風(fēng)電低溫機(jī)組齒輪箱油溫加熱方式研究與探討

孫仲澤

東方電氣風(fēng)電有限公司 四川德陽(yáng) 618000

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常處于風(fēng)資源豐富但環(huán)境溫度極低的區(qū)域，而且常因電網(wǎng)故障等原因使得機(jī)組處于無(wú)電源狀態(tài)或待機(jī)狀態(tài)。如果環(huán)境溫度過(guò)低，機(jī)組再次啟機(jī)時(shí)需長(zhǎng)時(shí)間加熱齒輪箱潤(rùn)滑油以保證合適粘度的潤(rùn)滑油為齒輪箱提供良好的潤(rùn)滑，否則齒輪箱會(huì)因潤(rùn)滑不良導(dǎo)致壽命降低。但另一方面，加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，等待溫度達(dá)標(biāo)的階段即白白浪費(fèi)了發(fā)電機(jī)會(huì)，還要從電網(wǎng)消耗電能。因此減少潤(rùn)滑油的加熱時(shí)間可以大大提高發(fā)電收益。本文從就兩種溫升途徑對(duì)提高齒輪箱溫度等展開(kāi)分析和探討。

1 風(fēng)機(jī)齒輪箱潤(rùn)滑油的選定

1.1 潤(rùn)滑油的選定原則

潤(rùn)滑油具有減少摩擦、降低溫度和清潔磨損物等的作用。粘度是潤(rùn)滑油最主要的性能指標(biāo)，它反映了潤(rùn)滑油在外力作用下抵抗剪切變形的能力[1]。機(jī)械部件對(duì)潤(rùn)滑油的選定基本是根據(jù)運(yùn)行所需的潤(rùn)滑油的粘度來(lái)選定某牌號(hào)的潤(rùn)滑油。潤(rùn)滑油的牌號(hào)是指在40℃時(shí)測(cè)定的運(yùn)動(dòng)粘度的平均值。高速輕載的設(shè)備一般選取粘度值較小的潤(rùn)滑油，工業(yè)用的重載設(shè)備多選取粘度值高的潤(rùn)滑油，并添加極壓添加劑等添加劑以提高潤(rùn)滑油的性能和穩(wěn)定性。潤(rùn)滑油粘度的選定，一般是根據(jù)載荷和轉(zhuǎn)速，并考慮其工作溫度來(lái)選定。

1.2 粘度與溫度

潤(rùn)滑油的粘度與溫度有密切的關(guān)系。潤(rùn)滑油粘度隨溫度而變化，當(dāng)溫度升高時(shí)，粘度下降。粘度和溫度之間關(guān)系可用美國(guó)材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(ASTM)的數(shù)值和圖表來(lái)表示，稱(chēng)為粘溫曲線。對(duì)于風(fēng)機(jī)齒輪箱，根據(jù)額定功率、運(yùn)行轉(zhuǎn)速以及工作環(huán)境等因素以及長(zhǎng)久以來(lái)的經(jīng)驗(yàn)決定了風(fēng)電齒輪箱選用牌號(hào)為320 的工業(yè)潤(rùn)滑油，即該款潤(rùn)滑油在40℃時(shí)的運(yùn)動(dòng)粘度為320cSt。由于不同品牌的320 潤(rùn)滑油配方的不同，粘溫曲線也有所區(qū)別。

1.3 啟機(jī)條件

目前風(fēng)機(jī)齒輪箱通常都要求啟機(jī)油溫需達(dá)到10℃以上。在高寒地區(qū)，風(fēng)機(jī)停電較長(zhǎng)時(shí)間后，潤(rùn)滑油油溫將迅速下降。極端條件下機(jī)艙內(nèi)溫度可能下降至-30℃左右。因此，啟機(jī)前需要將齒輪箱潤(rùn)滑油油溫升高到10℃以上，很顯然這個(gè)時(shí)間的長(zhǎng)短決定了啟機(jī)的快慢，也關(guān)系到目前各雙饋機(jī)組廠商的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。因此需要考慮多種途徑既要將該時(shí)間縮短，又要保證不損壞齒輪箱和潤(rùn)滑油，甚至要考慮對(duì)風(fēng)機(jī)的影響。

