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電的現狀，結合兆瓦級齒輪箱潤滑技術特點，分析了油品指標變化對風力發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。
關鍵詞：風力發電機組；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電，是繼火電、水電后又一發電模式。隨著近年來中國經濟的不斷增長，中國環保政策日益完善，風電行業不斷發展。截至2020年末全國發電裝機容量220058萬千瓦，比上年末增長9.5%。國家統計局2月28日發布了中華人民共和國2020年國民經濟和社會發展統計公報，公報中顯示，2020年末全國發電裝機容量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%；并網風電裝機容量28153萬千瓦，增長34.6%；并網太陽能發電裝機容量25343萬千瓦，增長24.1%。
截至2021年12月底，全國發電裝機容量約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，我國風電和光伏發電新增裝機規模達到1.01億千瓦，其中風電新增4757萬千瓦，光伏發電新增5297萬千瓦。
風電新能源的發展，讓風機制造行業蓬勃發展。在實際應用過程中，風能具有無規律性、變相、變負荷等特點。隨著相關技術的發展，風電齒輪箱其容量已經達到兆瓦級，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，提前預知油品技術指標發展趨勢，在風電設備大型化的發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，風力發電機組通常安裝在高山、荒野、海灘、海島等野外的風口處，經常承受無規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、使用壽命及質量水平都提出了更高的要求。分析兆瓦級齒輪箱相比傳統工業齒輪箱有以下特點。
(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，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下，具有良好的潤滑作用。
(3)兆瓦級風機齒輪箱質保時間長，遠離地面難以維修，需潤滑油良好的氧化穩定性及蒸發損失小。風機出廠質保一般在5年左右，兆瓦級風機為了捕捉更優質的風能，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，從而實現油品的長期質保。
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，齒輪油可能會出現明顯的油泥、顆粒、渾濁等現象，該現象均為異常現象，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電機組齒輪箱潤滑油是保證正常潤滑的重要因素，風力發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，因此油品運動黏度出現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產生油泥或酸性氧化物質，或受外界環境因素影響，會導致運動黏度的大幅增加；而油品自身受到剪切作用，(熱)穩定性下降或混入其他輕質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，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終使設備齒面出現磨損，影響設備正常運行。在風力發電機組實際運行過程中，出現過由于齒輪箱進水，破壞油品性能危害齒輪箱正常運行的案例。因此對于水分的監測應予以重視。
對行業內主要設備制造商、主要運營風場進行的調研結果顯示，區別于普通工業齒輪箱，風力發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應用多年，無使用該方法檢測造成數據異常的情況反饋。GB/T11133“石油產品、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，用油量少的優點，因此該方法在目前的風電齒輪油監測中也有應用。然而采用該方法測定水含量時，許多物質和混合物因發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硫醇和硫化物(詳情參考GB/T11133石油產品、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
若油液中出現磨損元素的異常增加，可反映出齒輪異常磨損狀態，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。油液的變質促進摩擦表面間的磨損狀態惡劣，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，互為關聯。在風力發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。風力發電設備主齒輪箱的材質主要成分為鐵、銅元素，因此對這些金屬元素的監測，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部磨損情況的典型代表。根據運維過程中現場情況反應，油品中鐵含量超過150ppm后，齒輪箱均明顯可見磨損現象，油品性能及外觀均受到影響。根據運維過程中現場情況反映，在包含在用油和報廢油樣本中，存在鐵含量超過150ppm的油樣，與實際情況相結合。
(2)銅元素。銅元素是摩擦副材質的重要元素，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”。根據運維過程中現場情況反映，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，檢測數據銅磨損量均滿足IEC61400-4中50ppm的限值。
3 結語
本文首先對風力發電設備主齒輪箱潤滑的技術特點進行分析，結合主齒輪箱的潤滑技術特點，將風電油品的主要技術指標逐一進行解釋、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有一定指導作用。
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來源：《中國石油和化工標準與質量》2020年9期
