國產齒輪油在1.5 MW風電機組中的應用研究

周康 蒲宸光 牛志勇 李靈威

1 中國石油蘭州潤滑油研究開發中心

2 中國石油上海潤滑油產品設計分公司

主齒輪箱是雙饋風力發電機組的重要機械部件，主要功能是將在風力作用下產生的動力傳遞給發電機，齒輪箱長期處于復雜的交變載荷下工作，所用齒輪潤滑油對保障風電設備的穩定運行具有十分重要的作用。風電機組齒輪油的監測是風力發電設備安全穩定運轉和維護保養的主要環節[1]。隨著風機大型化發展，根據中國風能協會CWEA數據，截至2018年底，全國風電累計裝機中，1.5 MW風電機組累計裝機容量占總裝機容量的41.6%。1.5 MW風機已成為市場主流機型，風電齒輪油的換油周期達到5年甚至7年，對油品的承載能力、抗微點蝕和使用壽命等提出了嚴苛要求。長期以來，風電市場上主要采購進口潤滑油品牌，存在價格高昂、供貨周期較長等問題，給風場正常的運行維護造成不利影響[2]。

為了實現大功率風機用油的國產化，本研究采用某國產油品在兆瓦級風電機組進行應用研究，在一個完整的風電齒輪油換油周期也就是5年內持續跟蹤潤滑油和風機的運行狀態，對影響齒輪油衰變和壽命的主要指標進行監測，分析油品在不同運行時間下各個指標的變化情況[3]，從而為兆瓦級風電齒輪油的國產化替代提供案例。

試驗方案

試驗風場及設備概況

試驗風場處于內蒙古高寒地帶，冬季極端溫度可達零下40 ℃，長期處于零下20 ℃。選用6臺恩德S77/1.5 MW風機作為試驗機組，編號分別為1～6號。該風機使用的是南高齒齒輪箱，最大額定轉速1 750 r/min；額定功率1 660 kW；潤滑方式為強制潤滑與飛濺潤滑相結合。

試驗油品

在風機主齒輪箱上使用國產風電齒輪油FD3000N 320，為PAO型全合成產品，主要理化數據見表1。

表1 FD3000N 320風電齒輪油新油的測試數據

試驗檢測周期及監測項目

試驗從2016年7月1日到2021年7月1日，一共5年，在換油1 個月后、6 個月后、12 個月后、24 個月后、36 個月后、48個月后、54個月后、60個月后共開展8次油液監測。油液監測項目及參考換油指標（參考NB/SH/T 0973—2018《風力發電機組主齒輪箱潤滑油換油指標》、NB/SH/T 0586—2010《工業閉式齒輪油換油指標》和客戶在用國外產品相關指標而制定）見表2。

結果與討論

運動黏度

運動黏度是衡量油品油膜強度和流動性的重要指標，適宜的黏度對保障機械設備的穩定和安全運行起到十分重要的作用。風電設備的主齒輪箱通常選擇40 ℃運動黏度為320 mm2/s 的油品[4]。監測油品在使用過程中黏度的變化可以反映油品的抗剪切性能和氧化變質程度。圖1列出了6臺風機齒輪油運動黏度的變化。

圖1 不同運行階段6臺風機齒輪油運動黏度的變化

從圖1可以看出，6 臺風機在5年的運行過程中，齒輪油的40 ℃運動黏度基本是保持穩定的，約為322.5 mm2/s。這表明風機齒輪油均未發生嚴重衰變，說明該國產潤滑油具有良好的黏度保持性，能夠滿足風機長時間安全穩定運行的要求。

酸值

酸值是表示潤滑油中含有酸性物質的總和的指標，由于配方設計的不同，相同黏度的油品其酸值會有較大差別。風機齒輪油在運轉過程中，長期受到空氣、水分、溫度等的影響，容易發生氧化反應，生成一系列酸性氧化物導致油品酸值增加。酸值含量過高會對齒輪箱造成一定程度的腐蝕。若油品在使用周期過程中酸值增加值較小，則表明齒輪油的使用壽命未受風機齒輪箱運行的影響。油液監測中，酸值是判斷設備潤滑狀況和油品抗氧抗腐性能的重要指標。圖2列出了6臺風機齒輪油酸值的變化。

圖2 不同運行階段6臺風機齒輪油酸值的變化

從圖2 可以看出，6臺風機齒輪油中在5年的運行周期內酸值含量基本在0. 45～0. 85 mgKOH/g 之間。參考NB/SH/T 0586《工業閉式齒輪油換油指標》，當在用油品的酸值增加值大于或等于1 mgKOH/g時，需要更換油品的要求，本試驗國產風電油在應用周期內酸值增加值僅為0.45 mgKOH/g，酸值增加值并不明顯，表明油品未發生明顯氧化。

銅片腐蝕

銅片腐蝕反映油品對含銅部件的腐蝕程度。風電齒輪油配方設計時需要保持一定的極壓抗磨性，因此具有一定的化學活性，這就容易造成對金屬尤其是銅部件的腐蝕。此外，油品在長期使用中因氧化作用也會產生一些酸性物質，當酸性物質積累到一定程度時會對金屬產生腐蝕，腐蝕程度與油品質量及工作狀況有關。風機齒輪箱軸承的保持架多為銅材質，對齒輪油的抗銅片腐蝕性能有較高要求，因此需要對其進行監測。表3列出了6臺風機齒輪油銅片腐蝕的變化。

