風電機組齒輪箱潤滑油的精過濾技術

張文，陳雷，李蛟，葉毓蒼

（1.魯能新能源（集團）有限公司，北京 100020；2.中電智為（北京）科技有限公司，北京 102600）

在風電機組的發展過程中，跟其他顯性缺陷（油溫高、低；漏油等）相比，齒輪箱油的清潔度是“有力的隱形殺手”。直到研究機構或生產廠商經長時間的跟蹤研究、統計，才指出齒輪箱齒輪、軸承的故障率有70%～80%來源于齒輪箱油液的清潔度低下。齒輪箱在長時間的復雜工況下運行，齒面、軸承等發生了點蝕、疲勞剝落、磨損等，產生了金屬微顆粒，融入到齒輪箱油液中。在齒輪箱油液的粘度、壓力、流動的作用下，不能讓金屬微顆粒短時間沉淀到油箱底部，而是隨著油流，無數次地循環，以磨損齒輪、軸承工作面，形成油液、部件間的惡性循環，擴大、加劇齒輪、軸承的損壞速度、油液的劣化速度，縮短二者的使用壽命，二者形成“一損俱損、兩敗俱傷”的不良局面。

目前，國內風電機組齒輪箱故障頻繁，齒輪箱出現齒面磨損、齒面膠合、齒面點蝕、軸承損傷的情況屢見不鮮，這些故障與齒輪箱油液的清潔度有緊密的聯系。齒輪箱的油液清潔度（微固體顆粒物、微水分）嚴重超標，會使齒輪、軸承、齒輪箱油工作狀態劣化、惡化的速度加快，成為齒輪箱故障率居高不下的重要因素。

在役風電機組齒輪箱過濾器多由廠家出廠時安裝，生產實踐經驗證明，其過濾效果未能達到精過濾的標準，使齒輪箱油液中的微固體顆粒物、微水分嚴重超標，在實際的運行過程中清潔度往往只達到ISO 20/18/15(ISO 4406)，甚至更高，更無法達到我國國家標準 GB/T 19073-2008的標準要求。圖1是某風場更換下來的齒輪箱濾芯，其油液污染程度嚴重性顯而易見。為了提升齒輪油液的清潔度、降低齒輪箱組因齒輪油液清潔度過低造成的齒輪箱故障率，齒輪箱油液的精過濾處理是非常有必要的。

圖1 齒輪箱濾芯污染圖

1 精過濾系統組成及原理

精過濾系統的工作原理如圖2所示。精過濾系統主要由高效玻璃纖維預過濾系統（圖3a）、脫水膜組件組（圖3b）成。油液進入高效玻璃纖維預過濾組件中，去除油中的固體顆粒物和其它雜質。然后，油液進入專用的脫水膜組件，在脫水膜組件內，數千根中空纖維膜并聯工作，游離水、乳化水和溶解水被同時去掉。油液水分過濾處理如圖4所示，油液在中空纖維膜的內側流動，而干燥空氣在中空纖維膜的外側流動，與潤滑油的接觸面積最大化。特殊的膜結構以及水分濃度差異使潤滑油中的水分透過膜，被連續流動的干燥空氣夾帶，排除系統。通過高效玻璃纖維預過濾系統、脫水膜組件將油液中的固態顆粒和其它雜質、游離水、乳化水和溶解水過濾掉，實現齒輪箱油液的精過濾處理。

圖2 精過濾系統工作原理圖

圖3 預過濾組件及材料（a）、脫水膜組件（b）示意圖

圖4 油液水分過濾原理圖

2 試驗結果

將基于高效玻璃纖維預過濾系統的顆粒過濾器組件、脫水膜組件、空壓機、安全保護、控制系統和電源組合安裝形成一套精過濾處理設備。將該設備安裝在某風場的二十多臺典型風機上進行實驗，記錄安裝該設備的時間節點，對安裝前的風機提取初始油樣，對安裝后運行8個月的風機再次抽取油樣。為排除該精過濾處理設備對齒輪箱油液精過濾處理結果的偶然性，隨機抽取了加裝精過濾設備的兩臺風機（風機號為12# 和 13#），進行了安裝前、后的數據分析。12#風機安裝精過濾處理設備前后齒輪箱油液的水分及顆粒物M的數據和圖形對比分別見表1和圖5所示， 13#風機安裝精過濾處理設備前后齒輪箱油液的水分及顆粒物M的數據和圖形對比分別見表2和圖6所示。

