譚浩宇
(湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道機(jī)車學(xué)院,株洲 412006)
據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會(huì)(Global Wind Energy Council,GWEC)報(bào)告顯示,2019年全球新裝機(jī)容量為60.4 GW,同比增長19%.中國和美國仍然是全球最大的風(fēng)能市場,新增容量合計(jì)占2019年的60%以上.2020年中國陸上風(fēng)電新裝機(jī)容量將為20-25 GW,繼續(xù)保持著較大增長.
隨著全世界范圍內(nèi)風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)的迅速擴(kuò)展,在高寒地區(qū)風(fēng)電場變得越來越普遍.在瑞典,大部分大型風(fēng)電場都將建在寒冷的氣候地區(qū),由于極寒氣候?qū)е碌膿p失為年產(chǎn)量的10%~20%[1].在我國,風(fēng)資源也存在季節(jié)性、地域性分布不平衡的問題,據(jù)北極星風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)分析報(bào)告指出,預(yù)計(jì)2021年有8000~14000 MW新增裝機(jī)量在內(nèi)蒙古、青海等地,而這些地區(qū)大部分風(fēng)力機(jī)設(shè)備處于高原、高寒地區(qū)的低溫環(huán)境下.因此風(fēng)力機(jī)組啟動(dòng)困難、設(shè)備故障和能量浪費(fèi)成為了亟待解決的問題[2-6].
目前,大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低溫啟動(dòng)問題,受到各風(fēng)電場和研發(fā)人員的關(guān)注,并針對(duì)問題,從齒輪箱油升溫、齒輪箱潤滑油油品和控制系統(tǒng)等方面對(duì)低溫啟動(dòng)進(jìn)行研究和改進(jìn).
在低溫環(huán)境下,葉片、液壓系統(tǒng)、齒輪箱系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)等設(shè)備性能均會(huì)受到影響.中國可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)在2012年調(diào)查[7]統(tǒng)計(jì)出風(fēng)電部件停機(jī)時(shí)間、齒輪箱故障發(fā)生比率,如圖1、2所示.從圖中可見,風(fēng)力機(jī)組中齒輪箱、發(fā)電機(jī)、葉片三部分占停機(jī)時(shí)間比率超過87%,風(fēng)力機(jī)組故障主要集中在齒輪箱、發(fā)電機(jī)和葉片上,而作為風(fēng)力機(jī)主要啟動(dòng)部件的齒輪箱成為了低溫啟動(dòng)的技術(shù)關(guān)鍵,而在齒輪箱中,除了齒輪、軸承等關(guān)鍵部件外,傳感器、供油等部件也受到溫度影響,其中潤滑油是造成液壓系統(tǒng)[9]、偏航系統(tǒng)[10]對(duì)低溫敏感的主要因素,但二者的啟動(dòng)條件,相較于齒輪箱系統(tǒng)要求偏低.因此,通過采取系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)和機(jī)艙加熱能夠使設(shè)備達(dá)到啟動(dòng)條件,而齒輪箱由于其機(jī)構(gòu)復(fù)雜,僅通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)和機(jī)艙加熱無法達(dá)到低溫啟動(dòng)要求,因此在機(jī)艙加熱的基礎(chǔ)上,單獨(dú)對(duì)齒輪箱和油泵等設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立安裝加熱器.引起低溫?zé)o法啟動(dòng)的根本原因是潤滑油的粘度上升,潤滑油的運(yùn)動(dòng)粘度隨溫度呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)變化趨勢(shì)(見表1).以美孚Mobil SHC 75w-90LS型潤滑油作為參考,若溫度低于-40℃,粘度進(jìn)一步增加,使得齒輪、軸承等傳動(dòng)部件潤滑條件惡化而導(dǎo)致失效,造成電機(jī)燒毀和齒盤受損等故障.
