探讨风力发电机组齿轮箱高温故障原因及解决方案

探讨风力发电机组齿轮箱高温故障原因及解决方案

杨焕琨

(国家电投集团宁夏能源铝业中卫新能源有限公司750001)

摘要：风力发电机组中，齿轮箱是其核心器件之一，在保证机组正常运行中起着关键的作用。但在其运行阶段普遍存在齿轮箱高温故障问题，给风力发电机组功率运行造成很大影响。尤其是随着齿轮箱使用年限的不断增加，部分风电场机组齿轮箱的高温故障问题逐步凸显，齿轮箱高温故障不仅会造成风机停机，而且对发电量的影响较为严重，从而影响了发电厂的经济效益。为此，本文笔者对风力发电机组齿轮箱高温故障原因及存在的危害分析，并提出相应的解决方案与措施，以供参考。

关键词：风力发电机组；齿轮箱；高温故障；解决方案

风能是太阳能的一种转换形式，是一种重要的自然能源。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能，但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风能作为一种无污染、可再生的绿色能源，它对于解决全球性的能源危机和环境危机有着非常重要的意义。由于科学水平的不断进步以及风能自身清洁、环保的特点，风能被逐渐应用于发电行业。尤其是最近几十年来，世界风力发电技术取得了突飞猛进的发展，风能也已成为世界能源中增长最快的一种。到目前为止，绝大部分地区都在应用风力发电机组进行日常发电工作。而风力发电机组齿轮箱作为风力发电整机的配套产品，它的重要功能是将风轮在风力作用下产生的动力传递给发电机，使其得到相应的转速进行发电。从客观的角度来分析，一旦齿轮箱出现故障，不仅仅是发电工作将会受到阻碍，整个风力发电机组都会受到影响，甚至是损坏。为此，本文笔者对风力发电机组齿轮箱高温故障原因及存在的危害分析，并提出相应的解决方案与措施，以期为相关工作提供借鉴。

1风力发电机组齿轮箱概述

风力发电机组的增速齿轮箱是整机的重要机械部件，其主要功能是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。通常风轮的转速很低，远达不到发电机发电所要求的转速，必须通过齿轮箱齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。

作为风力发电机组主要传动关键部件，齿轮箱位于风轮和发电机之间传递动力提高转速，是一种在无规律变向载荷和瞬间强冲击载荷作用下工作的重载齿轮传动装置。由于风力发电机组齿轮箱长期处于这样的恶劣条件下，会出现很多故障，尤其是齿轮箱高温故障在风力发电机组运行中普遍存在，不仅会造成风机停机，影响发电量，而且还直接关系发电厂的经济效益。因此，对风力发电机组齿轮箱高温故障原因进行分析，有着非常重要的意义。

2齿轮箱过温的原因

齿轮箱过温的原因主要有以下几点：①齿轮箱的传动效率降低，发热量增大。②温控换向阀失效，导致部分流量不经过散热器而直接回到齿轮箱。③散热片有漏油或渗油现象出现，灰尘会快速黏附堵塞散热片，降低散热能力。④散热片设计不合理。为增大散热面积，散热片设计采用了交错排列的翅片，当环境空气中有大的灰尘颗粒、杨絮、柳絮时，易堵塞，使通风量减小，冷却效率下降。⑤齿轮油质量因素。油品劣化，润滑油中金属颗粒、氧化生成物、水分等超标，使润滑质量下降，发热量增大，导致过温。⑥设计使用环境与实际使用环境有差异，比如环境温度、机舱温度影响等。

3齿轮箱过温的危害

齿轮箱过温的危害主要有：①频繁限功率，严重者过温停机，待油温冷却重启风机，损失发电量；②降低润滑油的黏度，油膜变薄，导致齿轮、轴承等机械磨损加快或疲劳点蚀；③油温持续过高，加快齿轮箱温度敏感元件的老化，降低机组的整体使用寿命。

