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基于齿轮箱全生命周期的润滑油冷却系统设计与示范

编辑:   发布时间:2018-08-06

一、项目概述

1.项目背景

    近几年,我国风电事业高速发展,截至2016年底,中国风电装机总容量168.732GW、新增装机容量23.37GW均居全球第一。山西省的风电装机容量也在逐年增加,2016年年底,我省风电装机容量达771万千瓦。根据山西省风电总体规划,“十三五”末,山西省风电装机容量将达1800万千瓦,风电成为了仅次于火电的全省第二大发电能源。山西省风能资源较好的地区主要集中在山西北部地区,风电场容量约占全省总容量的73%。

    近几年,随着山西省风电事业的蓬勃发展,山西龙源风力发电有限企业积极响应国家政策和集团企业部署,集中力量开发省内风能资源较好的北部地区,目前,企业所属已投运的8个风电场累计容量87.9万千瓦,共计572台在运机组。这些设备均处于温差、风沙较大的晋北地区,对风电机组的运维影响很大,据各风电场反馈的实际运行情况和统计分析得知,在齿轮箱故障统计中,有一定比例的故障是由于齿轮箱润滑油油温高导致的机组降负荷或停机情况。润滑油在温度较高(80℃左右)运行中容易造成氧化变质失去原有性能,分解产生的沉淀物和酸性物质或油泥易导致油管道堵塞,加剧了齿轮箱轴承、相关阀芯及泵等部件的磨损,从而影响了润滑系统的正常运转,降低了齿轮箱使用寿命,增加了风电场运维成本。因此降低齿轮箱运维成本,延长齿轮箱润滑油使用寿命,提高企业经济效益,势在必行。而基于齿轮箱全生命周期的润滑油冷却系统对齿轮箱的润滑油温度进行自动监测和精确控制,可大大降低运维成本,延长润滑油的使用寿命,为齿轮箱整个润滑系统提供第一道保护防线,确保齿轮箱安全、高效运作。

2.国内外研究现状

    目前国内外主流双馈风力发电机组(1.5MW、2MW)机型的齿轮箱润滑油冷却系统一般采用风冷或水冷却方式,冷却系统回油管路切换多采用自力式温控阀或单向阀控制,自力式温控阀多采用双金属片、蜡囊式,这类机械式温控阀的结构原理容易产生冷却系统控制精度不高,阀体部件容易机械疲劳,使用寿命周期短此外,系统辅助部件容易损坏造成机组故障率高,停机时间长,采用此类型阀体不能对润滑油进行有效的冷却,很难实现根据不同的温度来精准调节润滑油流经第一回油管道和第二回油管道,导致齿轮箱报油温高故障的现象频繁发生。

    根据电动温控阀原理,本系统采用陶瓷材料阀芯电动温控阀,兼顾了陶瓷阀芯的质量轻、耐磨性、耐腐蚀性等优点,使得润滑油冷却系统更加安全、经济、灵活。通过现场系统测试推演,设置于齿轮箱润滑油中的温度传感器(PT100)随着被测介质的温度变化,将信号送至控制器,与设定温度比较运算后将4-20mA或0-10V信号送至实行器控制阀门的开度,使润滑油流经第一回油管道和第二回油管道介质流量发生变化。温度的细微变化将使传感器作出响应,改变各回油管道的润滑油流量,精确控制润滑油的温度,当温度升高到设定值时,第一回油管道电动阀完全关闭,润滑油只流进设置扇热器的第二回油管道,同时精准控制相应回路散热器的启停,达到充分冷却的效果。通过该电动温控阀应用于齿轮箱润滑油冷却系统将大大提高润滑冷却系统的精准度,提升冷却效率,减少阀体更换周期,有效降低齿轮箱运维成本。

 

二、齿轮箱润滑油冷却系统先容与实施

1.系统先容

    本实用新型一种用于齿轮箱的润滑油冷却系统,包括齿轮箱、油泵、电动温控阀、第一回油管道和第二回油管道,所述油泵设置在出油管道上,所述出油管道的一端连接在齿轮箱内,另一端与第一回油管道和第二回油管道的交汇处连通,所述第一回油管道和第二回油管道回油端均与齿轮箱连通,所述电动温控阀设置在第一回油管道上,所述电动温控阀线性控制阀门开关,所述第二回油管道上设置有散热器,所述电动温控阀的工作温度≤40-60℃,所述散热器风扇的工作温度≥50℃。

