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风机齿轮箱温度高改造

编辑:中国水电建设集团新能源开发有限责任企业长岭风电分企业   发布时间:2016-05-03

       一、概述
       吉林长岭风电场一期项目工程位于我国吉林省长岭县境内。北纬44°07′38″至44°10′07″,东经123°51′00″至123°54′56″之间,海拔高度在172.0~190.0米。风电场距省会长春市120千米,距离长岭县城12千米。
       2005年11月30与大连重工签订一期风机合同,安装33台华锐FL1500/77双馈带齿轮箱机组,每台1500千瓦,共计49.5兆瓦。2007年5月16日长岭风电场一期工程第一批风机正式并网发电,由于供货缓慢,2007年9月30日一期工程33台风机全部安装结束。经过接近一年的催货、安装、调试及消缺,于2008年4月,一期工程33台机组全部并网发电。2012年6月,华锐企业对我企业的王子风电场一期项目陆续停止一切配件供应,2013年1月,仅在项目现场驻留服务人员,但不再提供技术支撑。2014年长岭企业一期机组维护和消缺工作已完全由长岭企业自行完成。
       由下图可以看出,齿轮箱主轴的前端法兰与风轮相连,风作用到叶片上驱动风轮旋转,从而主轴带动后面的增速机构开始运转,这样齿轮箱就把风轮所吸取的低转速、大扭矩的机械能转化成高转速、小扭矩的机械能传递到齿轮箱的输出轴上。齿轮箱的输出轴通过弹性联轴器与电机轴相连,驱动发电机的转子旋转,将能量输入给发电机。发电机将输入的动能转化成电能并输送的电网。
       华锐风机简图如下:

       二、存在问题
       自投产起至今,机组故障率高,各部件运行不稳定,尤为突出是齿轮箱油温高限制机组出力的问题困扰长岭企业多年,多次与华锐企业商讨或向其发函问题始终得不到解决。
       例如2012年7月1日统计总体情况:平均风速14米/秒,理论每台风机发电功率接近1500千瓦,33台共计4.95万千瓦。而现华锐33台风机实际发电功率不到2万千瓦,同一时刻吉林长岭风电场二期(其中一台故障)发电功率达到4.5万千瓦,两期发电功率相差约2.5万千瓦。一期风机与理论发电功率差距太大,主要原因是齿轮箱温度高影响发电量。齿轮箱温度上限为75℃,超过此温度风机自动减负荷至额定负荷一半,如果温度上升到80℃,风机只能发至额定负荷五分之一左右。监控画面取得数据如下:

       监控画面图如下:

       因齿轮箱温度高,系统保护减少发电量,使功率曲线也发生明显变化,监控系统统计的功率曲线如下图:

       齿轮箱温度问题自投产以来一直存在,据了解华锐出售的8000多台风机均存在此问题。进入夏季以来由于齿轮箱油温高影响机组带负荷的问题日益突出,严重影响风机发电量。据不完全统计,仅2014年4月至7月由此影响长岭一期项目少发电量约1500万度,直接减少收入945万元(4.95万千瓦项目每年最佳利润400万元),严重影响我企业的经济效益。
       三、改进措施
       方案1:塔架门开孔。本方案是利用烟囱效应,塔架门开孔,使气流通过塔架门经塔架进入机舱,增加冷却风量。
       方案2:机舱内安装散热风扇。本方案是在机舱底部及顶部出舱孔打开后安装风扇,强迫风循环,降低齿轮箱及机舱温度。
       根据方案1及方案2,在13号风机做各种散热试验。按照方案1我企业进行的13#风机塔筒进人门开孔进风试验、方案2进行机舱出人门排风试验、机舱出人门进风试验、机舱逃生口进风等各种试验,但实验效果均不理想。方案1存在的问题:无法解决齿轮箱油温过高问题,经过实测发现齿轮箱油温及机舱内部温度无明显改善。方案2存在的问题:机舱内部温度有所下降,无法降低齿轮箱油温,仍然存在油温大于75摄氏度时机组自动限功率运行或故障停机。
       方案1及方案2试验失败后,经过分析计算,提出方案3:增加散热面积和通风量,安装散热器及冷却风扇。本方案在保留原机配置的油冷散热器的基础上再增加一套油冷散热器,高温齿轮油经油泵供出后进入新增加的油冷散热器后再进入另一组油冷散热器二次散热,通过增加油的散热面积从而提高散热效率。
       1.改前后齿轮箱冷却系统原理图如下:

