基于油品監測的風電場潤滑管理分析

王一剛，曲曙光，鄭新慶

（華電福新能源股份有限公司甘肅分公司，蘭州 730010）

0 引言

近年來，我國風電裝機容量不斷增加，陸上單機容量已達到3MW，截至2011年9月底，甘肅風電裝機容量5.5GW，占全國總裝機容量的20%，位列全國第三。2020年左右，中國將成為世界上最大的風電市場和風能設備制造中心，我國風電在2020年之后將成為第三大主力發電電源[1]。風電場一般地處戈壁荒灘、干旱、高寒地區，針對齒輪箱等風電機組的大型部件現場不便進行拆卸維修，要求風電機組具有長周期運轉和極高的可靠性，在役風電機組的維護保養問題日益突出，后期維護費用已占到風電場運營成本的主要部分。如何降低風電機組維護費用，提高設備可利用率，已成為風電機組制造商和風電場業主迫切需要解決的問題。風電場用油主要有風電機組用潤滑油脂、液壓油，主變壓器和箱變用絕緣油等。

風電機組的齒輪箱運行工況處于高溫、交變重載荷沖擊狀態下，對齒輪箱潤滑油各項性能指標如含水量、總酸值、泡沫性等提出很高要求。典型齒輪箱故障主要有：齒輪斷齒、點蝕、軸彎曲、齒面膠合、軸承損壞、箱體及齒面裂紋等。根據國內外多年來對齒輪箱故障的統計分析發現，潤滑油質變劣是造成齒輪箱各種故障的主要原因。通過對潤滑油的定期檢測，并對檢測數據進行分析，可得出結論：提高風電機組潤滑油脂監測水平，加強視情維護，能夠確保風電機組安全、可靠運行，提高設備可利用率[2-3]。

1 風電機組潤滑部件及對油脂特性要求

目前，主流風電機組按結構分為雙饋感應風電機組和直驅式風電機組兩種，文中所指裝有增速齒輪箱的雙饋風電機組，其主要潤滑部件有：增速齒輪箱，偏航系統與減速箱，變槳系統與減速箱，發電機軸承，液壓制動系統，主軸承等[4]。

1.1 齒輪箱的潤滑特性

齒輪箱是風電機組的主要潤滑部位，用油量占機組全部用油量的3/4左右。齒輪箱可以將很低的風輪轉速（1500kW的風電機組通常為25r/min）變為很高的發電機轉速（通常1700r/min），南高齒和重齒等廠家的齒輪箱多采用壓力強制循環潤滑。考慮到風電機組多安裝在我國的新疆、內蒙古、甘肅及沿海等地區，潤滑油受氣候溫差、濕度等影響較大，并且處于相對偏遠的地區，維修不便，且雙饋風電機組遭受低電壓穿越時對齒輪箱的沖擊力較大[5]，因此，設計要求齒輪箱使用壽命長、承受負荷大等，所用的齒輪油除了具有良好的極壓抗磨性能、冷卻性能和清洗性能外，還應具有良好的熱氧化穩定性、水解安定性、抗乳化性能、粘溫性能、低溫性能以及長的使用壽命，同時還應具有較低的摩擦系數以降低齒輪傳動中的功率損耗。經過對已運行風電機組齒輪箱故障的統計發現，造成齒輪和軸承失效的原因主要有：安裝方面占16%，污染方面占16%，潤滑方面占34%，材料疲勞方面占34%。

1.2 發電機軸承及主軸的潤滑特性

軸承是發電機的主要潤滑點，長期運轉溫度可達80℃以上，夏天機艙在戈壁灘受太陽直射，溫度會更高。因此，要求發電機軸承潤滑脂能夠在高溫下保持良好的潤滑而不流失，同時能夠減少摩擦阻力，降低軸承運轉溫度。冬季在高緯度、高海拔地區機艙內溫度可低至－30℃，且發電機功率較大，使用的潤滑脂需考慮低溫啟動性能，具有良好的抗磨極壓性能、抗氧化性能和防銹性能、粘附性好，使用溫度范圍為－30℃～150℃。由于發電機軸承加注潤滑脂較困難，多使用合成型潤滑脂來保證發電機的正常運轉。