表3 不同運行階段6臺風機齒輪油銅片腐蝕的變化

由表3可以看出，5年的連續監測中，國產FD3000N 320風電齒輪油銅片腐蝕的評級為1a或1b，無異常上升情況，表明試驗油品具有良好的抗銅腐蝕性能。

燒結負荷

風電齒輪油的摩擦學性能特別是邊界潤滑性能（極壓抗磨性能）主要決定于齒輪油中極壓抗磨劑（主要為含硫劑和含磷劑）。燒結負荷（PD值）通常是用來表征潤滑油極壓抗磨性的一項指標，在一定程度上反映了油品極壓性能的高低。油品在使用過程中，隨著功能添加劑的不斷使用消耗，油品的PD值會有變小的趨勢。表4列出了6臺風機齒輪油燒結負荷的變化。

表4 不同運行階段6臺風機齒輪油燒結負荷的變化

從表4可以看出，國產FD3000N 320油品的PD值在5年試驗過程中基本保持穩定，說明油品中的極壓抗磨添加劑保持性較好，油品的極壓性沒有明顯下降。

水分

潤滑系統中水分的污染主要來源于密封件失效、空氣水分冷凝和外界經呼吸口或密封系統進入的水等。水的存在會造成油品乳化，軸承、齒輪腐蝕磨損和銹蝕，甚至會在齒輪的微裂紋中產生氫脆化效應，造成齒輪的疲勞剝落［5］。需要指出的是，水分含量是影響油品酸值大小的重要因素，油品使用過程中氧化生成的酸性物質溶解到水中，會生成大量酸性物質，這些酸性物質會加速油品的劣化［6，7］，因此控制齒輪油中水分含量可以有效降低齒輪油的酸值。一般而言，用于風機主齒輪箱的油品含有微量水（≤ 300 mg/kg）不會影響風機齒輪箱的正常使用。表5列出了6臺風機齒輪油水分的變化。

表5 不同運行階段6臺風機齒輪油水分的變化

從表5可以看出，在不同運行時間6臺風機齒輪油中水分含量均為痕跡，可見油品在使用試驗中沒有受到水污染。

PQ指數

PQ指數是通過測試油品的磁場強度來評價油品鐵磁性顆粒的濃度。PQ指數適合檢測大顆粒，對小顆粒不敏感，通常PQ指數大的情況下，鐵譜中磨粒也比較大。圖3列出了6臺風機齒輪油PQ指數的變化。

圖3 不同運行階段6臺風機齒輪油PQ指數的變化

從圖3可以看出，在不同運行時間內，6臺風機齒輪油中表征油品磨損程度的PQ指數數值較小，在2～4之間波動，可見油品在5年的應用試驗中沒有產生大的磨粒，表明油品的抗磨性能較好。

磨損金屬含量

鐵、銅元素是齒輪、軸承等摩擦副材質的主要元素，通過磨損元素的含量可以推斷設備內部的磨損情 況［8］。 根據NB/SH/T 0973—2018 《風力發電機組主齒輪箱潤滑油換油指標》要求，當油品中鐵含量超過150 mg/kg 或銅含量超過50 mg/kg 或后，油品的潤滑保護性能會受到不利影響，需要更換油品。若油品在使用時間內鐵、銅含量沒有明顯增加，表明齒輪油為風機齒輪箱和軸承提供了良好的長期抗磨損保護，圖4和圖5列出了6臺風機鐵元素、銅元素含量的變化。

圖4 不同運行階段6臺風機齒輪油鐵元素含量變化

圖5 不同運行階段6臺風機齒輪油銅元素含量變化

從圖4和圖5可以看出，6臺風機齒輪油中在整個試驗周期內，鐵元素含量和銅元素含量同時有一定程度增加，但鐵元素含量最大不超過20 mg/kg，銅元素含量最大不超過12 mg/kg，說明試驗風機的齒輪箱和軸承的磨損狀態處于正常水平，油品具有良好的極壓承載能力。

齒輪箱拆檢

5年的使用試驗結束后，采用內窺鏡對齒輪潤滑狀況進行檢測，圖6列舉了6臺風電機組內窺鏡檢查齒輪表面的照片。

圖6 試驗結束后的風機齒輪箱齒面照片

從圖6結果可以看出，齒輪潤滑狀況良好，齒面未發生過度磨損、擦傷及點蝕現象。表明風機設備運行以來，潤滑處于正常水平。

結束語

通過對國產風電齒輪油FD3000N 320在6臺1.5 MW風機上 5 年使用期的黏度、酸值、銅片腐蝕、燒結負荷PD值、水分污染物及磨損金屬含量等進行監測，分析在用油品在不同運行時間下指標的變化情況，結果表明：油品各項主要性能指標變化均處在正常變化范圍內，風電齒輪油尚未發生明顯劣化，滿足兆瓦級別風電設備的潤滑要求。國產風電潤滑油FD3000N 320可以代替進口潤滑油在兆瓦級風電設備上進行推廣應用。