風(fēng)力發(fā)電設(shè)備主齒輪箱潤(rùn)滑油指標(biāo)分析

許崢

（中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司北京研究院）

摘　要：本文介紹了目前風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀，結(jié)合兆瓦級(jí)齒輪箱潤(rùn)滑技術(shù)特點(diǎn)，分析了油品指標(biāo)變化對(duì)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備主齒輪箱的影響，分析在用油品指標(biāo)變化為風(fēng)機(jī)齒輪箱維保提供參考，掌握油品變化趨勢(shì)對(duì)于保證風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行、降低風(fēng)機(jī)維護(hù)成本等具有重要意義。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；主齒箱；潤(rùn)滑油指標(biāo)

0 引言

風(fēng)能作為一種清潔可再生能源用于發(fā)電，是繼火電、水電后又一發(fā)電模式。隨著近年來中國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，中國(guó)環(huán)保政策日益完善，風(fēng)電行業(yè)不斷發(fā)展。截至2020年末全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量220058萬千瓦，比上年末增長(zhǎng)9.5%。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局2月28日發(fā)布了中華人民共和國(guó)2020年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)，公報(bào)中顯示，2020年末全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量220058萬千瓦，比上年末增長(zhǎng)9.5%。其中，火電裝機(jī)容量124517萬千瓦，增長(zhǎng)4.7%；水電裝機(jī)容量37016萬千瓦，增長(zhǎng)3.4%；核電裝機(jī)容量4989萬千瓦，增長(zhǎng)2.4%；并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)容量28153萬千瓦，增長(zhǎng)34.6%；并網(wǎng)太陽能發(fā)電裝機(jī)容量25343萬千瓦，增長(zhǎng)24.1%。

截至2021年12月底，全國(guó)發(fā)電裝機(jī)容量約23.8億千瓦，同比增長(zhǎng)7.9%。其中，風(fēng)電裝機(jī)容量約3.3億千瓦，同比增長(zhǎng)16.6%；太陽能發(fā)電裝機(jī)容量約3.1億千瓦，同比增長(zhǎng)20.9%。2021年，我國(guó)風(fēng)電和光伏發(fā)電新增裝機(jī)規(guī)模達(dá)到1.01億千瓦，其中風(fēng)電新增4757萬千瓦，光伏發(fā)電新增5297萬千瓦。

風(fēng)電新能源的發(fā)展，讓風(fēng)機(jī)制造行業(yè)蓬勃發(fā)展。在實(shí)際應(yīng)用過程中，風(fēng)能具有無規(guī)律性、變相、變負(fù)荷等特點(diǎn)。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電齒輪箱其容量已經(jīng)達(dá)到兆瓦級(jí)，兆瓦級(jí)增速齒輪箱對(duì)齒輪傳動(dòng)提出了新的要求，在尺寸、重量Z小的情況下，可靠地傳遞高速、重載的運(yùn)動(dòng)。這對(duì)于齒輪箱的可靠性、使用壽命及質(zhì)量水平都提出了更高的要求，也對(duì)齒輪箱潤(rùn)滑提出了更為嚴(yán)苛的性能要求。對(duì)風(fēng)電油品技術(shù)指標(biāo)變化的解讀，可以讓我們更加清楚地了解油品的性能變化情況，掌握油品的性能變化趨勢(shì)，提前預(yù)知油品技術(shù)指標(biāo)發(fā)展趨勢(shì)，在風(fēng)電設(shè)備大型化的發(fā)展前提下降低運(yùn)維成本。

1 兆瓦級(jí)風(fēng)電齒輪箱特點(diǎn)

在風(fēng)能到電能的轉(zhuǎn)化過程中，齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組中Z為重要的組成部分。在實(shí)際應(yīng)用的過程中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常安裝在高山、荒野、海灘、海島等野外的風(fēng)口處，經(jīng)常承受無規(guī)律的變相變負(fù)荷的風(fēng)力作用以及強(qiáng)陣風(fēng)的沖擊，并且常年經(jīng)受酷暑嚴(yán)寒極端溫差的作用，對(duì)于齒輪箱的可靠性、使用壽命及質(zhì)量水平都提出了更高的要求。分析兆瓦級(jí)齒輪箱相比傳統(tǒng)工業(yè)齒輪箱有以下特點(diǎn)。

(1)兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)齒輪箱在傳遞功率更高，在齒輪箱尺寸、重量Z小的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則下，齒輪傳動(dòng)的齒面間載荷增大，所使用的潤(rùn)滑油應(yīng)具有合適的粘度及優(yōu)異的低溫流動(dòng)性。高粘度的潤(rùn)滑油易于形成動(dòng)壓油膜，油膜較厚，能承受較大負(fù)荷，防止磨損，但粘度太大，流體內(nèi)摩擦太大，會(huì)造成摩擦熱增大，摩擦面溫度升高，且低溫不易流動(dòng)，不利于低溫冷啟。低溫時(shí)，若粘度太低，則油膜太薄，承載負(fù)荷能力太小，容易造成磨損。