       (1)箱主要参数:

       (2)油泵参数:

       (3)油/风冷却器主要参数:

       (4)冷却风扇主要参数:

       冷能力达到的水平:qvsg1=7.23立方米/秒;(26028立方米/小时);PFC=245帕。
       全压效率已达到比较可观的水平,高于同类产品近10个百分点,额定点ηvc=0.794。
       每万立方米耗能指标比纺织行业等改进后的节能产品下降0.318千瓦。
       噪声水平LA=76dB(A);比A声级LSA=21.65分贝,其中比A声级比JB/T8690 工业通风机噪声限值标准中规定的轴流风机≤35分贝还低13.35分贝。电机绝缘等级为H级,绝缘电阻由0.38兆欧(GB755)提高到1兆欧;耐电压试验由原500伏+2倍额定电压(GB755)提高到2000伏/分钟;匝间冲击试验JB/Z 294规定冲击试验电压(峰值)2500伏提高到5000伏/0.5微秒。
       与国外同类产品相比:与日本三菱FT-3085冷却风扇相比,在叶轮直径小50毫米的情况下,风量提高3350立方米/小时;全压提高49帕;全压效率提高11.3%;噪声下降3.5分贝(A),比A声级下降6.09分贝;每万立方米耗能下降0.016千瓦。
       进而我企业在3号风机采取增加散热面积和通风量(即增加散热器及冷却风扇)方式试验,于2014年7月24-26日试验成功:3号风机在环境温度为35℃时、风机满发状态下,齿轮箱温度为63℃(改造前为77℃),低于齿轮箱要求温度75℃,完全满足风机性能要求并不影响其他任何设备情况,同时机舱温度由原来改造前46℃降至34℃,使得发电机、变频器、控制柜等设备的运行环境也大为改善。
       在取得试验成功的基础上,我企业拟对余下32台一期风机进行控温改造。为了降低成本加快改造速度,我企业寻找到国内散热器及冷却风扇制造厂家,经过共同研究实地踏查后,两厂家按照我企业要求进行设计生产的产品完全能够替代国外贺德克散热装置,这样我企业在保证质量的情况下的改造速度大大提升(贺德克订货为8周,国产设备设计并生产交货为15天)、成本大为降低(贺德克散热器8500元/台、冷却风扇装置10000元/台,国产设备分别为4000和4500)并且以后损坏的同类产品能够替换。
       2.对华锐风机齿轮箱温度高散热器技改,实际投入资金总数为60.253万元(未含试验费、设计费用及相关技改人员费用),详细分项如下:

       3.按照相关国家标准、规程等要求进行施工,工期安排如下:
       工程实施计划完成时间:2014年09月-2015年07月,具体情况:(1)工程勘测、设计周期:2014年09月-2014年10月;(2)设备制造(订货)周期:30日,2014年09月-2014年10月;(3)土建、安装、调试周期:2014年10月-2014年12月;(4)试运行、培训时间:2015年01月-2015年07月。
       4.改造后的评价:
       (1)解决了长岭一期项目华锐33台风机齿轮箱发热问题,每年有利于夏季提升发电量1000-1500万度,直接增加收入为630-945万元,每年均提高经济收入。
       (2)齿轮箱运行温度降低后,机舱整体内部温度降低,使得发电机、变频器、控制柜等主要设备的运行环境也大为改善。
       (3)设备温度降低后,设备寿命将会延长。
       (4)在没有破坏机组整体结构的情况下,通过技改方案,将问题解决,并且整体受力结构没有变化。
       (5)不影响其他设备的各种工况下的正常运行。
       (6)此方案可能会解决整个国内华锐双馈机组8000多台齿轮箱发热问题,同时也可能解决所有带齿轮箱的油温度问题。
       (7)油温长期较高易发生变质,降低了油品的润滑及散热性能,进而增加了风机昂贵的大部件齿轮箱损坏的风险,同时延长润滑油使用寿命。(主创人员:张秋野、邓章淞、范仲桐、管浩言、高  新、倪忠宝、李显亮、曹  阳、何勇刚、赵  烨、孙久程、陈大伟)

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