表1 潤滑油運(yùn)動(dòng)粘度隨溫度變化[22]
圖1 風(fēng)力機(jī)組各部件停機(jī)時(shí)間比率[8]
圖2 齒輪箱部件故障發(fā)生頻次比率[7]
由于大部分受溫度影響設(shè)備在機(jī)艙內(nèi)部,為了保證機(jī)艙內(nèi)機(jī)電系統(tǒng)的可靠性,所以安裝機(jī)艙加熱器、保溫裝置和溫控程序成為了低溫啟動(dòng)的解決策略之一,現(xiàn)在針對(duì)風(fēng)力機(jī)機(jī)艙加熱的內(nèi)部溫度場研究主要采用CFD計(jì)算方法,研究加熱器引起的內(nèi)部溫度和流動(dòng)變化對(duì)啟動(dòng)的影響.
早在2007年,內(nèi)蒙古風(fēng)電場發(fā)生了低溫啟動(dòng)故障,國華新能源有限公司[11]提出低溫下對(duì)G52-850 kw風(fēng)力機(jī)組加裝密封圈、加裝加熱器的方案,來確保各關(guān)鍵部件和整體的啟動(dòng)溫度;另外華北電力大學(xué)的孫鵬等[12]也對(duì)低溫引起的故障,提出在原低溫風(fēng)力機(jī)組基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),通過加裝保溫層和將機(jī)艙后部發(fā)電機(jī)下方的1個(gè)15 kW空氣加熱器改為在機(jī)艙尾部背壁板左右兩側(cè)各增加1個(gè)5 kW的加熱器,有效使低溫啟動(dòng)時(shí)間大大縮短.而之后在低溫型1.5 MW風(fēng)力機(jī)組的設(shè)計(jì)中[13],設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)增設(shè)獨(dú)立的加熱控制系統(tǒng),對(duì)機(jī)艙整體進(jìn)行加熱,以提高低溫下風(fēng)力機(jī)組的穩(wěn)定性.另外,增設(shè)了氣流管理系統(tǒng)和軟件措施[14],提高熱量循環(huán)和安全策略.此時(shí),風(fēng)力機(jī)組雖然通過加熱機(jī)艙溫度間接改善風(fēng)力機(jī)組中各部件的啟動(dòng)條件,但在啟動(dòng)后,熱量耗散較大,如圖3所示,機(jī)艙加熱會(huì)在機(jī)艙內(nèi)形成“前冷后熱”的溫度分布,是由于機(jī)艙前端送風(fēng)口氣體流速快,而尾部氣體流速慢,導(dǎo)致的機(jī)艙局部過熱.文獻(xiàn)[15]研究表明,在低溫條件下對(duì)機(jī)艙絕熱和良好促進(jìn)內(nèi)部溫度場的均勻性分布能夠減少熱量的流失.研究人員發(fā)現(xiàn),機(jī)艙空調(diào)系統(tǒng)[16]能夠有效促進(jìn)溫度場均勻性,對(duì)機(jī)艙溫度進(jìn)行調(diào)控,利用三種基本傳熱方式強(qiáng)化傳熱或削弱傳熱[17],使得機(jī)組在-45℃~+50℃環(huán)境下,機(jī)艙內(nèi)溫度保持正常.機(jī)艙空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中就必須控制艙內(nèi)溫差處于±5℃之內(nèi).避免設(shè)備之間存在受熱溫差,且控制不必要能耗,對(duì)艙內(nèi)溫度進(jìn)行有效控制[18].除了空調(diào)系統(tǒng),機(jī)艙的結(jié)構(gòu)布置能夠有效提高溫度場分布的均勻性.馬鐵強(qiáng)等[19-20]采用ANSYS ICEM CFD與FLUENT對(duì)機(jī)艙溫度場進(jìn)行模擬分析,提出低溫(-15℃-10℃)情況下“下送測(cè)排”式散熱布置的機(jī)艙溫度場分布更為均勻,如圖4所示,并進(jìn)一步提出了通過艙內(nèi)溫控、機(jī)艙散熱布局、大數(shù)據(jù)分析等不同角度對(duì)艙內(nèi)進(jìn)行溫控.
