guò)模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)，分析其溫度場(chǎng)的分布；風(fēng)電機(jī)艙結(jié)構(gòu)散熱性研究，馬鐵強(qiáng)等通過(guò)研究風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙布局及其在不同的散熱氣流組織形態(tài)下，機(jī)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(jī)組工作環(huán)境對(duì)發(fā)熱影響的研究，SMAILI等通過(guò)研究極端溫度下風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙的熱性能，提供機(jī)艙冷卻系統(tǒng)的功率匹配[2-3]。

上述研究為控制風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙發(fā)熱、冷卻等問(wèn)題奠定了基礎(chǔ)，但對(duì)于實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，改善機(jī)艙環(huán)境降低機(jī)艙溫度，避免機(jī)組限功率運(yùn)行，甚至被迫停機(jī)的研究，仍非常重要[4]。

2 機(jī)艙環(huán)境溫度過(guò)溫原因

2.1 冷卻系統(tǒng)自身問(wèn)題

冷卻系統(tǒng)自身問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致機(jī)艙溫度過(guò)高。第一，冷卻器故障，如冷卻器內(nèi)部電線(xiàn)短路、斷路、電機(jī)燒壞等均可導(dǎo)致風(fēng)扇不運(yùn)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(shí)發(fā)揮作用。目前，發(fā)現(xiàn)油溫高時(shí)，溢流閥仍然有流油的情況，這樣會(huì)使經(jīng)過(guò)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(guò)高，使高速軸承溫度不能有效卸去，導(dǎo)致軸承溫度過(guò)高而引起機(jī)艙環(huán)境溫度升高。

2.2 潤(rùn)滑系統(tǒng)不能充分發(fā)揮作用

潤(rùn)滑系統(tǒng)不能有效發(fā)揮作用而導(dǎo)致機(jī)艙溫度過(guò)高。第一，打開(kāi)后箱觀察蓋檢查軸承出油情況，發(fā)現(xiàn)出油很少則說(shuō)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(jì)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(cuò)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(rùn)滑系統(tǒng)的壓力閥或溫控閥錯(cuò)誤。在過(guò)濾器與齒輪箱的油管連接無(wú)誤的情況下，當(dāng)油溫超過(guò)55℃，過(guò)濾器到油分配器的管子仍有流油，說(shuō)明過(guò)濾器的溫控閥存在問(wèn)題而影響散熱。第三，齒輪噴油不足或油孔沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)齒輪，都會(huì)導(dǎo)致齒輪溫度過(guò)高，進(jìn)而使軸承溫度偏高。

3 機(jī)艙環(huán)境傳統(tǒng)處理方法

3.1 人工除塵

機(jī)艙環(huán)境傳統(tǒng)的除塵方法，通常是運(yùn)維人員登上風(fēng)電機(jī)組塔頂進(jìn)行清潔。一般采用人力清掃機(jī)艙設(shè)備和齒輪箱的熱交換器，如果機(jī)艙環(huán)境溫度高，運(yùn)維人員打開(kāi)機(jī)艙天窗靠自然風(fēng)散熱來(lái)降低機(jī)艙溫度。這樣做既耗費(fèi)人力物力，停機(jī)時(shí)間又長(zhǎng)，而除塵散熱效果有限，對(duì)齒輪箱熱交換器的清理治標(biāo)不治本。同時(shí)，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(guò)溫，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，即在不改變?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，替換原來(lái)的冷卻器。

3.3 加裝一臺(tái)冷卻器

為提高潤(rùn)滑系統(tǒng)的熱交換能力，在原有冷卻系統(tǒng)中增加一臺(tái)獨(dú)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(jī)艙環(huán)境溫度的智能控制

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

機(jī)艙環(huán)境智能過(guò)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(jī)艙柜外側(cè)、機(jī)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(dòng)發(fā)送啟動(dòng)命令給機(jī)艙除塵過(guò)濾裝置。機(jī)艙除塵過(guò)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(guò)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(guò)濾裝置中伺服電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)信號(hào)，伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)同步齒形帶帶動(dòng)絲網(wǎng)導(dǎo)輪軸，自動(dòng)更換過(guò)濾網(wǎng)。為保證過(guò)濾網(wǎng)一直處于被拉伸的狀態(tài)，不會(huì)傾斜而跑出軌道，過(guò)濾裝置上配備阻尼裝置，配合伺服電動(dòng)機(jī)同時(shí)工作。

當(dāng)齒輪箱油管外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)其中任一個(gè)溫度傳感器監(jiān)測(cè)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(cè)機(jī)艙溫度超過(guò)45℃時(shí)，說(shuō)明機(jī)艙溫度高，控制系統(tǒng)向通風(fēng)裝置的軸流風(fēng)機(jī)發(fā)送啟動(dòng)命令，當(dāng)機(jī)艙溫度降低45℃以下，軸流風(fēng)機(jī)停止工作。軸流風(fēng)機(jī)采用一體式加厚鑄鐵風(fēng)葉設(shè)計(jì)，強(qiáng)度高不易變形脫落，葉輪經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的動(dòng)平衡校準(zhǔn)具有良好的空氣動(dòng)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(shí)電機(jī)固定采用三角力學(xué)固定，可以有效減輕電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的震動(dòng)，保證電機(jī)持續(xù)穩(wěn)定安全運(yùn)行。電機(jī)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(guò)測(cè)試達(dá)到7.6℃。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組每臺(tái)容量為1.5MW，每年由于高溫大風(fēng)天氣導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組停機(jī)約為10次，每次停機(jī)恢復(fù)平均時(shí)間8小時(shí)，每年每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組因風(fēng)機(jī)環(huán)境污染、齒輪箱散熱不暢導(dǎo)致的油溫過(guò)熱停機(jī)損失電量可達(dá)120萬(wàn)kWh。一個(gè)具有33臺(tái)的49.5MW容量的風(fēng)電場(chǎng)，每年將損失電量3960萬(wàn)kWh，按風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)0.6元/千瓦時(shí)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，每年損失237.6萬(wàn)元。由此可見(jiàn)，風(fēng)電機(jī)組安裝機(jī)艙環(huán)境智能過(guò)濾降溫系統(tǒng)后，改善機(jī)艙環(huán)境，降低機(jī)艙溫度，減少機(jī)組的停機(jī)次數(shù)，有效提高了風(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。

6 結(jié)語(yǔ)

風(fēng)電機(jī)組安裝機(jī)艙環(huán)境智能過(guò)濾降溫系統(tǒng)后，極大改善了風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙環(huán)境，降低機(jī)艙溫度，切實(shí)保障風(fēng)電場(chǎng)的安全運(yùn)行，減少風(fēng)機(jī)停機(jī)時(shí)間，保障風(fēng)機(jī)利用率，提高風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)盈利能力。