許崢

（中國石化潤（rùn）滑油有限（xiàn）公司北京研究（jiū）院）

摘　要：本文介紹了目前風力發電的現狀，結合（hé）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（shè）備主齒輪（lún）箱的影響，分析在用油品指標變化為風機齒輪箱（xiāng）維保提（tí）供參考，掌握油品變化趨勢（shì）對於保證風機正（zhèng）常（cháng）運行、降低風機維護成（chéng）本等具有重要意義。

關鍵詞：風力發電（diàn）機組；主齒箱；潤滑油指標

0 引言（yán）

風（fēng）能作（zuò）為一種清潔（jié）可（kě）再生能源用於發電，是繼火電、水電後又一發（fā）電（diàn）模式。隨著近年來中（zhōng）國經濟（jì）的不斷增長，中（zhōng）國環保政策日益完善，風電行業（yè）不斷發展（zhǎn）。截至2020年末全國發電裝（zhuāng）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（guó）民經濟和社會發展統（tǒng）計公報，公報中顯（xiǎn）示（shì），2020年末全（quán）國發電裝機容（róng）量220058萬千瓦，比（bǐ）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（zēng）長（zhǎng）3.4%；核電裝機容（róng）量4989萬千瓦，增長2.4%；並網風電（diàn）裝機容量28153萬千（qiān）瓦，增長34.6%；並網太陽能發電裝機容量25343萬千瓦，增長24.1%。

截（jié）至（zhì）2021年12月底，全國發電（diàn）裝機（jī）容量約23.8億千瓦（wǎ），同比增長7.9%。其中（zhōng），風電裝機容（róng）量（liàng）約3.3億千瓦，同比增長16.6%；太陽（yáng）能發電裝機容量約3.1億千瓦，同比增長20.9%。2021年（nián），我（wǒ）國風電和光伏發電新增裝機規模達（dá）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，讓風機製造行業蓬勃發展。在（zài）實際應用過程中，風能具有無規律性、變相（xiàng）、變負荷等（děng）特點。隨著相關技術的發（fā）展，風電（diàn）齒輪箱其容量已經達到兆瓦級，兆瓦級增速（sù）齒輪箱對齒輪傳動提（tí）出了（le）新的（de）要求，在尺寸、重量Z小的情況下（xià），可靠地傳遞高（gāo）速、重載的運動。這對於齒（chǐ）輪箱的可靠性、使用壽（shòu）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（yán）苛的性能要求。對風電油品技術指標變化的解（jiě）讀，可以讓我們更加清楚地了解油品的性能變化情況（kuàng），掌握油品的性能變化趨勢，提前預知油品技術指（zhǐ）標發展趨勢，在風電設備大型化（huà）的（de）發展前提（tí）下（xià）降低運維成本。

1 兆瓦級風電齒（chǐ）輪箱特點

在風（fēng）能（néng）到電能的轉化過程中，齒輪箱是風電機（jī）組中Z為重要的組（zǔ）成部分。在實際應用的過程中，風力發電機組（zǔ）通常安裝在高山、荒野、海灘、海島等野（yě）外的風口處，經常（cháng）承受無規律的變相變負荷的風力作用以（yǐ）及強（qiáng）陣風的衝擊，並且常年經受酷暑嚴寒（hán）極端溫差的作（zuò）用，對於齒輪箱（xiāng）的可靠性、使用壽命及（jí）質量水平都提出了更高的（de）要求。分析兆瓦級齒（chǐ）輪箱相比傳統工業齒輪箱有以下（xià）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（liàng）Z小的設計準則下，齒輪傳動的齒麵間載荷增大，所使（shǐ）用的潤滑油（yóu）應（yīng）具（jù）有合適的粘度及優異的（de）低溫流動性。高粘度（dù）的潤滑油易於形成動壓油膜，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，摩擦麵溫度升高，且低溫不易流動，不（bú）利於低溫冷啟。低溫（wēn）時（shí），若粘度太低，則油膜太薄，承載（zǎi）負荷能力太小，容易造成磨（mó）損。

(2)風機在極端（duān）溫度條（tiáo）件下啟動，或高速重（chóng）載運轉時，應保證潤滑油具有良好（hǎo）的極壓（yā）抗磨性。兆瓦級風機低溫啟動條件溫度（dù）約為-30℃，在無加熱（rè）條件下齒輪傳動可能會處於邊界潤滑狀（zhuàng）態（tài），潤滑油粘度作用不大，主要靠邊界膜強度支撐（chēng）載荷，因此要求潤滑（huá）油在載荷（hé）較大的工作期間應具有良好的極壓性，以保證在邊界潤滑（huá）狀態下，具有（yǒu）良好的（de）潤滑作用。

(3)兆（zhào）瓦級風機齒輪（lún）箱質保時間長，遠離地麵難以維修（xiū），需潤滑油良好的氧（yǎng）化穩定性及蒸發損失小。風機出廠質保一般（bān）在5年左右，兆瓦級風機為了捕捉更（gèng）優質的風能，風機高度約（yuē）為70~100m，潤滑油量300~800L，潤滑（huá）油更換比較（jiào）困難。潤（rùn）滑油需要不氧化、不變黏、不變質，從而實現（xiàn）油品的（de）長期質（zhì）保。

2 風電油品指標的解（jiě）讀

2.1 外（wài）觀（guān）

外觀是直觀表征（zhēng）潤滑油狀態的一（yī）個（gè）指標，使用後的風機主（zhǔ）齒輪箱（xiāng）齒輪油受外來（lái）汙染物(如水分、沙塵等)、異常工況等條件下，齒（chǐ）輪油（yóu）可能會（huì）出現明顯的油泥、顆粒、渾濁等現象，該現象均為（wéi）異常現象，應考慮換油，並排查原因。