圖3 典型位置截面的溫度場云圖、溫度曲線圖及空氣流動(dòng)圖
圖4 典型位置截面的溫度場云圖
機(jī)艙加熱的主要目的是使電子設(shè)備能夠正常工作,以及液壓、偏航等系統(tǒng)中的潤滑油達(dá)到正常工作溫度.雖然對(duì)機(jī)艙溫度進(jìn)行均勻性、開閉性和結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化,能夠改善風(fēng)力機(jī)組的低溫啟動(dòng)條件以及低溫時(shí)潤滑油粘度過大的問題.機(jī)艙加熱對(duì)小型機(jī)艙效果較好,但由于大型風(fēng)力機(jī)組機(jī)艙腔體過大[21],機(jī)艙的溫度變化傳至齒輪箱設(shè)備中的潤滑油始終存在一定延時(shí)性和局限性,所以無法單獨(dú)通過機(jī)艙加熱來解決潤滑油導(dǎo)致的低溫啟動(dòng)問題,加熱機(jī)艙僅僅起到輔助作用.為了完全消除溫度對(duì)潤滑油粘度的影響,需在機(jī)艙加熱的基礎(chǔ)上,在齒輪箱內(nèi)安裝加熱器、溫控器和溫控程序等設(shè)備.
齒輪箱作為主要傳遞動(dòng)能完成發(fā)電的設(shè)備,受到交變應(yīng)力和沖擊等影響易發(fā)生故障[24],而潤滑油作為緩沖介質(zhì)有效避免設(shè)備故障[22].在低溫啟動(dòng)中,潤滑油粘度隨溫度降低呈指數(shù)增加,僅通過機(jī)艙加熱無法使齒輪箱、油泵中的潤滑油完全恢復(fù)粘性,因此在機(jī)艙加熱基礎(chǔ)上增加對(duì)設(shè)備的單獨(dú)加熱.在早期應(yīng)用過程中,發(fā)現(xiàn)低溫潤滑油存在流動(dòng)性不強(qiáng)、易凝結(jié)的特性,直接加熱無法使齒輪箱油整體升溫,且容易造成局部油品過熱變性,引起基礎(chǔ)油和添加劑的分解、變質(zhì)[23],造成更大的安全隱患.
風(fēng)電機(jī)組齒輪箱內(nèi)部通常采用的浸入式電加熱器,由于極低溫度、高粘度潤滑油和低溫啟動(dòng)的靜態(tài)油池加熱等多個(gè)復(fù)雜因素,導(dǎo)致了風(fēng)電齒輪箱的加熱條件[24]極為苛刻.在浸入式加熱器加熱過程中,必須利用強(qiáng)制流動(dòng)、攪動(dòng)等方法強(qiáng)化潤滑油流動(dòng),否則會(huì)由于流動(dòng)性差造成局部溫度過高[25].增加潤滑油流動(dòng)性通常采用油泵,但低溫下潤滑油流動(dòng)性能差[26],油泵驅(qū)動(dòng)功率與潤滑油溫度成反比,如圖5所示,所以溫度過低時(shí),強(qiáng)行啟動(dòng)電動(dòng)泵極易導(dǎo)致循環(huán)泵電機(jī)或聯(lián)軸器損壞,無法實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)并造成設(shè)備損壞.
孫彬彬[27]提出一種利用變頻來改變輸油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)油泵隨工況調(diào)節(jié)功率,避免低溫下功率不變引起潤滑油溢出導(dǎo)致停機(jī)的問題,從而使齒輪箱內(nèi)潤滑油能夠有效強(qiáng)制循環(huán)來提升齒輪箱內(nèi)潤滑油粘稠度,調(diào)整電機(jī)的極數(shù)和額定功率能夠縮短低溫啟動(dòng)時(shí)間,但由于變頻器在極寒環(huán)境下依然會(huì)受到低溫的影響,存在一定局限性.從圖6、7、8中能夠看到,齒輪嚙合面溫度高于非嚙合面,并隨黏度增大,齒輪箱內(nèi)的溫度升高且嚙合面的換熱系數(shù)下降,散熱性能下降[28].董禮等[29]提出在冷啟動(dòng)模式開啟齒輪箱和發(fā)電機(jī)加熱器的同時(shí),將風(fēng)機(jī)槳葉打開角度0°~30°,使風(fēng)輪以0~3 r/min速度空轉(zhuǎn),攪動(dòng)齒輪箱的潤滑油和潤滑脂,加快潤滑油、潤滑脂的升溫,降低其粘度,同時(shí)可以用油泵加快潤滑油的循環(huán),可縮短約一半啟動(dòng)時(shí)間.在國電兩個(gè)風(fēng)場的7臺(tái)1.5 MW風(fēng)電機(jī)組上進(jìn)行試驗(yàn),冷啟動(dòng)時(shí)間從4 h縮短至1 h 20 min.