(2)風(fēng)機(jī)在極端溫度條件下啟動(dòng)，或高速重載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)保證潤(rùn)滑油具有良好的極壓抗磨性。兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)低溫啟動(dòng)條件溫度約為-30℃，在無加熱條件下齒輪傳動(dòng)可能會(huì)處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，潤(rùn)滑油粘度作用不大，主要靠邊界膜強(qiáng)度支撐載荷，因此要求潤(rùn)滑油在載荷較大的工作期間應(yīng)具有良好的極壓性，以保證在邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下，具有良好的潤(rùn)滑作用。

(3)兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)齒輪箱質(zhì)保時(shí)間長(zhǎng)，遠(yuǎn)離地面難以維修，需潤(rùn)滑油良好的氧化穩(wěn)定性及蒸發(fā)損失小。風(fēng)機(jī)出廠質(zhì)保一般在5年左右，兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)為了捕捉更優(yōu)質(zhì)的風(fēng)能，風(fēng)機(jī)高度約為70~100m，潤(rùn)滑油量300~800L，潤(rùn)滑油更換比較困難。潤(rùn)滑油需要不氧化、不變黏、不變質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)油品的長(zhǎng)期質(zhì)保。

2 風(fēng)電油品指標(biāo)的解讀

2.1 外觀

外觀是直觀表征潤(rùn)滑油狀態(tài)的一個(gè)指標(biāo)，使用后的風(fēng)機(jī)主齒輪箱齒輪油受外來污染物(如水分、沙塵等)、異常工況等條件下，齒輪油可能會(huì)出現(xiàn)明顯的油泥、顆粒、渾濁等現(xiàn)象，該現(xiàn)象均為異常現(xiàn)象，應(yīng)考慮換油，并排查原因。

2.2 運(yùn)動(dòng)黏度

運(yùn)動(dòng)黏度是衡量油品油膜強(qiáng)度、流動(dòng)性的重要指標(biāo)，使用適當(dāng)黏度的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪箱潤(rùn)滑油是保證正常潤(rùn)滑的重要因素，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主齒輪箱油在使用過程中，由于油品自身為復(fù)雜的化學(xué)混合物且體系時(shí)刻處于變化狀態(tài)，因此油品運(yùn)動(dòng)黏度出現(xiàn)小范圍波動(dòng)是正常而且不可避免的情況。值得注意的是，油品由于自身因老化變質(zhì)產(chǎn)生油泥或酸性氧化物質(zhì)，或受外界環(huán)境因素影響，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)黏度的大幅增加；而油品自身受到剪切作用，(熱)穩(wěn)定性下降或混入其他輕質(zhì)液體則會(huì)導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)黏度明顯降低。當(dāng)運(yùn)動(dòng)?度增幅太大時(shí)，一方面油品油泥增多，流動(dòng)性變差，無法及時(shí)潤(rùn)滑齒輪表面，另一方面黏度的增大可能導(dǎo)致油品散熱效果減弱，不能帶走齒箱內(nèi)多余的熱量，給設(shè)備運(yùn)行帶來不良影響。反之，當(dāng)運(yùn)動(dòng)黏度降幅過大時(shí)，易導(dǎo)致油品油膜強(qiáng)度降低，不能有效防止接觸面間的磨損。因此，油品運(yùn)動(dòng)黏度增幅和降幅過大都會(huì)威脅風(fēng)機(jī)主齒輪箱的正常工作。

2.3 水分

水的存在會(huì)使油品添加劑分解，失去原有的功效，也會(huì)使油品乳化變質(zhì)，嚴(yán)重影響潤(rùn)滑油膜的形成，造成齒面擦傷和磨損。理論上，用于風(fēng)機(jī)主齒輪箱的油品不含或有及其微量的水分(≤300mg/kg)，這些微量的水分不會(huì)影響風(fēng)機(jī)齒輪箱的正常使用。隨著風(fēng)機(jī)主齒輪箱中水分含量的增加，可能導(dǎo)致的后果有以下幾種：導(dǎo)致油品乳化和金屬銹蝕加?。坏诙虿糠謽O壓劑水解導(dǎo)致油品的極壓性能迅速下降；第三油品中水分不能及時(shí)排出導(dǎo)致齒面及軸承表面的潤(rùn)滑不良。這幾種后果Z終使設(shè)備齒面出現(xiàn)磨損，影響設(shè)備正常運(yùn)行。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中，出現(xiàn)過由于齒輪箱進(jìn)水，破壞油品性能危害齒輪箱正常運(yùn)行的案例。因此對(duì)于水分的監(jiān)測(cè)應(yīng)予以重視。