4散热改造方案及分析

4.1采用专用清洗剂

方案：采用散热片专用清洗剂清洁，可有效清除油污、灰尘及附着物，提高散热效果。分析：适用于油液污染，散热片灰尘、柳絮堵塞清理，恢复散热能力。但当齿轮箱效率下降时不能完全解决温度过高的问题。

4.2增大散热风扇的通流量

方案：①更换散热风扇叶片及电机，提高散热通风量；②通过采取变频措施，提高风扇电机频率，增加转速，提高通风量。分析：未有效提高散热片的当量冷却功率，当齿轮箱效率下降时，不能完全解决温度过高的问题。

4.3增大油泵功率

方案：更换油泵电机、油泵，增大油泵功率，提高油循环能力。分析：更换油泵单元工作量较大、经济性差，可能带来系统的匹配问题，不建议采用。

4.4加装前置滤网

方案：在散热片的下方（进风口）加装前置滤网，防止柳絮、杨絮、灰尘等堵塞散热片。分析：在一定程度上缓解了飞絮的迚入，但滤网密度的选择很重要，如果选择不当，很可能改变静压差，降低通风量；滤网需定期清洗或更换。这个方案同样无法解决齿轮箱效率下降后散热量不足的问题，可以作为其他方案的补充措施。

4.5加装散热器独立冷却风道

方案：在机舱内部增设独立油冷风道，使油冷散热器的冷却介质由机舱内部空气变为机舱外部空气，冷却介质温度降低有利于提高散热器的散热效果；避免齿轮箱散发的油气对散热板造成污染，保证散热器的清洁，同时确保油冷散热器的散热能力。

分析：由于机舱内热辐射、太阳照射等因素，无法形成通流，即便解决了齿轮箱的问题，也因此造成机舱温度过高，进而引起控制柜等温度过高等次生问题；需在机舱加装轴流风机，这对机舱整体结构、稳定性影响较大，同时要考虑轴流风机位置安装的可行性。

4.6优化升级散热片

为提高通风效率，缩小散热器的面积，设计时散热器采用了带“翘翅”的冷却结构。该结构在提升散热能力的同时，不可避免地造成了柳絮等杂质容易附着在散热片上，导致散热片堵塞。

方案：更换新型散热板，只替换原有散热板，散热能力比原散热板要强，且柳絮、杨絮不易挂在散热板缝隙中。

分析：新型散热板散热功率比原贺德克散热片提高了约10%，满足设计散热能力；柳絮、杨絮不易挂在散热板缝隙中，尘土不易附着，在一定的尘附条件下仍保证足够的散热能力；更换简单，易操作，可有效解决堵塞问题，从而达到少清洗或免清洗的目的；适用于柳絮、杨絮、灰尘引起的过温问题，散热效率一般，不能完全解决温度过高的问题。

4.7新增小容量独立散热器

方案：增加一个独立散热器，将其固定在主机架上，配合原散热器工作，油路采用串联（或并联）联接。

控制方式1：使用原散热器控制信号，在原散热器的基础上再增加一条回路，共用一个控制信号；新增散热器使用独立电源，实现与原散热器同时开断，并在保护回路上相对独立。

控制方式2：为提高新加散热器的利用率，要求提供一个PLC上的控制点，根据油温度、机舱温度、轴承温度情况，通过主控程序控制新加的散热器启动或停止；需与主机厂协商，开放一个PLC输出点，并写入控制程序。

分析：散热效率可提高20%～30%，安装简单、方便，易操作，能够解决齿轮箱效率降低的问题；新增PLC控制点可减少新散热器的启动时间，减少耗电量，提高利用率及冷却器寿命。适用于过温严重的风电场。

6.8新增大容量独立散热器

方案：增加一个大容量的散热器，其结构类似于方案6.7，综合散热能力提升超过40%。

分析：即使原冷却器部分堵塞，仍能解决温升问题。但该方案的不足是成本过高，虽然性能较好，但性价比不高，且安装空间受限，只适用于过温非常严重的风电场。

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