论文部分内容阅读
摘 要：风力机在运行中，齿轮箱润滑、散热系统会利用温控阀来控制调节散热器中的开口流量以达到调节齿轮箱油温的作用，油温的高低直接影响齿轮箱的润滑性能、齿轮磨损和轴承散热。温度超限小则导致限功率，大则导致故障停机，可见温控阀的作用举足轻重，为保证温控阀可靠运行，减少机组故障率，有效提升发电量。
关键词：风力机;齿轮箱;自力式温控阀
1 背景
我国风电起步晚，发展快，风电公司如同雨后春笋，蓬勃发展。2020年以前，累计装机年累积增长率将保持在20%左右，其装机容量大，机组数量多，其中涵盖了明阳智慧、联合动力、华锐风电的双馈式风力发电机组，它们都具有增速齿轮箱，每年夏秋高温季节都会报出诸如：齿轮箱油温高、齿轮箱驱动端轴承温度高等一系列故障，经现场统计和研究分析导致油温高的原因如下：
（1）齿轮箱空冷散热装置表面脏污;（2）齿轮箱空冷风扇电机出力不足;（3）户外温度异常高;（4）齿轮箱散热器温控阀失效。
经现场统计温控阀失效是导致多数油温高的主要原因，随着机组运行年限的增加温控阀失效，以致齿轮箱散热能力下降，特别在高温天气和满载荷时尤为明显。
2 温控阀介绍
温控阀总体可分为自力式和电动式，因电动式控制精确调节灵敏故多用于暖通空调行业但因控制环节多故障率较高，而自力式是集感应机构、执行机构、反馈机构等一体的新式感应器，调节范围宽，多用于风电、化工行业，自力式温控阀利用液体受热膨胀及液体不可压缩的原理实现自动调节。
温包作为温控阀的重要部件有着很强的敏感性，其常用黄铜制造并与润滑油之间呈强制对流传熱，以提高对被测温度的反应速度。温包呈圆筒形薄壁容器，内充相变的固体、气体、液体或低沸点的饱和蒸汽，风电一般采用价格较低的固液相式温包。
固液相变式温包又称蜡式感温包，蜡式感温元件是一种温度传感器和热致动器的统一体，它兼有接收温度变化信号和输出动作的双重功能。这种石蜡经过加工后变成感温蜡的特性在于从固态受热转变为液态时，体积膨胀量可达13%～ 15%。利用感温蜡的这一特性，在感温蜡受热产生固液相变时，将热能转化成机械能，应用于热传动及各种恒温器件的温度自动控制。
当环境温度升高时，蜡元件内的膨胀剂由固相变为液相，体积膨胀，产生高达数十兆帕的压力，通过橡胶塞挤出阀杆，使阀杆向外移动并做功。当环境温度降低时，膨胀剂由液相变为固相，体积收缩，内压力消失，推杆在弹簧力或外载荷作用下退回、复位。
3 温控阀失效分析
温控阀是由温度感应组件、阀体、阀芯和调节弹簧组成，阀的开启和关闭过程是一个弹簧力与温度感应介质的膨胀力的力平衡过程。
调节弹簧是自力式温度控制中的重要组件，其性能的优、劣直接影响到阀瓣的提升和回位，由于受到交变载荷的作用，其性能参数的设计就显得更为重要。
温控阀有着先天的热滞后性，滞后性加重是其失效前期的征兆，经过分析研究引起温控阀滞后性有以下几个原因：
（1）温包在感温中存在热滞后性;（2）定值弹簧最初值给定有偏差;（3）温包密封性差、破损或泄漏。
隔膜是感温包的关键密封元件，隔膜的好坏，直接影响温控阀的正常工作与否。温控阀的隔膜除了起密封感温介质的作用外，还具有力的传递作用。感温介质膨胀使隔膜发生变形，将膨胀力传递到橡胶键，推动阀杆运动。
密封力的大小影响密封的严密性、可靠性和寿命。隔膜密封不良是感温元件失效的主要原因。温控阀使用的时间过长，石蜡或铜粉从压边内侧挤入隔膜与橡胶键间，温包内膨胀剂体积减小，当油温上升，石蜡熔化，阀杆伸出量减少，不能起到控制油温度的作用。
原因可概括为两方面：一是密封面两侧压力差大;二是密封面上有间隙。前者可以通过结构上的改进予以克服;而后者由于密封力不够所致，其中发生磨损是不可避免的。