2 加熱器加熱方式

2.1 熱量核算

目前的低溫型機(jī)組通常配備機(jī)艙加熱器，該加熱器的功率的選擇已充分考慮了機(jī)艙內(nèi)各電氣部件等的空氣溫度要求。風(fēng)機(jī)齒輪箱通常配置2-3 支加熱器，總功率約為2kW，其位于齒輪箱的后下部。按照潤(rùn)滑油的溫升要求，以單純靠加熱器加熱做一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算。假設(shè)齒輪箱油量為350L，從-30℃提升到10℃，加熱功率2kW，進(jìn)行熱量核算。即加熱器提供的熱量與潤(rùn)滑油吸收熱量和加熱過(guò)程中的散熱量之和相等。按照該條件，計(jì)算加熱器將-30℃的潤(rùn)滑油提升至要求值10℃，需要加熱的時(shí)間約為4h。

2.2 加熱器加熱的局限性

在潤(rùn)滑油的加熱系統(tǒng)中，加熱器功率的選擇至關(guān)重要。對(duì)于油品粘度牌號(hào)越大，運(yùn)行環(huán)境越低的潤(rùn)滑油，則應(yīng)采用更低的表面功率密度值[2]。風(fēng)機(jī)齒輪箱在-30℃環(huán)境下加熱，屬于自然對(duì)流換熱方式，這樣加熱器周?chē)植繙囟瓤赡軙?huì)劇烈攀升，溫度超過(guò)潤(rùn)滑油基礎(chǔ)油的裂解溫度和添加劑的揮發(fā)溫度，最終將對(duì)潤(rùn)滑油造成破壞。根據(jù)粘溫曲線，-30℃的粘度遠(yuǎn)大于最大電動(dòng)泵的泵送粘度，所以，-30℃啟動(dòng)油泵是不可取的，以免對(duì)油泵造成損壞。

3 低速空轉(zhuǎn)攪油加熱方式

大部分的風(fēng)機(jī)齒輪箱都配備了機(jī)械泵，它的存在可以提供電機(jī)油泵失效情況下的齒輪箱所需必要潤(rùn)滑。如果低溫下低速轉(zhuǎn)動(dòng)途徑可行，低溫下低速空轉(zhuǎn)既可以因?yàn)閿囉图訜岣纳茰囟惹闆r，同時(shí)機(jī)械泵的轉(zhuǎn)動(dòng)可以改善油的流動(dòng)狀況。

3.1 熱量總核算

理論上空轉(zhuǎn)時(shí)電氣負(fù)載為0，但考慮齒輪箱內(nèi)部齒輪嚙合時(shí)的摩擦、軸承的摩擦和齒輪的攪油損耗等[3]，實(shí)際上此時(shí)風(fēng)機(jī)在空轉(zhuǎn)模式下吸收的風(fēng)能與風(fēng)機(jī)中機(jī)械部件的效率損失維持著能量平衡。在總的效率損失中，齒輪箱內(nèi)潤(rùn)滑油的攪油損失占了較大比重[4]。

根據(jù)油位，潤(rùn)滑油浸沒(méi)了低速齒輪約1/5 部分，可以完全浸沒(méi)行星輪。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO/TR14179-1 考慮潤(rùn)滑油黏度、元件直徑、齒輪浸潤(rùn)系數(shù)和排布系數(shù)的影響，將攪油損失的計(jì)算分成與軸、齒輪端面、齒面有關(guān)的3 個(gè)量。按高速軸轉(zhuǎn)速為300rpm，-30℃的粘度80000cSt 計(jì)算得到，攪油損失約為5．2kW。隨著油溫的升高，該值會(huì)逐步下降。

3.2 小結(jié)

一般來(lái)講，滑動(dòng)或滾動(dòng)的表面形成的油膜厚度取決于ZN/P 值。針對(duì)低溫狀態(tài)的齒輪箱潤(rùn)滑油，高粘度將有利于形成較厚的潤(rùn)滑油膜。因此低溫下齒輪嚙合的潤(rùn)滑條件滿足，但是齒面熱量需要潤(rùn)滑油散熱。因此，以空轉(zhuǎn)狀態(tài)加熱，齒輪箱最好以空載低速運(yùn)行為佳。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，風(fēng)機(jī)斷電后啟機(jī)準(zhǔn)備階段，單純靠齒輪箱加熱器提升齒輪箱油溫是不可取的。為了減少單純靠加熱器加熱的缺點(diǎn)，必須配合潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng)以及齒輪箱合理的低速空轉(zhuǎn)提高潤(rùn)滑油的加熱效果和循環(huán)效率，以便均勻地提升齒輪箱潤(rùn)滑油的溫度。低溫下齒輪箱潤(rùn)滑油狀態(tài)的改善為及早啟機(jī)提供了必要條件，以最終實(shí)現(xiàn)及早并網(wǎng)發(fā)電，提高發(fā)電量。