风电齿轮箱机电系统的油液散热优化与能耗降低研究

引言：

风力发电已成为现代能源体系的重要组成部分。风电机组通常运行在恶劣、多变的环境中，其传动链中的齿轮箱承受着复杂多变的载荷，是故障率最高的部件之一。齿轮箱在传递巨大扭矩的过程中，由于齿轮啮合、轴承摩擦、油液剪切等会产生大量热量，导致油温升高。过高的油温会加速润滑油的老化，降低其润滑性能，导致零部件磨损加剧，甚至引发胶合、点蚀等严重故障，最终造成巨大的经济损失。为确保齿轮箱工作在最佳温度范围（通常为 40^∘C-60^∘C ），现代兆瓦级风电机组普遍配备了强制冷却系统，通常是由循环油泵、换热器（风冷或水冷）、风扇、阀门及控制系统组成的机电系统。然而，这套系统本身也是一个能耗单元。特别是在夏季高温或高负荷工况下，冷却系统需要长时间大功率运行，其耗电量可占机组自用电的相当比例，间接降低了机组的净发电量和经济效益。

一、风电齿轮箱冷却系统能耗分析

传统齿轮箱冷却系统的运行逻辑相对简单，多采用“ON-OFF”二位控制或基于固定阈值的PID 控制。其能耗主要来源于以下几个方面：

循环油泵能耗：

油泵负责将齿轮箱底部的热油泵送至换热器，冷却后再送回齿轮箱。为满足最恶劣工况下的流量需求，油泵的选型往往留有较大裕量，导致在大部分非峰值工况下，油泵始终处于高能耗状态。

（二）冷却风扇（或水泵）能耗：

在风冷散热器中，风扇是主要的耗能元件；在水冷系统中，则为水泵。它们的启停和转速通常由油温信号简单控制，一旦启动便常以额定功率运行，缺乏精细的调节，造成大量的电能浪费[1]。

（三）系统匹配不佳带来的额外能耗：

油泵、换热器、风扇等部件若未能进行良好的匹配设计，会导致系统效率低下。例如，换热器设计过大或过小、流道阻力不合理等，都会迫使油泵或风扇在低效区工作，消耗更多能量以达到相同的冷却效果。

二、油液散热系统优化关键技术路径

（一）结构优化与先进部件应用

这是从源头上提升散热效率、降低流动阻力的根本方法。

高效换热器设计：采用计算流体动力学（CFD）仿真技术，对散热翅片的形状、间距、排列方式进行优化，增强流体扰动，破坏边界层，提高换热系数。例如，采用波纹翅片、百叶窗翅片等高效强化传热结构，可在相同体积下显著提升换热能力，从而在达到相同散热效果时，减少所需的风量或水量，降低风扇/水泵的能耗。低能耗油泵与风扇选型：选用高效率的永磁同步电机驱动的变频油泵和风扇。这类电机本身效率高，结合变频技术，可以根据实际需求无级调节转速，从根本上避免“大马拉小车”的现象。相较于传统的定频异步电机，节能潜力巨大[2]。

管道系统优化：通过CFD 分析，优化管路布局，减少不必要的弯头、骤缩骤扩段，降低整个循环系统的流阻。系统流阻的降低意味着在相同流量下，油泵所需的扬程更小，功率消耗自然下降。新型冷却介质探索：研究具有更高比热容、更高导热系数的纳米流体作为齿轮箱冷却润滑油。通过在传统润滑油中添加纳米颗粒（如CuO， Al₂ O₃ ，CNT 等），可以显著提升油液的导热能力，从而增强换热强度，使冷却系统在更短的时间或以更小的功率投入下达到冷却目标。

（二）智能控制策略优化

这是实现按需供能、精准冷却，挖掘节能潜力的核心。

基于模型预测控制（MPC）：MPC 是一种先进的控制算法，它通过建立冷却系统的动态数学模型，不仅考虑当前的油温，还能预测未来一段时间内齿轮箱的发热量（基于风速、功率、环境温度预测）、以及冷却系统的响应。通过滚动优化，计算出未来一段时间内油泵和风扇的最佳转速序列，使系统既能平滑、稳定地将油温控制在设定范围内，又能最小化整体的能耗[3]。例如，在预测到风速即将下降、发热量减少时，提前降低冷却功率；在午后环境温度最高时，提前增大冷却能力以应对热冲击。多变量协同优化控制：将油泵转速和风扇转速作为两个独立的控制变量，协同调节。传统的控制往往只控制风扇，而让油泵恒定运行。智能算法可以寻找“油泵流量”与“风扇风量”的最佳配合点。有时，适当降低油流量（降低油泵能耗）同时增加风量（略微增加风扇能耗），总能耗可能更低；反之亦然。通过优化二者的组合，找到系统总功耗的最低点。自适应温度设定值调整：齿轮油的最佳工作温度并非一成不变。可以根据齿轮箱的实时载荷、油品状态（如油品老化后其性能会变化）甚至偏航系统的状态（机舱角度影响散热器迎风效果），动态调整油温的控制目标。在保证安全的前提下，适当提高允许的最高油温，可以大幅减少冷却系统的运行时间，直接实现节能[4]。

（三）系统集成与仿真验证

在进行任何现场改造前，利用建模仿真技术进行验证至关重要。系统建模：建立包含齿轮箱热产生模型、润滑油热力学模型、换热器模型、泵与风扇性能曲线模型以及管路阻力模型在内的整个冷却系统的数字孪生模型。仿真分析：在不同环境温度、不同机组功率载荷的典型工况下，分别对传统控制策略和提出的智能优化策略进行仿真运行。指标对比：对比两种策略下的油温控制效果（稳定性、超调量）和系统总能耗（油泵与风扇的积分功耗）。仿真结果可以定量地展示出优化策略的节能潜力与控制性能[5]。例如，仿真可能表明：在年平均工况下，采用MPC 智能控制策略相比传统ON-OFF 控制，冷却系统可节能 25%-40% ，同时能将油温波动范围缩小 50% ，更有利于齿轮箱的稳定运行。

结语：

综上所述，本研究系统地分析了风电齿轮箱机电系统油液散热过程中的高能耗问题及其成因。研究指出，单一的部件升级或简单的控制改进难以实现最优的节能效果，必须采取“机电液”一体化的系统思维。通过应用高效换热部件、变频驱动技术等硬件优化方案，结合基于模型预测控制（MPC）的多变量智能控制等软件优化策略，可以构建出一个响应迅速、运行平稳、能耗最低的下一代智能冷却系统。这不仅能够有效保障齿轮箱的长期可靠运行，延长其使用寿命，更能直接降低风电机组的自用电率，提升发电量和运营收入，对增强风电场的市场竞争力、推动风电行业的高质量发展具有重要的实践意义。

参考文献：

[1]陈锐博，刘长钊，秦大同.风电一体化齿轮-发电机系统机电-刚柔耦合动态特性[J].太阳能学报，2023，44(07)：328-338.

[2]韩清凯，温保岗，郭玉飞，等.大功率风电轴承技术进展[J].轴承，2023，(06)：1-13.DOI：10.19533/j.issn1000-3762.2023.06.001.