华锐SL1500机组油冷散热器自动清理方案研究

刘朋义

摘要：齿轮箱是风机最重要和价值最高的部件之一，齿轮箱的运行稳定性对于风机的稳定运行至关重要，润滑系统的正常工作对于齿轮箱的长期运行也是非常关键的因素。随着运行时间的延长，很多风机的齿轮箱冷却系统都陆续出现油温高的问题，经过多次的清洗和维修，还是不能彻底的解决冷却系统油温高机组自动限功率的问题。齿轮箱油温高会影响机组限功率运行，降低齿轮箱的使用寿命，缩短润滑油使用寿命。

黄骅风电场研究人员通过大量数据及理论分析发现油冷散热器堵塞是油温高形成的重要原因，针对上述原因，提出了解决油温高的方案：在油冷散热器的底部安装自动清理机构，自动清理机构按照程序设定时间往复运动，定期清理聚积在油冷散热器底部的毛絮和灰尘。并通过实践证明了提出方案的可行性，对降低风机故障率和保证风力发电机组的稳定运行具有重要意义。

关键词：风力发电机；齿轮箱油温高；油冷散热器堵塞；自动清理；控制

1．引言

国华黄骅风电场位于渤海湾滩涂地带，装机容量99MW，共安装华锐SL1500/82型风电机组66台。风场于2011年4月开工建设，2012年7月11日通过质量监督站的工程质量验收，2012年7月31日220KV升压站受电成功，2012年11月1日一期33台风电机组并网发电，二期33台风电机组于2014年3月5日并网发电。随着机组服役年限的增加，在夏天环境温度高，柳絮飘飞的季节机组存在齿轮箱油温高现象。

齿轮箱是风机最重要和价值最高的部件之一，齿轮箱的运行稳定性对于风机的稳定运行至关重要，润滑系统的正常工作对于齿轮箱的长期运行也是非常关键的因素。随着运行时间的延长，很多风机的齿轮箱冷却系统都陆续出现油温高的问题，经过多次的清洗和维修，还是不能彻底的解决冷却系统油温高机组自动限功率的问题。

2．研究现状

目前国内对油冷散热器的自动清理研究处于空白状态，油冷散热器堵塞时，现场检修人员定期对油冷散热器进行手动清理，或者用高压水枪对散热器进行清洗，经过多次清洗，不能从根本上解决油温高限功率问题。

3．齿轮箱油温高问题

齿轮箱油温高机组自动限功率主要有以下影响：

1）限功率运行

齿轮油超温导致风机限功率运行或者是超温停机，严重损失发电量，影响了风机的经济指标；

2）缩短了润滑油使用寿命

按照润滑油的生产厂家以及行业内专业机构公开的研究结果表明，齿轮油这类全合成润滑油的平均使用温度每提高十度，齿轮油的使用寿命会减少将近一半的时间。润滑油长期在相对的高温阶段运行，会导致油品加速氧化，改变粘温性能，油液的酸值增高，腐蚀齿面，油液在氧化后发泡特性逐步增强，形成的油膜刚度减小，油品润滑特性变差，齿面磨损和轴承磨损加剧，导致齿轮箱传动效率下降，进而导致齿面点蚀以及轴承磨损后的齿面偏载现象，极大的减少齿轮箱使用寿命；

3）超温现象严重

随着齿轮箱运行效率降低，超温现象会更加严重，风机对环境的适应能力更差，同等气象条件下风机限负荷时间逐年增加。

4）冷却器堵塞使机舱温度升高损坏器件

风机所有的配电柜、变频柜都设置在机舱内，夏季遭遇大风天发热量非常大。因控制柜、齿轮箱散热器的散热是通过与机舱内的空气进行热交换，冷却器堵塞致使机舱内热空气无法排出，所以当机舱内温度无法下降时直接影响散热器和控制柜的降温，造成所有的器件处于高温状态寿命缩短易损坏，还会造成机组限功率运行，进而引发各类高温故障。

4．油温高原因分析

导致齿轮箱油温高的原因有很多，其中冷却器热交换能力不断下降是最普遍的一个原因。

由于机舱密封性不好，灰尘和柳絮等进入机舱内，同时齿轮油渗漏挥发的油蒸汽均存在机舱内空气里。灰尘、柳絮、油蒸汽长时间被风扇吸入附着在冷却器上，混合后所形成的油泥状物质很容易造成空气侧翅道的阻塞。