風電機組主軸承承受的負荷較大，轉速相對較慢，要求潤滑脂具有良好的承載能力、粘度性能和良好的低溫性能。根據前后軸承結構布置上的差異，可分為用潤滑油潤滑和用潤滑脂潤滑。

1.3 偏航、變槳系統的潤滑特性

偏航系統主要作用是使風輪掃掠面積垂直于主風向，雖然速度不高，但偏轉軸承和齒輪承受的負荷較大，而且偏航齒輪一般為開式結構，由于不像發電機軸承運轉速度快，自身產生熱量相對少，偏轉軸承所使用的潤滑脂要求具有較高極壓抗磨性能、低溫性能、熱安定性及膠體安定性；偏航齒圈一般為開放式回轉體大齒輪，潤滑脂則還需要有好的粘附性能和防腐蝕性能。一般使用含固體添加劑的低溫潤滑脂，要求在－40℃以下仍能有效潤滑。偏航系統減速器具有間歇性工作的特點，啟停頻繁，傳遞扭矩較大，傳動比高，電動機通過大速比的行星齒輪減速器驅動機艙轉向。一般推薦粘溫性能好、抗腐防銹性能好、極壓抗磨性能和抗氧化性能好的齒輪油。

變槳系統的減速器和變槳軸承所使用的潤滑油脂特性包括油品選型與偏航系統基本一致。

1.4 液壓制動系統的潤滑特性

兆瓦級風電機組的剎車方式主要有氣動剎車和齒輪箱高速軸機械盤剎車系統，屬于失效—安全保護模式。當風電機組發生機艙振動過大，風電機組轉速過高等故障時，通過液動制動裝置的動作來實現緊急停機。液壓制動系統在保證機組正常安全運行、防止事故發生、對風電機組啟停機控制起著重要作用。

風電機組液壓制動系統使用全壽命潤滑油，要求具有良好的粘溫性能、防腐防銹性能及優異的低溫性能，以適應北方寒冷的氣候或者南方潮濕、鹽霧環境。推薦使用粘度指數高、抗磨性能好、抗腐蝕、抗氧化性能好、空氣釋放性、分水性能以及低溫性能優異的液壓油。國內普通的HM抗磨液壓油低溫性能、粘度指數等指標不能滿足使用要求，應該采用加氫基礎油或者以精制礦油加PAO等合成油為基礎油的低凝抗磨液壓油。

2 油品監測技術在風電場運維中的作用

2.1 油品檢測技術的技術內容

通過對風電機組潤滑油脂的油質狀況、污染雜質顆粒和磨損金屬顆粒等項目的檢測分析，來獲取有關潤滑油脂與設備磨損狀態的信息，診斷設備磨損故障的類型、部位和原因。其主要內容包括：新油質量控制，設備用油選型的優化，設備換油周期的優化，設備的潤滑與磨損狀態監測，設備異常磨損的故障分析。目前，依據監測原理和分析目的的不同，常用的油品監測技術主要有理化分析、光譜分析、鐵譜分析、紅外分析和污染分析等[6-8]。綜合運用以上監測手段對風電機組潤滑油脂進行定性和定量分析，能有效診斷設備主要摩擦部的磨損失效狀態及原因，找出故障源，指導風電場檢修人員及時采取相應維護措施，避免設備故障繼續擴大而造成不必要的損失。表1為齒輪箱的潤滑磨損狀態評價監測方案。

表1 齒輪箱的潤滑磨損狀態評價監測方案

2.2 風電場潤滑油脂的選型優化

一般情況下，風電機組齒輪箱潤滑油的使用壽命為三年左右，之后就需更換新油。由于風電場業主從運營成本和維護工作量等方面考慮，有可能不使用風電機組制造商推薦的潤滑油，所以在風電場的油品監測體系中，潤滑油脂的選型就占有相當重要的位置。油品選型應當充分考慮機組結構，以往運行情況、載荷及溫度等多方面因素。切實制訂合理科學化的新油選型方案對風電場潤滑管理體系至關重要。油品監測工作要有專人負責，針對風電機組部分潤滑部件確定對應的監測周期與指標方案，同時要重視取樣方法與取樣工具的選擇。

