許崢
（中國石化潤滑油有限公司北京研究院）
摘 要：本文介紹了目前風力發(fā)電的現(xiàn)狀，結(jié)合兆瓦級齒輪箱潤滑技術(shù)特點，分析了油品指標變化對風力發(fā)電設備主齒輪箱的影響，分析在用油品指標變化為風機齒輪箱維保提供參考，掌握油品變化趨勢對于保證風機正常運行、降低風機維護成本等具有重要意義。
關(guān)鍵詞：風力發(fā)電機組；主齒箱；潤滑油指標
0 引言
風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。隨著近年來中國經(jīng)濟的不斷增長，中國環(huán)保政策日益完善，風電行業(yè)不斷發(fā)展。截至2020年末全國發(fā)電裝機容量220058萬千瓦，比上年末增長9.5%。國家統(tǒng)計局2月28日發(fā)布了中華人民共和國2020年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報，公報中顯示，2020年末全國發(fā)電裝機容量220058萬千瓦，比上年末增長9.5%。其中，火電裝機容量124517萬千瓦，增長4.7%；水電裝機容量37016萬千瓦，增長3.4%；核電裝機容量4989萬千瓦，增長2.4%；并網(wǎng)風電裝機容量28153萬千瓦，增長34.6%；并網(wǎng)太陽能發(fā)電裝機容量25343萬千瓦，增長24.1%。
截至2021年12月底，全國發(fā)電裝機容量約23.8億千瓦，同比增長7.9%。其中，風電裝機容量約3.3億千瓦，同比增長16.6%；太陽能發(fā)電裝機容量約3.1億千瓦，同比增長20.9%。2021年，我國風電和光伏發(fā)電新增裝機規(guī)模達到1.01億千瓦，其中風電新增4757萬千瓦，光伏發(fā)電新增5297萬千瓦。
風電新能源的發(fā)展，讓風機制造行業(yè)蓬勃發(fā)展。在實際應用過程中，風能具有無規(guī)律性、變相、變負荷等特點。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，風電齒輪箱其容量已經(jīng)達到兆瓦級，兆瓦級增速齒輪箱對齒輪傳動提出了新的要求，在尺寸、重量Z小的情況下，可靠地傳遞高速、重載的運動。這對于齒輪箱的可靠性、使用壽命及質(zhì)量水平都提出了更高的要求，也對齒輪箱潤滑提出了更為嚴苛的性能要求。對風電油品技術(shù)指標變化的解讀，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，提前預知油品技術(shù)指標發(fā)展趨勢，在風電設備大型化的發(fā)展前提下降低運維成本。
1 兆瓦級風電齒輪箱特點
在風能到電能的轉(zhuǎn)化過程中，齒輪箱是風電機組中Z為重要的組成部分。在實際應用的過程中，風力發(fā)電機組通常安裝在高山、荒野、海灘、海島等野外的風口處，經(jīng)常承受無規(guī)律的變相變負荷的風力作用以及強陣風的沖擊，并且常年經(jīng)受酷暑嚴寒極端溫差的作用，對于齒輪箱的可靠性、使用壽命及質(zhì)量水平都提出了更高的要求。分析兆瓦級齒輪箱相比傳統(tǒng)工業(yè)齒輪箱有以下特點。
(1)兆瓦級風機齒輪箱在傳遞功率更高，在齒輪箱尺寸、重量Z小的設計準則下，齒輪傳動的齒面間載荷增大，所使用的潤滑油應具有合適的粘度及優(yōu)異的低溫流動性。高粘度的潤滑油易于形成動壓油膜，油膜較厚，能承受較大負荷，防止磨損，但粘度太大，流體內(nèi)摩擦太大，會造成摩擦熱增大，摩擦面溫度升高，且低溫不易流動，不利于低溫冷啟。低溫時，若粘度太低，則油膜太薄，承載負荷能力太小，容易造成磨損。
(2)風機在極端溫度條件下啟動，或高速重載運轉(zhuǎn)時，應保證潤滑油具有良好的極壓抗磨性。兆瓦級風機低溫啟動條件溫度約為-30℃，在無加熱條件下齒輪傳動可能會處于邊界潤滑狀態(tài)，潤滑油粘度作用不大，主要靠邊界膜強度支撐載荷，因此要求潤滑油在載荷較大的工作期間應具有良好的極壓性，以保證在邊界潤滑狀態(tài)下，具有良好的潤滑作用。
(3)兆瓦級風機齒輪箱質(zhì)保時間長，遠離地面難以維修，需潤滑油良好的氧化穩(wěn)定性及蒸發(fā)損失小。風機出廠質(zhì)保一般在5年左右，兆瓦級風機為了捕捉更優(yōu)質(zhì)的風能，風機高度約為70~100m，潤滑油量300~800L，潤滑油更換比較困難。潤滑油需要不氧化、不變黏、不變質(zhì)，從而實現(xiàn)油品的長期質(zhì)保。
2 風電油品指標的解讀
2.1 外觀
外觀是直觀表征潤滑油狀態(tài)的一個指標，使用后的風機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，齒輪油可能會出現(xiàn)明顯的油泥、顆粒、渾濁等現(xiàn)象，該現(xiàn)象均為異�，F(xiàn)象，應考慮換油，并排查原因。
2.2 運動黏度
