我國風力發(fā)電機組潤滑現狀和展望

馮欣，夏延秋，孫玉彬

(1.華北電力大學能源動力與機械工程學院，北京 102206；2.龍源(北京)風電工程技術有限公司，北京 100034)

0 引言

風力發(fā)電是指把風的動能轉為電能。風能是一種清潔無公害的可再生能源，很早就被人類利用。截至到2020年底，我國風電裝機2.81億千瓦，發(fā)電量4665億千瓦時，要實現碳達峰、碳中和目標，到2030年我國風電裝機量至少翻一倍，達到近6億千瓦。截至2020年底，中國陸上風電累計裝機容量達278324 MW，排名全球第一，遙遙領先其他國家。美國(122275 MW)、德國(55122 MW)、印度(38625 MW)和西班牙(27238 MW)陸上風電累計裝機容量分列第二至第五位。而對于發(fā)展更快的海上風電，截至2020年年底，全球海上風電累計裝機35196 MW，其中，英國占全球總產能的29%，中國和德國分別占28.12%和21.96%。而到了2021年4月，我國海上風電并網容量達到104200 MW，已超過英國海上風電裝機容量，成為海上世界第一。但國內風機99%以上使用進口潤滑油脂，因此中國潤滑科技工作者要加大基礎研究和應用研究力度，解決“卡脖子”問題。

1 風力發(fā)電機組潤滑系統(tǒng)

風力發(fā)電機組主要由風輪、機艙和塔架三部分組成。風力發(fā)電機組的種類多樣，目前常用的機型是雙饋、直驅和半直驅類型，但需要潤滑的不外乎以下幾個部分：變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、主軸傳動系統(tǒng)、齒輪箱和電機，見圖1。其中雙饋型風電機組有齒輪箱，而直驅型風電機組沒有齒輪箱，半直驅型風電機組的齒輪箱是結構簡單的齒輪機構。

1.變槳軸承；2.變槳齒輪箱；3.主軸承；4.偏航齒輪箱；5.偏航開齒；6.發(fā)電機軸承；7.主齒輪箱

變槳系統(tǒng)就是通過調節(jié)槳葉的節(jié)距角，改變氣流對槳葉的攻角，進而控制風輪捕獲的氣動轉矩和氣動功率。變槳系統(tǒng)需要潤滑，包括電機(或液壓變槳驅動系統(tǒng))、變槳軸承和變槳齒輪。需要電機軸承脂、變槳軸承脂和變槳齒輪脂潤滑，變槳齒輪箱需齒輪油潤滑。 偏航系統(tǒng)就是當風速矢量的方向變化時，能夠快速平穩(wěn)地對準風向，以便風輪獲得最大的風能。偏航系統(tǒng)一般包括偏航電機、偏航減速器、偏航齒輪和偏航軸承，這四部分需要潤滑，偏航減速器是油潤滑，其他是脂潤滑，另外偏航剎車系統(tǒng)需要液壓油，由液壓油提供動力，來起到剎車作用。主軸傳動系統(tǒng)是風機主軸連接風機葉片與風機底座的部件，固定端(采用雙列圓錐滾子軸承或調心滾子軸承)、浮動端(采用圓柱滾子軸承或調心滾子軸承)只承受徑向力。潤滑主要是用潤滑脂潤滑(也有少部分風機采用油潤滑)。齒輪箱也稱為增速箱，是將葉片的低轉速通過齒輪箱增速，達到發(fā)電機發(fā)電所要求的轉速。通常齒輪箱是采用行星齒輪傳動，需要齒輪油潤滑。電機是將動能轉化成電能高的裝置，電機軸承采用軸承脂潤滑。

2 風電機組用潤滑油

風力發(fā)電機組齒輪箱是風力發(fā)電機的重要部件，齒輪箱的作用是將風輪的轉速轉化為電機的轉速，齒輪箱在高速轉動過程中容易發(fā)生齒面磨損、點蝕以及潤滑油老化，嚴重會導致齒輪箱事故。因此齒輪箱是風力發(fā)電機的重要潤滑部位。風機用潤滑油主要是齒輪油(用于包括齒輪箱、偏航變速箱和變槳變速箱)，根據偏航和變槳變速箱齒輪結構選擇是否與齒輪箱用同一種齒輪油。風力發(fā)電機齒輪油主要由聚α-烯烴全合成基礎油和高性能復合添加劑制備而成，可以在極端環(huán)境溫度及惡劣工況條件下使用，具有高的承載能力和好的抗氧化性能，具有長的使用壽命，卓越的高低溫性能，可使用于高溫地區(qū)和嚴寒地區(qū)的長壽命齒輪油。