表1 12#風機精過濾前后油液的水分及顆粒物數據對比

圖5 12#風機精過濾前后油液的凈化效果圖

表2 13#風機精過濾前后油液的水分及顆粒物數據對比

圖6 13#風機精過濾前后油液的凈化效果圖

由表1和表2中得知：安裝前，齒輪箱油品等級超出了國際上對齒輪箱潤滑油清潔度標準要求4～6個等級（國際標準：風機正常運行時潤滑油清潔度等級為—ISO 4406:18/16/13）。安裝8個月后發現，該精過濾處理設備快速提高了潤滑油的清潔度：12#風電機組齒輪箱潤滑油提升至ISO 4406:18/16/12；13#風機提升至 ISO 4406:19/17/13，由圖5和圖6安裝精過濾處理設備前后8個月的數據發現，其中圖5的左圖是12#風機安裝精過濾設備前后齒輪油凈化率效果圖，右圖是12#風機安裝精過濾設備前后齒輪油顆粒物及齒輪油水分含量效果圖；圖6的左圖是13#風機安裝精過濾設備前后齒輪油凈化率效果圖，右圖是13#風機安裝精過濾設備前后齒輪油顆粒物及齒輪油水分含量效果圖。從圖中發現，油液中水分和顆粒物過濾效果非常明顯，大幅度減少了油液中顆粒物對齒輪箱的磨損。

3 結果分析

3.1 齒輪油水分對齒輪箱壽命的影響

圖7是12#和13#風機齒輪箱油液水分含量與齒輪箱軸承壽命趨勢圖（美國鐵姆肯軸承公司經理論計算）?？梢?，隨著齒輪油中水分的增加，齒輪箱軸承剩余壽命會降低。

圖8是齒輪油中的水分含量與水的百分比濃度的關系。可知，油液中水分的含量與水分的濃度成線性關系由于12#風機的安裝精過濾處理系統設備前后油液中的水分分別為176mg/kg和22mg/kg。經過計算可得，176ppm的含水量對應軸承剩余壽命約為61%，22ppm的含水量對應軸承剩余壽命約為249%，如圖7標出的點所示，則12#風機齒輪箱軸承壽命延長倍率約為4.1。同理，計算13#風機的含水量對應軸承剩余壽命得出，238ppm的含水量對應軸承剩余壽命約為49%，37ppm的含水量對應軸承剩余壽命約為210%，如圖7標出的點所示，則13#風機齒輪箱軸承壽命延長倍率約為4.28?？梢姡コX輪箱油液的水分可明顯延長齒輪箱部件的使用壽命。

圖7 齒輪箱油液水分含量與齒輪箱軸承壽命趨勢圖

圖8 油液水分含量與油液水分濃度關系圖

3.2 齒輪油清潔度對齒輪箱壽命的影響

表3是12#和13#風機在安裝精過濾處理系統設備前后的齒輪油清潔度數據。表4是油品清潔度的提升對延長風機齒輪箱壽命倍數對照表?？梢钥闯觯鍧嵍鹊奶岣撸?2#、13#號風機齒輪箱的壽命延長倍數分別為5倍和3.5倍?？梢姡岣啐X輪油的清潔度可明顯延長齒輪箱部件的使用壽命。

表3 安裝精過濾處理設備前后齒輪油清潔度

表4 油品清潔度提升與齒輪箱壽命倍數對照表

3.3 降低換油頻次

齒輪油品質的提高，可減少換油頻率，相關研究報告顯示，由3～5年1次換油，可改善到5～7年1次換油，甚至更長，主要監測添加劑的消耗情況及油品的粘稠度。

齒輪箱未加裝精過濾系統設備的按4年1次換油，齒輪箱加裝精過濾系統設備的按6年1次換油。如以1.5MW容量風機為例，每臺齒輪箱油量以200L計，沖洗油量按油量的20%算，綜合換油費如人工費等按油量價錢的30%算，那么換油1次的費用近3.5萬元，如表5所示。

按4年換1次油計算，年均換油費用約為0.86（34320/4）萬元，按6年換1次油計算，年均換油費用約為0.57（34320/6）萬元。每臺風機每年可減少換油費用0.29萬元，1個風場以33臺風機計算，每年可節約資金為9.57萬元。

表5 換油費用油明細表

4 結語

（1）安裝了精過濾處理設備的齒輪箱油液的水分及顆粒物大幅度降低，提高了齒輪油液的清潔度。以上兩臺風機為例，其齒輪油清潔度提高了6～7個等級；且顆粒物過濾效率非常明顯，大幅度減少了油液中顆粒物對齒輪箱的磨損。

（2）從經濟效益分析角度可知，齒輪油液水分的減少和齒輪油液清潔度的提高都可延長齒輪箱油液及齒輪箱相關部件的使用壽命，間接的降低了齒輪箱的使用成本。并且齒輪箱油液質量的提高，降低了換油頻次，節約了換油費用及人工成本。

（3）安裝齒輪箱油液精過濾處理設備，可提高齒輪箱潤滑油品質，大幅度減小油液中污染物對齒輪箱的磨損，提高齒輪箱完好率，延長齒輪箱的壽命，可以得到很好的經濟效益。