對(duì)行業(yè)內(nèi)主要設(shè)備制造商、主要運(yùn)營(yíng)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行的調(diào)研結(jié)果顯示，區(qū)別于普通工業(yè)齒輪箱，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主齒輪箱對(duì)密封性要求較高，正常工作情況下潤(rùn)滑油并無與大量水分接觸的情況。IEC61400-4建議油中水分含量不超過600ppm，GB/T260“石油產(chǎn)品水含量的測(cè)定蒸餾法”已廣泛應(yīng)用于風(fēng)電齒輪油在用油監(jiān)測(cè)中。該方法可有效反映出油品中的水分含量，并且在多年在風(fēng)電行業(yè)應(yīng)用多年，無使用該方法檢測(cè)造成數(shù)據(jù)異常的情況反饋。GB/T11133“石油產(chǎn)品、潤(rùn)滑油和添加劑中水含量的測(cè)定卡爾費(fèi)休庫侖滴定法”具有測(cè)試時(shí)間較短，用油量少的優(yōu)點(diǎn)，因此該方法在目前的風(fēng)電齒輪油監(jiān)測(cè)中也有應(yīng)用。然而采用該方法測(cè)定水含量時(shí)，許多物質(zhì)和混合物因發(fā)生縮合或氧化還原反應(yīng)干擾測(cè)定，如風(fēng)電齒輪油中的常見物質(zhì)硫醇和硫化物(詳情參考GB/T11133石油產(chǎn)品、潤(rùn)滑油和添加劑中水含量的測(cè)定卡爾費(fèi)休庫侖滴定法)，因此在使用該方法進(jìn)行測(cè)定時(shí)需引起注意。

2.4 磨損元素含量

若油液中出現(xiàn)磨損元素的異常增加，可反映出齒輪異常磨損狀態(tài)，惡劣的工況和磨損會(huì)促進(jìn)潤(rùn)滑油的劣化，影響油品使用壽命。油液的變質(zhì)促進(jìn)摩擦表面間的磨損狀態(tài)惡劣，而磨損的加劇更促進(jìn)油液的進(jìn)一步劣化，因此油品與設(shè)備相互作用，互為關(guān)聯(lián)。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中，可以通過測(cè)試齒輪油中的磨損元素的含量了解設(shè)備的磨損情況。風(fēng)力發(fā)電設(shè)備主齒輪箱的材質(zhì)主要成分為鐵、銅元素，因此對(duì)這些金屬元素的監(jiān)測(cè)，可以有效反映設(shè)備的磨損情況。

(1)鐵元素。鐵元素是摩擦副材質(zhì)的Z主要元素，在風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中，鐵元素的含量也是判斷齒輪箱內(nèi)部磨損情況的典型代表。根據(jù)運(yùn)維過程中現(xiàn)場(chǎng)情況反應(yīng)，油品中鐵含量超過150ppm后，齒輪箱均明顯可見磨損現(xiàn)象，油品性能及外觀均受到影響。根據(jù)運(yùn)維過程中現(xiàn)場(chǎng)情況反映，在包含在用油和報(bào)廢油樣本中，存在鐵含量超過150ppm的油樣，與實(shí)際情況相結(jié)合。

(2)銅元素。銅元素是摩擦副材質(zhì)的重要元素，在風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行過程中，銅元素的含量可以作為判斷齒輪箱內(nèi)部磨損情況的主要代表。IEC61400-4《Wind turbines–Part4:Design requirements for wind turbine gearboxes》中附錄E中“油品中Cu元素含量不得超過50ppm”。根據(jù)運(yùn)維過程中現(xiàn)場(chǎng)情況反映，油品中銅含量超過50ppm后，齒輪箱含銅摩擦副如軸承保持架明顯可見磨損現(xiàn)象，此外油品性能及外觀均受到影響。在包含在用油和報(bào)廢油樣本中，檢測(cè)數(shù)據(jù)銅磨損量均滿足IEC61400-4中50ppm的限值。

3 結(jié)語

本文首先對(duì)風(fēng)力發(fā)電設(shè)備主齒輪箱潤(rùn)滑的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)合主齒輪箱的潤(rùn)滑技術(shù)特點(diǎn)，將風(fēng)電油品的主要技術(shù)指標(biāo)逐一進(jìn)行解釋、分析，并對(duì)指標(biāo)異常變化時(shí)油品指標(biāo)變化機(jī)理進(jìn)行論述，對(duì)今后風(fēng)電齒輪箱油品檢測(cè)、風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)的運(yùn)維保養(yǎng)有一定指導(dǎo)作用。

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來源：《中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量》2020年9期