風電齒輪油要求具有高的承載能力、好的耐磨性、高效的防微點蝕保護能力，同時具有低泡性、優(yōu)異的水分離特性、良好的抗剪切性、抗氧化性和高低溫適用性等?？梢詽M足設備高的承載能力、頻繁啟停、振動沖擊、酷暑嚴寒等。為了提高風機齒輪油的國產化，降低對進口的依賴，國內科研工作者對此進行了深入研究，申報了風電齒輪油專利[1-2]，并參考國外風機齒輪油的質量指標制定了我國的風力發(fā)電機專用潤滑油的國家標準[3]。近年來，國內研究機構和各大油品公司開展了廣泛的風機齒輪油的研制和實踐應用工作，包括風機齒輪油研制[4-5]和風機齒輪油現場試驗[5-8]，證明國產齒輪潤滑油能夠完全替代進口齒輪油，滿足風力發(fā)電機組齒輪箱的潤滑需求。表1示出了兩種國產風機齒輪油與進口風機齒輪油的對比數據，其各項指標均不低于進口油性能指標，并在東北某風場連續(xù)運轉5年，證明可以滿足大功率風電機組齒輪箱齒輪的潤滑要求。

表1 國產與進口風電機組齒輪油性能對比

表1(續(xù))

3 風電機組用潤滑脂

風機用潤滑脂主要用于軸承潤滑，包括：變槳軸承、主軸承、偏航軸承、電機軸承以及變槳齒輪和偏航齒輪等。根據不同部位的潤滑要求不同，選用不同種類的潤滑脂。國內科研工作者通過研究并借鑒國外風機潤滑脂性能指標制定了我國的風力發(fā)電機專用潤滑脂國家標準，包括軸承潤滑脂國家標準和開式齒輪潤滑脂國家標準[9-10]。軸承潤滑脂包括風力發(fā)電機組主軸偏航變槳距軸承潤滑脂、風力發(fā)電機組發(fā)電機軸承潤滑脂，開式齒輪潤滑脂主要用于偏航和變槳齒輪。通常一臺風機上選2～3種潤滑脂，可以滿足風機傳動部分軸承和齒輪的潤滑。風力發(fā)電機軸承脂通常用復合鋰基脂作為潤滑劑，風機通用復合鋰基潤滑脂通常由羥基脂肪酸鋰皂與低分子酸鋰鹽復合生成的復合鋰皂稠化合成基礎油并加入高性能復合添加劑添制備的潤滑脂，滿足苛刻環(huán)境下風電軸承和齒輪的潤滑需求，具有好的泵送性能、剪切性能、高的承載能力和好的抗磨性能、低溫啟動性能和高低速性能以及良好的耐腐蝕性能。

近年來，我國科技工作者在風機潤滑脂研制[11-14]和風機軸承脂現場試驗[15]中做了大量工作，表2和表3分別示出了兩種國產風機潤滑脂與進口風機潤滑脂的對比數據，實踐研究表明，其各項指標均不低于進口潤滑脂的性能指標，并在東北某風場連續(xù)運轉超過2年。表4示出了國產開式齒輪脂與進口開式齒輪脂的對比數據，其各項指標除抗磨性外均不低于進口潤滑脂的性能指標，其在某風場已運轉2年，證明國產的風電潤滑脂可以滿足大功率風電機組軸承的潤滑需求。

隨著國產技術的發(fā)展，國內昆侖、長城、眾城、海華、潤德西等潤滑油脂公司已陸續(xù)在國內風場進行風機油脂驗證，試驗表明，國產潤滑油脂在性能指標和使用性能等方面不低于國外同類型產品。

表2 國產與進口風力發(fā)電機組發(fā)電機軸承潤滑脂性能對比

表2(續(xù))

表3 國產與進口風力發(fā)電機組主軸偏航變槳距軸承潤滑脂性能對比

表4 國產與進口風力發(fā)電機組偏航和變槳齒輪潤滑脂性能對比

表4(續(xù))

國內在風電潤滑油脂研發(fā)上不斷發(fā)力，昆侖、長城、眾城、海華、潤德西等潤滑油脂公司分別推出了各自的風電潤滑油脂[5,7,11-13,16]，可以滿足我國風電場對潤滑油脂的需求，目前國內所有的風電齒輪油都選擇PAO做基礎油，添加劑有自主研發(fā)，也有選擇進口復合劑，基本滿足了風電潤滑的需求。其中極壓抗磨添加劑多以硫磷劑為主，配以摩擦改進劑，來提高齒輪油的抗微點蝕能力，同時輔以防腐、防銹、抗乳化和抗泡劑等添加劑，國內潤滑油脂的生產工藝和潤滑油脂性能已達到國內外同類產品水平，可以滿足我國風力發(fā)電機齒輪油的潤滑要求，但在單劑種類和性能指標上與國外同類產品還有差距。從風電廠和潤滑油脂公司的反饋信息以及本課題組對潤滑脂的監(jiān)測結果(SCADA數據)和測試數據分析，其運行結果與選用的國外軸承脂沒有差距，軸承運轉正常。但到目前為止還沒有風電軸承潤滑脂的公開招標報道，國產風電機組潤滑油脂還需努力。

4 結論和展望

近年來，我國風電潤滑油脂取得了很大進展，國產潤滑油脂已開始在國內風場的風機上零星使用，但還遠遠不夠，推進風電機組潤滑油脂國產化任重道遠。同時，隨著海上風場的大規(guī)模建設，中國近海海上風場的環(huán)境和工作條件對風電機組的潤滑提出了新的要求，因此海上風場用潤滑油脂及其監(jiān)測將是近年來科技人員應關注的焦點。