圖5 不同溫度下油泵驅(qū)動(dòng)功率變化曲線
圖6 主從動(dòng)輪溫度場(a主動(dòng)輪,b從動(dòng)輪)
圖7 潤滑油粘度對(duì)齒輪箱溫度的影響
圖8 潤滑油黏度對(duì)嚙合面換熱系數(shù)的影響
針對(duì)齒輪箱、油泵等特定設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立加熱是風(fēng)力機(jī)發(fā)電機(jī)組低溫啟動(dòng)的主要手段,針對(duì)局部溫差過大的問題,主要通過增加流動(dòng)性解決.強(qiáng)制流動(dòng)中,通過風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)、攪動(dòng)潤滑油的方法在能源利用率上更具優(yōu)勢(shì),而在潤滑油局部過熱問題上,加熱器結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面依然存在研究空白.另外,多參數(shù)、多數(shù)據(jù)的控制系統(tǒng),使各設(shè)備間啟動(dòng)加熱的同步性更好,能夠縮短啟動(dòng)時(shí)間和避免設(shè)備故障.
風(fēng)力機(jī)組件在低溫條件下,潤滑油呈現(xiàn)粘性過大狀態(tài),液壓泵廠通常對(duì)低溫啟動(dòng)過程中的粘度有嚴(yán)格要求,避免粘度過高導(dǎo)致氣穴,進(jìn)而引起油泵損壞[30].因此如何提高低溫狀態(tài)下的潤滑油粘度,以及合適的加熱功率密度成為了能夠有效提高風(fēng)力機(jī)組低溫啟動(dòng)能力的另一個(gè)途徑.
在低溫下,潤滑油流動(dòng)性下降是由于黏溫凝固和結(jié)構(gòu)凝固的原因,通常采用添加降凝劑或黏度指數(shù)改進(jìn)劑,以及采用合成油等方式[31],但沈雨虹等[32]對(duì)低溫工況下風(fēng)力機(jī)潤滑油選擇研究中指出,選取的潤滑油粘度系數(shù)必須在150~260,且不能使用粘度系數(shù)改進(jìn)劑,-30℃時(shí),粘度小于等于222 000 cSt.在2016年,Kline&Co.公司研究報(bào)告中指出[33],在風(fēng)力機(jī)組的潤滑油需求中,齒輪油約占70%,其次是液壓油和潤滑脂等,為延長換油周期,風(fēng)力機(jī)組中大多采用合成潤滑油.相較于礦物基潤滑油在耐溫性、潤滑性、抗氧化性、黏溫性能等方面有較大的提升[34-35],在表2中可見,合成酯有雙酯、復(fù)酯和多元醇酯等,其具有良好的黏溫特性和低溫性能,黏度指數(shù)通常超過150,傾點(diǎn)低至-60℃.由于風(fēng)電機(jī)組油的大量需求不斷增長,Eddy Devriese[36]使用冷啟動(dòng)模擬器(CCS)和微型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)(MRV)確定了合成(PAO)齒輪油比礦物油具有更寬的工作范圍.另外,根據(jù)低溫型風(fēng)力機(jī)組的設(shè)計(jì)要求[37],必須對(duì)潤滑油油品進(jìn)行選擇,以主齒輪箱用油為例,當(dāng)油溫越低,不同品牌油品低溫流動(dòng)性差距越明顯[38].