4 温控阀的优化设计
4.1电磁式温控阀
在夏季高温时处理齿轮箱油温高的常规做法是将温控阀反装，将阀处于完全关闭状态，使油液直接进入散热器以降低温度，但是这种做法在冬季就显得很别扭，在达到机组并网温度时（油温一般为5℃以上），一边是机组启动时油泵因润滑而一直散热，另一边是齿轮箱加热器在工作，导致控温失效和能量耗散，齿轮箱处在非适宜油温下运行，降低使用寿命。
常用的电磁阀有三种，分别是直动式电磁阀、分步直动式电磁阀、间接先导式电磁阀。我们采用直动式电磁阀的设计原理对温控阀进行优化设计。
直动式有常闭型和常开型二种。常闭型断电时呈关闭状态，当线圈通电时产生电磁力，使动铁芯克服弹簧力同静铁芯吸合直接开启阀，介质呈通路;其结构简单，动作可靠，常开型正好相反，根据机组运行情况和控温方案来选择开闭类型。
由于机组各厂家润滑系统不同，电磁阀尺寸不相同，安装方向亦不相同，有水平式和垂直式，这就需要计算阀芯的重力对弹簧的影响，以得到最佳弹簧刚度和长度。电磁阀只存在关和开两个状态，不存在热滞后性，其反应灵敏响应快速，控温效果显著提高。
4.2电动三通阀
基于电动三通阀的温控设计由PLC的DO模块通过阀内微电动机对流体温度进行控制，与电磁阀控温相比较其温控曲线更加平滑，精度更高。三通阀的工作原理，需要DO模块输出开阀位置角度给三通阀，以此来调节油液混合温度，其控温平滑、响应速度快、稳定性好，可根据机组功率和温升的趋势来智能调节阀开度，达到提前控温的目的。
5 温控阀实施方案
5.1实施条件
风电行业齿轮箱润滑系统主要以川润、敏泰为主，其最大的区别是川润温控阀在滤芯下方采用内置式安装，而敏泰则在散热器上采用外置式安装，我们在设计时就需要区别对待，相对来说敏泰外置式优化起来简单一点，而川润的在滤芯下部和接油管阀体间，电磁阀放置和接线难度较大。
5.2电气控制设计
风机电控系统种类繁多主流有倍福、西门子、菲尼克斯、丹控等系统。因其模块扩展性良好，我们以典型的倍福系统为例进行设计，如机组KL2404 和KL2424 数字量输出端子连接与执行器电气隔离的二进制 24 V 控制信号。每个总线端子含4个通道，每个通道都有一个LED 指示其信号状态。 KL2404 和 KL2424有不同的最大输出电流，另外4个通道总线端子可以直接连接四个2线制执行器，提供四个接地点。
1）基于电磁阀的温控阀设计是利用齿轮箱油温传感器显示的温度值由PLC的DO模块的某一通道通过得失电对电磁阀的导通性进行控制，进而达到控制散热的目的;
2）基于电动三通阀的温控阀设计是利用齿轮箱油温传感器显示的温度值由PLC的DO模块的某一通道通过脉冲电流对电动三通阀的开阀角度进行控制，进而达到控制散热的目的。
我们假定：进阀油温如果大于35℃，而且机组功率或进阀油温有上升趋势，三通阀开始打开;当进阀油温55℃的时候，三通阀必须全开。
打开方式为：6s前后检测进阀温度差值（6s后值减去6s前检测的值，以下同），如果温差大于0.1℃，三通阀打开一次，然后在持续检测6s前后检测进阀温度差值，如果温差大于0.1℃，三通阀打开一次;直到三通阀全开。
进阀油温小于45℃，而且油温有下降趋势，三通阀开始关闭;当进阀温油35℃且温度无上升趋势的时候，三通阀必须全关。
5.3程序设计
以明阳机组为例，根据齿轮箱运行工况、齿轮箱高低速油泵和散热风扇启停条件，设计齿轮箱温控阀启动策略，温控阀门限温度可根据现场的实际需求进行设定。
参考文献：
[1] 陆春波，李渊.风机齿轮箱油温高原因分析及治理对策[J].2017.04.27.