運動黏度是衡量油品油膜強度、流動性的重要指標，使用適當黏度的風力發(fā)電機組齒輪箱潤滑油是保證正常潤滑的重要因素，風力發(fā)電機組主齒輪箱油在使用過程中，由于油品自身為復雜的化學混合物且體系時刻處于變化狀態(tài)，因此油品運動黏度出現(xiàn)小范圍波動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，會導致運動黏度的大幅增加；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)液體則會導致其運動黏度明顯降低。當運動?度增幅太大時，一方面油品油泥增多，流動性變差，無法及時潤滑齒輪表面，另一方面黏度的增大可能導致油品散熱效果減弱，不能帶走齒箱內(nèi)多余的熱量，給設備運行帶來不良影響。反之，當運動黏度降幅過大時，易導致油品油膜強度降低，不能有效防止接觸面間的磨損。因此，油品運動黏度增幅和降幅過大都會威脅風機主齒輪箱的正常工作。
2.3 水分
水的存在會使油品添加劑分解，失去原有的功效，也會使油品乳化變質(zhì)，嚴重影響潤滑油膜的形成，造成齒面擦傷和磨損。理論上，用于風機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影響風機齒輪箱的正常使用。隨著風機主齒輪箱中水分含量的增加，可能導致的后果有以下幾種：導致油品乳化和金屬銹蝕加劇；第二因部分極壓劑水解導致油品的極壓性能迅速下降；第三油品中水分不能及時排出導致齒面及軸承表面的潤滑不良。這幾種后果Z終使設備齒面出現(xiàn)磨損，影響設備正常運行。在風力發(fā)電機組實際運行過程中，出現(xiàn)過由于齒輪箱進水，破壞油品性能危害齒輪箱正常運行的案例。因此對于水分的監(jiān)測應予以重視。
對行業(yè)內(nèi)主要設備制造商、主要運營風場進行的調(diào)研結(jié)果顯示，區(qū)別于普通工業(yè)齒輪箱，風力發(fā)電機組主齒輪箱對密封性要求較高，正常工作情況下潤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)品水含量的測定蒸餾法”已廣泛應用于風電齒輪油在用油監(jiān)測中。該方法可有效反映出油品中的水分含量，并且在多年在風電行業(yè)應用多年，無使用該方法檢測造成數(shù)據(jù)異常的情況反饋。GB/T11133“石油產(chǎn)品、潤滑油和添加劑中水含量的測定卡爾費休庫侖滴定法”具有測試時間較短，用油量少的優(yōu)點，因此該方法在目前的風電齒輪油監(jiān)測中也有應用。然而采用該方法測定水含量時，許多物質(zhì)和混合物因發(fā)生縮合或氧化還原反應干擾測定，如風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、潤滑油和添加劑中水含量的測定卡爾費休庫侖滴定法)，因此在使用該方法進行測定時需引起注意。
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促進潤滑油的劣化，影響油品使用壽命。油液的變質(zhì)促進摩擦表面間的磨損狀態(tài)惡劣，而磨損的加劇更促進油液的進一步劣化，因此油品與設備相互作用，互為關(guān)聯(lián)。在風力發(fā)電機組實際運行過程中，可以通過測試齒輪油中的磨損元素的含量了解設備的磨損情況。風力發(fā)電設備主齒輪箱的材質(zhì)主要成分為鐵、銅元素，因此對這些金屬元素的監(jiān)測，可以有效反映設備的磨損情況。
(1)鐵元素。鐵元素是摩擦副材質(zhì)的Z主要元素，在風機實際運行過程中，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)運維過程中現(xiàn)場情況反應，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)運維過程中現(xiàn)場情況反映，在包含在用油和報廢油樣本中，存在鐵含量超過150ppm的油樣，與實際情況相結(jié)合。
(2)銅元素。銅元素是摩擦副材質(zhì)的重要元素，在風機實際運行過程中，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)運維過程中現(xiàn)場情況反映，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。在包含在用油和報廢油樣本中，檢測數(shù)據(jù)銅磨損量均滿足IEC61400-4中50ppm的限值。
3 結(jié)語
本文首先對風力發(fā)電設備主齒輪箱潤滑的技術(shù)特點進行分析，結(jié)合主齒輪箱的潤滑技術(shù)特點，將風電油品的主要技術(shù)指標逐一進行解釋、分析，并對指標異常變化時油品指標變化機理進行論述，對今后風電齒輪箱油品檢測、風場風機的運維保養(yǎng)有一定指導作用。
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來源：《中國石油和化工標準與質(zhì)量》2020年9期