2.2 運動黏度

運動（dòng）黏度是衡量油（yóu）品油膜強度、流動性的重要指標，使用適當黏度的（de）風（fēng）力發電機組齒輪箱潤滑油是（shì）保證正常（cháng）潤滑的重要因素，風力（lì）發電機組主齒輪箱油在使（shǐ）用過程中，由於油品自身為複（fù）雜的化學混合物且體係時刻處於（yú）變化狀態，因此油品運動黏度出現小範圍波動是正常而且不可避（bì）免的情況。值得注意的是，油品由於自身因老化變質產生油泥或酸性氧化物質，或受外界環（huán）境因素影響，會導致運動黏度（dù）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（huì）導（dǎo）致其運動黏度明顯降低（dī）。當運動?度增幅太大時，一方麵油品油泥增多，流動性變差，無法及時潤滑齒輪表麵，另一方麵黏度的增大可能導致油品（pǐn）散熱效果減（jiǎn）弱，不能帶走齒箱內多餘的熱量，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（bú）能有效防止（zhǐ）接觸麵間的磨損（sǔn）。因（yīn）此，油品運動（dòng）黏度增幅和降幅（fú）過大都會威脅風機主齒輪箱的正常工作。

2.3 水分

水的存（cún）在會使油品添加（jiā）劑分解，失去原有的功效，也（yě）會使油品乳化變質，嚴重影響潤滑油膜的形成，造成齒（chǐ）麵擦傷和磨損。理論上，用於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（yòng）。隨著（zhe）風機主齒輪箱中水分含量的（de）增加，可能導致的後果有以下幾種：導致油品乳化（huà）和金屬（shǔ）鏽蝕加（jiā）劇；第二因（yīn）部（bù）分極壓劑水解導（dǎo）致油（yóu）品的極壓性能迅速下降；第三油（yóu）品中水分不能及時排出導致齒麵及軸（zhóu）承表麵的潤滑不（bú）良。這幾種（zhǒng）後（hòu）果Z終使設備齒（chǐ）麵出現磨損，影響設備正常運行。在風力發電機組實（shí）際運行過程中，出現（xiàn）過由於齒輪箱進水，破壞油（yóu）品性能危害齒輪箱正常運行的案例。因此對於水分的監測應予以重視。

對行業內主要設備製造商（shāng）、主要運營風（fēng）場進行的調研結果顯示，區別（bié）於普通工業（yè）齒輪箱，風力發電機組主齒輪箱對密封性（xìng）要求較高，正常工作情況下潤滑油並無與大量水分接觸的情（qíng）況。IEC61400-4建議油中水分（fèn）含量不（bú）超過600ppm，GB/T260“石（shí）油產品水含量的測定蒸（zhēng）餾法”已廣泛（fàn）應用於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（fèn）含量（liàng），並且在多年在（zài）風電行業應用多年，無使用該方法（fǎ）檢測造成數據異常的情況反（fǎn）饋。GB/T11133“石（shí）油產品、潤（rùn）滑油和添加劑中水（shuǐ）含（hán）量（liàng）的測定卡爾費休庫侖滴定（dìng）法”具有測試（shì）時間較短，用油量（liàng）少的優點，因（yīn）此（cǐ）該方法（fǎ）在目前的風電齒輪油監測中也有應用（yòng）。然而采用該方法測定水含量時，許（xǔ）多物（wù）質和（hé）混合物因發生（shēng）縮合或氧化（huà）還原反（fǎn）應幹擾測定，如風電齒輪油（yóu）中的常見物質硫醇和硫（liú）化物(詳（xiáng）情參考GB/T11133石油產品、潤滑油和添加劑中水含量（liàng）的測定卡爾費休（xiū）庫侖滴定法)，因此在（zài）使用該（gāi）方法進（jìn）行測（cè）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（tài），惡劣的（de）工況和磨損會促進潤滑（huá）油的劣（liè）化，影響油（yóu）品使用壽命。油液的變質促進摩擦表麵間的磨損狀（zhuàng）態惡劣，而磨（mó）損的加（jiā）劇更（gèng）促（cù）進油液的進（jìn）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（háng）過程中，可以通（tōng）過測試齒輪油中的磨損元素的含量了解設備（bèi）的磨損情況。風力發電設備主齒（chǐ）輪箱的（de）材質主要成（chéng）分為（wéi）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（sù）。鐵元素（sù）是摩（mó）擦副材質的Z主要元素，在風（fēng）機實際運行過程中，鐵元素的含量也是判斷齒輪箱內部（bù）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（liàng）超過150ppm後，齒（chǐ）輪箱均明顯可見磨損（sǔn）現（xiàn）象，油品性（xìng）能及外觀（guān）均受到影響。根據運維過程（chéng）中現場情（qíng）況反（fǎn）映，在包含在用（yòng）油和報廢油樣本中，存在鐵含量超過（guò）150ppm的油樣，與實際情況相結合。

(2)銅元素。銅元素是（shì）摩擦副材質（zhì）的重要元素，在（zài）風機實際運行過程中，銅元素的含量（liàng）可以作為判斷齒輪箱內部（bù）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（chāo）過50ppm”。根（gēn）據運維過程（chéng）中現場情況反映，油（yóu）品（pǐn）中銅含量超過50ppm後，齒輪箱含銅摩擦（cā）副如軸承保（bǎo）持架（jià）明顯可（kě）見（jiàn）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（běn）中，檢（jiǎn）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（fā）電設備主齒輪箱潤滑的技術（shù）特點進行分析，結合主齒輪箱的（de）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，並對指標異常變化時油品指標變化（huà）機理進行論述，對今後風電齒輪（lún）箱油（yóu）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（yuán）：《中國石油和化工（gōng）標準與質量》2020年9期