[2] 郭显升.温控阀感温元件的特性研究[D].兰州理工大学，2006.05.10.
（国家电投·甘肃中电瓜州风力发电有限公司，甘肃 瓜州 736100）
关键词：风力机;齿轮箱;自力式温控阀
1 背景
我国风电起步晚，发展快，风电公司如同雨后春笋，蓬勃发展。2020年以前，累计装机年累积增长率将保持在20%左右，其装机容量大，机组数量多，其中涵盖了明阳智慧、联合动力、华锐风电的双馈式风力发电机组，它们都具有增速齿轮箱，每年夏秋高温季节都会报出诸如：齿轮箱油温高、齿轮箱驱动端轴承温度高等一系列故障，经现场统计和研究分析导致油温高的原因如下：
（1）齿轮箱空冷散热装置表面脏污;（2）齿轮箱空冷风扇电机出力不足;（3）户外温度异常高;（4）齿轮箱散热器温控阀失效。
经现场统计温控阀失效是导致多数油温高的主要原因，随着机组运行年限的增加温控阀失效，以致齿轮箱散热能力下降，特别在高温天气和满载荷时尤为明显。
2 温控阀介绍
温控阀总体可分为自力式和电动式，因电动式控制精确调节灵敏故多用于暖通空调行业但因控制环节多故障率较高，而自力式是集感应机构、执行机构、反馈机构等一体的新式感应器，调节范围宽，多用于风电、化工行业，自力式温控阀利用液体受热膨胀及液体不可压缩的原理实现自动调节。
温包作为温控阀的重要部件有着很强的敏感性，其常用黄铜制造并与润滑油之间呈强制对流传熱，以提高对被测温度的反应速度。温包呈圆筒形薄壁容器，内充相变的固体、气体、液体或低沸点的饱和蒸汽，风电一般采用价格较低的固液相式温包。
固液相变式温包又称蜡式感温包，蜡式感温元件是一种温度传感器和热致动器的统一体，它兼有接收温度变化信号和输出动作的双重功能。这种石蜡经过加工后变成感温蜡的特性在于从固态受热转变为液态时，体积膨胀量可达13%～ 15%。利用感温蜡的这一特性，在感温蜡受热产生固液相变时，将热能转化成机械能，应用于热传动及各种恒温器件的温度自动控制。
当环境温度升高时，蜡元件内的膨胀剂由固相变为液相，体积膨胀，产生高达数十兆帕的压力，通过橡胶塞挤出阀杆，使阀杆向外移动并做功。当环境温度降低时，膨胀剂由液相变为固相，体积收缩，内压力消失，推杆在弹簧力或外载荷作用下退回、复位。
3 温控阀失效分析
温控阀是由温度感应组件、阀体、阀芯和调节弹簧组成，阀的开启和关闭过程是一个弹簧力与温度感应介质的膨胀力的力平衡过程。
调节弹簧是自力式温度控制中的重要组件，其性能的优、劣直接影响到阀瓣的提升和回位，由于受到交变载荷的作用，其性能参数的设计就显得更为重要。
温控阀有着先天的热滞后性，滞后性加重是其失效前期的征兆，经过分析研究引起温控阀滞后性有以下几个原因：
（1）温包在感温中存在热滞后性;（2）定值弹簧最初值给定有偏差;（3）温包密封性差、破损或泄漏。
隔膜是感温包的关键密封元件，隔膜的好坏，直接影响温控阀的正常工作与否。温控阀的隔膜除了起密封感温介质的作用外，还具有力的传递作用。感温介质膨胀使隔膜发生变形，将膨胀力传递到橡胶键，推动阀杆运动。
密封力的大小影响密封的严密性、可靠性和寿命。隔膜密封不良是感温元件失效的主要原因。温控阀使用的时间过长，石蜡或铜粉从压边内侧挤入隔膜与橡胶键间，温包内膨胀剂体积减小，当油温上升，石蜡熔化，阀杆伸出量减少，不能起到控制油温度的作用。
原因可概括为两方面：一是密封面两侧压力差大;二是密封面上有间隙。前者可以通过结构上的改进予以克服;而后者由于密封力不够所致，其中发生磨损是不可避免的。
4 温控阀的优化设计
4.1电磁式温控阀