这类现象是风机的普遍共性问题，风电项目的建设区的空气质量不可能实现足够的清洁，必然会有灰尘和植物性的纤维，机舱内的各种油污都会逐渐挥发成油气被冷却器吸入，同灰尘混合后很容易造成翅道的阻塞。

目前一般选择通过不断对散热器进行清理以保持其散热能力，这种方式给风场带来大量的工作量，同时因散热器普遍使用网格型翅翼设计，导致散热器无法彻底清理，清理周期越来越小，难度越来越大。

5．油冷风扇冷却器自动清理装置技改方案

针对油温高原因分析，开发设计散热器自动清理器，以较高频率的自动清理，避免散热器灰尘堆积，避免毛絮粘黏，实现散热器免维护。

5.1电路方框图

电路设计思路：

电气部分主要由电源，控制器，限位开关，驱动器，电机组成。

电源：电源选用230VAC交流转24V电源，满足风机电压使用条件；

控制器：控制器选用单片机进行开发，单片机集中ＣＰＵ，Ｉ／Ｏ端口及部分ＲＡＭ等为一体的功能性很强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富；

驱动器：步进电机驱动器选用microstepdriverDM542，这款驱动器具备微步细分数设定功能，8档输出电流设定功能，安装方便，可立式和卧式安装；

限位开关：限位开关对毛刷的运动空间进行限制，防止毛刷超出行程；

电机：电机选用步进电机，具备正反向运动功能；

油冷风扇冷却器自动清理装置使油冷风扇冷却器具备自动清理功能，每间隔4小时对油冷风扇冷却器进行清理一次，依靠所设毛刷及时清理附着在散热器上的灰尘、柳絮，使散热器的外部时刻保持清洁从根源杜绝油泥的形成，时刻保持散热器空气通道畅通，使散热器不再发生因堵塞造成油温高自动限功率等诸多问题。

5.2机械结构图

自动清理传动系统简图都如下图所示：

步进电机驱动联轴器，联轴器带动履带进行往复运动，毛刷与履带连接，实现散热器自动清理功能。

5.3机械结构设计

5.3.1机械部件总体尺寸

风力发电机油冷散热器尺寸为903mm×830mm，去除管路等尺寸，毛刷实际工作尺寸为840mm×800mm。

5.3.2步进电机选型

根据步进电机的优点，输出转角（步距角）无长期积累误差，每转一圈积累误差会自动消失。启动、停止、反转及其他运行方式的改变，都可以在少量的脉冲周期内完成并且具有定位转矩。

5.3.3联轴器选型

初步选用GH1系列螺纹线联轴器，其特点：重量轻，体积小；高强度铝合金材料，阳极氧化处理；具有抗油污耐腐蚀功能；可吸收振动，补偿径向，角度偏差和零回转间隙；适用于马达，编码器，丝杆传动，机床平台；微电机等精密产业机械。

5.3.4履带选型

步进电机配合履带实现毛刷往复运动；履带传动不需担心灰尘对传动装置的污染，实现自身免维护。

5.3.5毛刷选型

毛刷选用铝合金骨架条型毛刷，铝合金基材塑性好，抗腐蚀性能强，不易生锈、断裂。毛刷丝选用尼龙材质，这种材质耐酸碱性比较强，具有比较好的弹性，在散热器表面进行往复运动时，不损伤散热器。

6.油冷散热器自动清理功能

依靠步进电机配合履带实现毛刷往复运动；

履带传动不需担心灰尘对传动装置的污染，实现自身免维护；

使用限位装置约束毛刷移动范围，保证散热器完整清理；

使用上挂式安装方式，安装拆卸方便；

使用可调节安装座，保证对各种尺寸散热器均可正常安装；

散热器清扫和风扇反吹同时进行，保证清理效果；

每四小时一次自动清理，完全自动控制，不需对主控系统进行任何修改；

完全工业化器件选型设计，确保低温-20℃工况可正常工作。

7.结论

通过原理分析及现场实际的实验效果证明了该方案的可行性，对降低机组故障率，保证风力发电机组的稳定运行具有重要意义。实践证明，通过该方案改造后的风电机组可达到提高齿轮箱服务运行寿命，降低风电场运行成本及提高风力发电系统运行安全稳定性的预期效果。

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