2.3 設備潤滑磨損狀態的常態化監測

保證在用潤滑油脂的清潔，若混入灰塵等固體顆粒物，都會對系統中的齒輪表面、液壓泵閥、軸承等產生極大的擦傷磨損，縮短抗疲勞使用壽命。建立油品定期監測制度和每臺風電機組的潤滑油脂監測檔案，及時了解機組的潤滑與磨損狀態，指導機組的潤滑管理與狀態維護。通過對每臺風電機組各部件油脂相關理化指標的定期跟蹤監測，及時發現在用油的劣化程度及污染原因，進行趨勢分析，評估設備的潤滑磨損狀態，指導風電場開展合理的潤滑方式與換油周期。依據相關國內外標準來看，潤滑油脂的檢測指標有數十項之多，經過大量的監測數據積累及分析，綜合考慮監測成本和時間等因素，優先選擇科學合理的檢測項目，達到最有效的檢測目的，既能實現設備的潤滑磨損狀態監測，又能為風電場節約檢測費用。表2為風電場設備用油定期監測項目[9-10]。

3 油品檢測指標分析

現以甘肅河西地區某高原風電場雙饋風電機組為例，來說明油品監測技術在實際中的應運效果。風電場油品檢測部門自2010年建立機組的齒輪箱潤滑油監測體系，每半年定期檢測1次，在2012年6月份的定期檢測中發現3512線路16#風電機組增速齒輪箱所使用的Mobil SHC XMP 320潤滑油中存在較多銅顆粒物。表3為理化指標檢測結果，表4為元素分析檢測結果。

由表3檢測結果可知，潤滑油理化指標合格，未見異常。通過對表4元素光譜分析可得出如下結論，由于風電場地處高原，每年沙塵天氣較多，導致潤滑油SiO2粉塵污染嚴重，污染物Si元素含量較高，造成潤滑效果不佳，產生異常磨損和金屬顆粒物切削。由表中檢測結果還可知齒輪箱中銅質部件磨損較大。需要檢修維護人員定期監測相關部件的磨損狀況，定期清洗潤滑過濾系統，更換濾芯，改善齒輪箱密封和冷卻系統。

表2 風電場設備用油定期監測項目

表3 潤滑油理化指標檢測結果

表4 潤滑油元素分析檢測結果

4 結語

(1) 風電裝機規模和數量日益擴大，如何提高設備可利用率，延長機組使用壽命已成為衡量風電場度電成本的關鍵問題。通過制訂油品定期監測制度，建立風電機組油品監測檔案，可有效避免臨時性維護，預測潤滑部件潛在性故障，節約油品消耗成本，減少備品庫存。

(2) 目前，國家還未正式出臺與風電機組用潤滑油脂相關的國家標準，油品檢測機構大多按照石油行業標準來開展檢測業務，建立風電場油品監測管理體系之后，可以預測設備故障隱患，指導視情維護，通過對部分指標的跟蹤監測分析，能夠科學地指導風電場油品選型，確定換油周期和設備磨損狀態的故障診斷，從而保證風電機組安全穩定運行，增加風電場效益。

[1] 李俊峰,蔡豐波,唐文倩,等.風光無限:中國風電發展報告(2011)[M].北京:中國環境科學出版社,2011.

[2] 羅虹.軸承、材料及表面工程研究[M].成都:西南交通大學出版社,2009.

[3] 王平,袁茂泉.風電設備與風電設備潤滑劑[J].潤滑油,2010 (2):1-5.

[4] 姚興佳,宋俊.風力發電機組原理與應用[M]. 2版.北京:機械工業出版社,2011.

[5] 王一剛,賈石峰.電網電壓驟降情況下雙饋風力發電機低電壓穿越技術分析[J].電子質量,2009 (6):41-42.

[6] 楊其明,嚴新平,賀石中.油液監測分析現場實用技術[M].北京:機械工業出版社,2006.

[7] Jane Muller, Robert Errichello. Oil Cleanliness in Wind Turbine Gearboxes [J].Machinery Lubrication Magazine,2002 (1):16-18.

[8] 王漢功,陳桂明.鐵譜圖像分析理論與技術[M].北京:科學出版社,2005.

[9] 孟玉嬋,李蔭才,賈瑞君,等.油中溶解氣體分析及變壓器故障診斷[M].北京:中國電力出版社,2012.

[10] 孫堅明,孟玉嬋,劉永洛.電力用油分析及油務管理[M].北京:中國電力出版社,2009.