在夏季高温时处理齿轮箱油温高的常规做法是将温控阀反装，将阀处于完全关闭状态，使油液直接进入散热器以降低温度，但是这种做法在冬季就显得很别扭，在达到机组并网温度时（油温一般为5℃以上），一边是机组启动时油泵因润滑而一直散热，另一边是齿轮箱加热器在工作，导致控温失效和能量耗散，齿轮箱处在非适宜油温下运行，降低使用寿命。
常用的电磁阀有三种，分别是直动式电磁阀、分步直动式电磁阀、间接先导式电磁阀。我们采用直动式电磁阀的设计原理对温控阀进行优化设计。
直动式有常闭型和常开型二种。常闭型断电时呈关闭状态，当线圈通电时产生电磁力，使动铁芯克服弹簧力同静铁芯吸合直接开启阀，介质呈通路;其结构简单，动作可靠，常开型正好相反，根据机组运行情况和控温方案来选择开闭类型。
由于机组各厂家润滑系统不同，电磁阀尺寸不相同，安装方向亦不相同，有水平式和垂直式，这就需要计算阀芯的重力对弹簧的影响，以得到最佳弹簧刚度和长度。电磁阀只存在关和开两个状态，不存在热滞后性，其反应灵敏响应快速，控温效果显著提高。
4.2电动三通阀
基于电动三通阀的温控设计由PLC的DO模块通过阀内微电动机对流体温度进行控制，与电磁阀控温相比较其温控曲线更加平滑，精度更高。三通阀的工作原理，需要DO模块输出开阀位置角度给三通阀，以此来调节油液混合温度，其控温平滑、响应速度快、稳定性好，可根据机组功率和温升的趋势来智能调节阀开度，达到提前控温的目的。
5 温控阀实施方案
5.1实施条件
风电行业齿轮箱润滑系统主要以川润、敏泰为主，其最大的区别是川润温控阀在滤芯下方采用内置式安装，而敏泰则在散热器上采用外置式安装，我们在设计时就需要区别对待，相对来说敏泰外置式优化起来简单一点，而川润的在滤芯下部和接油管阀体间，电磁阀放置和接线难度较大。
5.2电气控制设计
风机电控系统种类繁多主流有倍福、西门子、菲尼克斯、丹控等系统。因其模块扩展性良好，我们以典型的倍福系统为例进行设计，如机组KL2404 和KL2424 数字量输出端子连接与执行器电气隔离的二进制 24 V 控制信号。每个总线端子含4个通道，每个通道都有一个LED 指示其信号状态。 KL2404 和 KL2424有不同的最大输出电流，另外4个通道总线端子可以直接连接四个2线制执行器，提供四个接地点。
1）基于电磁阀的温控阀设计是利用齿轮箱油温传感器显示的温度值由PLC的DO模块的某一通道通过得失电对电磁阀的导通性进行控制，进而达到控制散热的目的;
2）基于电动三通阀的温控阀设计是利用齿轮箱油温传感器显示的温度值由PLC的DO模块的某一通道通过脉冲电流对电动三通阀的开阀角度进行控制，进而达到控制散热的目的。
我们假定：进阀油温如果大于35℃，而且机组功率或进阀油温有上升趋势，三通阀开始打开;当进阀油温55℃的时候，三通阀必须全开。
打开方式为：6s前后检测进阀温度差值（6s后值减去6s前检测的值，以下同），如果温差大于0.1℃，三通阀打开一次，然后在持续检测6s前后检测进阀温度差值，如果温差大于0.1℃，三通阀打开一次;直到三通阀全开。
进阀油温小于45℃，而且油温有下降趋势，三通阀开始关闭;当进阀温油35℃且温度无上升趋势的时候，三通阀必须全关。
5.3程序设计
以明阳机组为例，根据齿轮箱运行工况、齿轮箱高低速油泵和散热风扇启停条件，设计齿轮箱温控阀启动策略，温控阀门限温度可根据现场的实际需求进行设定。
参考文献：
[1] 陆春波，李渊.风机齿轮箱油温高原因分析及治理对策[J].2017.04.27.
[2] 郭显升.温控阀感温元件的特性研究[D].兰州理工大学，2006.05.10.
（国家电投·甘肃中电瓜州风力发电有限公司，甘肃 瓜州 736100）