表2 合成脂的低溫性能[37]
根據(jù)上述研究,為優(yōu)化風(fēng)力機(jī)組低溫啟動(dòng)性能,風(fēng)力機(jī)組中潤滑油可采用具有優(yōu)異性能合成脂類的合成潤滑油,能夠增加設(shè)備的工作溫度區(qū)間,進(jìn)而有效縮短低溫啟動(dòng)時(shí)間.另外,潤滑油性能提升可以減少機(jī)艙加熱器和設(shè)備獨(dú)立加熱器數(shù)量,以及減少加熱耗能,提高風(fēng)力機(jī)組產(chǎn)能,因此合成潤滑油低溫性能提升將有可能解決風(fēng)力機(jī)低溫啟動(dòng)問題.
無論是對(duì)風(fēng)力機(jī)機(jī)艙整體加熱還是對(duì)齒輪箱、冷卻器等設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立加熱,都需要通過算法控制系統(tǒng)對(duì)加熱器的啟停、功率、溫度,以及潤滑油流動(dòng)性進(jìn)行調(diào)控.在低溫風(fēng)力機(jī)組研發(fā)中[39],要求對(duì)再啟動(dòng)和低溫啟動(dòng)設(shè)置了機(jī)艙,以及關(guān)鍵部位的溫度閾值,并設(shè)置了保護(hù)邏輯,避免加熱裝置和溫度傳感器故障而引起故障.其中風(fēng)機(jī)啟動(dòng)邏輯中包括故障狀態(tài)、關(guān)鍵部件溫度、機(jī)艙溫度等條件,需條件同時(shí)滿足時(shí)才達(dá)到啟動(dòng)要求[40].隨著風(fēng)電發(fā)展,僅僅通過溫度參數(shù)無法全面監(jiān)測(cè)啟動(dòng)狀態(tài),因此低溫啟動(dòng)的控制邏輯目前采取的是多參數(shù)、多階段的邏輯控制.通常在風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速后,對(duì)機(jī)組的齒輪箱、發(fā)電機(jī)繞組溫度進(jìn)行判斷,若溫度過低于啟動(dòng)條件時(shí),啟動(dòng)各加熱器進(jìn)行加熱,同時(shí)利用機(jī)組的旋轉(zhuǎn)和油泵加快循環(huán),提高潤滑油流動(dòng)性和受熱均勻性,當(dāng)溫度、風(fēng)速、流速等參數(shù)均達(dá)到啟動(dòng)條件時(shí),完成風(fēng)力機(jī)啟動(dòng),此啟動(dòng)控制方法有效避免低溫啟動(dòng)時(shí)單一溫度參數(shù)導(dǎo)致潤滑油流動(dòng)性和風(fēng)速不夠引起的啟動(dòng)過程中的設(shè)備故障,有效縮短啟動(dòng)時(shí)間,提高機(jī)組的并網(wǎng)響應(yīng)能力和機(jī)組發(fā)電量[29].吳安等[41]結(jié)合主控系統(tǒng)對(duì)機(jī)組部件的溫度、壓力等狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理判定,給出執(zhí)行系統(tǒng)對(duì)加熱器反饋控制,擁有對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)和控制方式獲取簡單,低溫啟動(dòng)時(shí)間較短,可靠性高、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn).除了通過溫度、風(fēng)速和壓力等參數(shù)對(duì)風(fēng)力機(jī)低溫啟動(dòng)進(jìn)行控制之外,顏毅斌等[42]利用風(fēng)機(jī)內(nèi)部現(xiàn)場總線技術(shù),采集電動(dòng)泵的供電電流參數(shù)間接判斷電動(dòng)泵的扭矩變化,最大限度利用電動(dòng)泵輔助齒輪箱油的循環(huán)同時(shí)保護(hù)低溫啟機(jī)中的電動(dòng)泵安全.通過在原有參數(shù)基礎(chǔ)上,增加了基于電流參數(shù)的電動(dòng)泵扭矩控制算法,并增加了低溫啟動(dòng)狀態(tài)機(jī),通過轉(zhuǎn)速PID閉環(huán)控制既能保證風(fēng)機(jī)在空載狀態(tài)的運(yùn)行安全又能借助風(fēng)輪低速空載運(yùn)轉(zhuǎn)解決齒輪箱系統(tǒng)溫度低潤滑油粘稠度不夠的問題.