    所述出油管道上设置有组合过滤器,所述组合过滤器位于油泵的出口侧。

    所述油泵的电机和散热器风扇电机均设置有高低档,通过设置在齿轮箱内润滑油温度传感器控制其工作档位。

    所述组合过滤器的两侧的出油管道上并联设置有堵塞指示器,且在油泵和组合过滤器之间设置有旁通安全阀,所述堵塞指示器与旁通安全阀配合工作。

    本实用新型创新点在于与现有技术相比具有的有益效果是:本实用新型根据不同的温度来调节润滑油经过第一回油管道和第二回油管道,并根据相应的温度调节油泵的电机和散热器风扇电机的工作档位,极大的延长了润滑油的使用寿命,有效的保护了齿轮箱。

附图说明

下面结合附图对本实用新型应用做进一步的说明。图1为本实用新型的结构示意图。图中:1为齿轮箱、2为油泵、3为电动温控阀、4为第一回油管道、5为第二回油管道、6为出油管道、7为散热器、8为组合过滤器、9为堵塞指示器、10为旁通安全阀。

2.系统实施

    如图1所示,本实用新型一种用于齿轮箱的润滑油冷却系统,包括齿轮箱1、油泵2、电动温控阀3、第一回油管道4和第二回油管道5,所述油泵2出油口一端与出油管道6相连,所述油泵2进油口一端连接在齿轮箱1内,出油管道6与第一回油管道4和第二回油管道5的交汇处连通,所述第一回油管道4和第二回油管道5回油端均与齿轮箱1连通,所述电动温控阀3设置在第一回油管道4上,所述电动温控阀3由温度控制模块对电动阀进行(线性、比例积分、增量)流量控制,解决目前行业所采用双金属片式、蜡囊式机械型温控阀经常损坏的弊端,所述第二回油管道5上设置有散热器7,所述电动温控阀3的工作温度根据齿轮箱的要求进行设置,一般情况工作温度为≤40-60℃,所述散热器7风扇的工作温度≥50℃。

    所述出油管道6上设置有组合过滤器8,所述组合过滤器8位于油泵2的出口侧。

    所述油泵2的电机和散热器7风扇电机均设置有高低档,通过设置在出油管道6和第二回油管道5上的温度传感器控制其工作档位。

    所述组合过滤器8的两侧的出油管道6上并联设置有堵塞指示器9,且在油泵2和组合过滤器8之间的出油管道6上设置有旁通安全阀10,所述堵塞指示器9与旁通安全阀10配合工作。

    下面根据具体实施方案对本实用新型系统进行具体的阐述,本系统中齿轮箱的油池温度为正常运转时的油池温度低于80℃,如果油池温度超过80℃,持续超过10分钟,风机必须停止运转。经历高温停止的风机再启动之前,应进行内部检查。齿轮箱的轴承温度为正常运转时的轴承温度低于90℃,如果轴承温度超过90℃,持续超过30分钟,风机必须停止运转。如果温度超过95℃,风机应当马上停止运转。经历高温停止的风机再启动之前,应进行内部检查。

    本实用新型润滑油温度低于电动温控阀设定温度40-60℃点时,电动温控阀为全开状态,润滑油直接回流至齿轮箱,当油温高于电动温控阀设定温度40-60℃点时,电动温控阀开始动作,润滑油经散热器后再进入齿轮箱。

    当润滑油温度在0~35℃之间时,电机泵在低转速运转,温度超过35℃,电机泵在高转速运行。油池温度超过60℃时风扇开始在低转速运转,当油池温度超过65℃时,风扇电机在高转速运转,当温度降到低于58℃,风扇电机回到低转速,当油池温度低于50℃时,风扇电机关机。

    上面结合附图对本实用新型的实施例作了详细说明,但是本实用新型并不限于上述实施例,在本领域普通技术人员所具备的常识范围内,还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。

图1

 

三、经济指标

    按照装机容量为5万千瓦级的示范风电场计算,据统计由齿轮箱润滑油冷却系统引起的齿轮箱故障占比约10%,风电机组运行小时数在原基础上提高0.05%,同时考虑齿轮箱全生命周期中更换润滑油次数减少一次的润滑油更换维护费用(不包括齿轮箱更换费用约100万),可带来的直接经济效益额计算如下:

    装机容量为5万千瓦(33台风机,单台风机功率1.5MW)的风电场全生命周期带来的直接经济效益值(元/RMB)= 每度电上网电价×单台风电机组满负荷运行状态的功率×风电年平均利用小时数×风场风机台数×0.05%×20年 +单台减少维护费用×风电场台数=0.61元/kwh×1500kW×1900h×33台×0.05%×20+ 20000元×33=123.3705万元

    统计结果显示,一个风电场全生命周期按20年计算,可增加经济效益123.3万元。

 

四、示范工程及推广

    本项目工程在山西龙源示范风电场已设计安装完成,根据一段时间的机组在线运行数据监测和统计,齿轮箱油温持续维持在设计范围内,齿轮箱相关故障率明显下降,本项目工程具有实际推广性。

主创人员:王云鹏、郝寅生、黄仁泷、李慧林、李  鹏

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