由于潤滑油加熱主要包括加熱器溫度和潤滑油流動(dòng)性兩個(gè)方面,因此能夠從各個(gè)參數(shù)的角度對(duì)狀態(tài)進(jìn)行分析,進(jìn)而判斷潤滑油和設(shè)備的狀態(tài),進(jìn)而通過算法和控制系統(tǒng)對(duì)各個(gè)設(shè)備和參數(shù)完成控制,保證實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性,為風(fēng)力機(jī)組低溫啟動(dòng)起到了輔助作用,但算法的優(yōu)化能夠使風(fēng)力機(jī)在有限的物理?xiàng)l件下,加強(qiáng)低溫啟動(dòng)能力,因此,算法和控制系統(tǒng)的進(jìn)一步研究,能夠使低溫啟動(dòng)和風(fēng)力機(jī)組低溫運(yùn)行能力進(jìn)一步提升.
隨著高寒地區(qū)風(fēng)電的迅速發(fā)展,風(fēng)力機(jī)組低溫問題逐步增多.低溫啟動(dòng)技術(shù)的需求逐漸增加,引起了大量風(fēng)電領(lǐng)域研究學(xué)者的研究熱情.國內(nèi)外學(xué)者對(duì)低溫啟動(dòng)的各設(shè)備和方面提出了許多相關(guān)研究方法和診斷策略[42-46],但低溫啟動(dòng)領(lǐng)域依然存在許多科學(xué)和工程上的研究空間,可以在以下方面進(jìn)行進(jìn)一步研究.
(1)在機(jī)艙加熱的低溫啟動(dòng)方面.目前有許多加熱器分布和散熱研究應(yīng)用,對(duì)低溫啟動(dòng)的設(shè)備狀態(tài)能夠起到較為有效的控制,但是作為眾多零部件啟動(dòng)條件的保障,既要保證啟動(dòng)溫度,又要控制運(yùn)行溫度,僅通過機(jī)艙中的加熱器控制,效果十分有限.機(jī)艙空調(diào)系統(tǒng)與散熱結(jié)構(gòu)布置相結(jié)合是未來對(duì)機(jī)艙溫度控制的重要方向,但對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)需要與控制算法進(jìn)行結(jié)合,通過各項(xiàng)參數(shù),多指標(biāo)的對(duì)溫度和均勻性進(jìn)行控制.
(2)在設(shè)備獨(dú)立加熱的低溫啟動(dòng)方面.浸入式加熱器能夠提高啟動(dòng)能力,但加熱器需要為潤滑油提供強(qiáng)制流動(dòng)性,其中利用風(fēng)輪動(dòng)力攪拌相較于油泵,在能源利用率上更具有優(yōu)勢(shì),另外,有望通過加熱器結(jié)構(gòu)研究,提高加熱器表面局部潤滑油流動(dòng)速率,解決加熱器局部溫度過高問題.因此如何優(yōu)化加熱器結(jié)構(gòu),提高潤滑油低溫粘度是提高啟動(dòng)能力的關(guān)鍵.
(3)控制算法研究方面,如今低溫啟動(dòng)的控制新方法不斷涌現(xiàn),從溫度、壓力、流速等直接狀態(tài)參數(shù)控制到利用電動(dòng)泵的供電電流等間接參數(shù)進(jìn)行控制,隨參數(shù)變化而改變控制,確保風(fēng)力機(jī)組能夠完成低溫啟動(dòng).若能提出一個(gè)能夠反映齒輪箱潤滑油溫度、粘度以及流動(dòng)性的參數(shù),并結(jié)合多個(gè)參數(shù)融合,通過一體化監(jiān)控系統(tǒng)和智能化電腦控制啟動(dòng)運(yùn)行,能夠更為有效率的控制風(fēng)力機(jī)組.