基于油品監(jiān)測的風(fēng)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(fēng)電裝機(jī)容量不斷增加，陸上單機(jī)容量已達(dá)到3MW，截至2011年9月底，甘肅風(fēng)電裝機(jī)容量5.5GW，占全國總裝機(jī)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(fēng)電市場和風(fēng)能設(shè)備制造中心，我國風(fēng)電在2020年之后將成為第三大主力發(fā)電電源[1]。風(fēng)電場一般地處戈壁荒灘、干旱、高寒地區(qū)，針對齒輪箱等風(fēng)電機(jī)組的大型部件現(xiàn)場不便進(jìn)行拆卸維修，要求風(fēng)電機(jī)組具有長周期運(yùn)轉(zhuǎn)和極高的可靠性，在役風(fēng)電機(jī)組的維護(hù)保養(yǎng)問題日益突出，后期維護(hù)費(fèi)用已占到風(fēng)電場運(yùn)營成本的主要部分。如何降低風(fēng)電機(jī)組維護(hù)費(fèi)用，提高設(shè)備可利用率，已成為風(fēng)電機(jī)組制造商和風(fēng)電場業(yè)主迫切需要解決的問題。風(fēng)電場用油主要有風(fēng)電機(jī)組用潤滑油脂、液壓油，主變壓器和箱變用絕緣油等。

風(fēng)電機(jī)組的齒輪箱運(yùn)行工況處于高溫、交變重載荷沖擊狀態(tài)下，對齒輪箱潤滑油各項(xiàng)性能指標(biāo)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(diǎn)蝕、軸彎曲、齒面膠合、軸承損壞、箱體及齒面裂紋等。根據(jù)國內(nèi)外多年來對齒輪箱故障的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，潤滑油質(zhì)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(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得出結(jié)論：提高風(fēng)電機(jī)組潤滑油脂監(jiān)測水平，加強(qiáng)視情維護(hù)，能夠確保風(fēng)電機(jī)組安全、可靠運(yùn)行，提高設(shè)備可利用率[2-3]。

1 風(fēng)電機(jī)組潤滑部件及對油脂特性要求

目前，主流風(fēng)電機(jī)組按結(jié)構(gòu)分為雙饋感應(yīng)風(fēng)電機(jī)組和直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組兩種，文中所指裝有增速齒輪箱的雙饋風(fēng)電機(jī)組，其主要潤滑部件有：增速齒輪箱，偏航系統(tǒng)與減速箱，變槳系統(tǒng)與減速箱，發(fā)電機(jī)軸承，液壓制動(dòng)系統(tǒng)，主軸承等[4]。

1.1 齒輪箱的潤滑特性

齒輪箱是風(fēng)電機(jī)組的主要潤滑部位，用油量占機(jī)組全部用油量的3/4左右。齒輪箱可以將很低的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速（1500kW的風(fēng)電機(jī)組通常為25r/min）變?yōu)楹芨叩陌l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速（通常1700r/min），南高齒和重齒等廠家的齒輪箱多采用壓力強(qiáng)制循環(huán)潤滑?？紤]到風(fēng)電機(jī)組多安裝在我國的新疆、內(nèi)蒙古、甘肅及沿海等地區(qū)，潤滑油受氣候溫差、濕度等影響較大，并且處于相對偏遠(yuǎn)的地區(qū)，維修不便，且雙饋風(fēng)電機(jī)組遭受低電壓穿越時(shí)對齒輪箱的沖擊力較大[5]，因此，設(shè)計(jì)要求齒輪箱使用壽命長、承受負(fù)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(yīng)具有良好的熱氧化穩(wěn)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(shí)還應(yīng)具有較低的摩擦系數(shù)以降低齒輪傳動(dòng)中的功率損耗。經(jīng)過對已運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組齒輪箱故障的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，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(fā)電機(jī)軸承及主軸的潤滑特性

軸承是發(fā)電機(jī)的主要潤滑點(diǎn)，長期運(yùn)轉(zhuǎn)溫度可達(dá)80℃以上，夏天機(jī)艙在戈壁灘受太陽直射，溫度會(huì)更高。因此，要求發(fā)電機(jī)軸承潤滑脂能夠在高溫下保持良好的潤滑而不流失，同時(shí)能夠減少摩擦阻力，降低軸承運(yùn)轉(zhuǎn)溫度。冬季在高緯度、高海拔地區(qū)機(jī)艙內(nèi)溫度可低至－30℃，且發(fā)電機(jī)功率較大，使用的潤滑脂需考慮低溫啟動(dòng)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(fā)電機(jī)軸承加注潤滑脂較困難，多使用合成型潤滑脂來保證發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

風(fēng)電機(jī)組主軸承承受的負(fù)荷較大，轉(zhuǎn)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(jù)前后軸承結(jié)構(gòu)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(tǒng)的潤滑特性

偏航系統(tǒng)主要作用是使風(fēng)輪掃掠面積垂直于主風(fēng)向，雖然速度不高，但偏轉(zhuǎn)軸承和齒輪承受的負(fù)荷較大，而且偏航齒輪一般為開式結(jié)構(gòu)，由于不像發(fā)電機(jī)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)速度快，自身產(chǎn)生熱量相對少，偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tǒng)減速器具有間歇性工作的特點(diǎn)，啟停頻繁，傳遞扭矩較大，傳動(dòng)比高，電動(dòng)機(jī)通過大速比的行星齒輪減速器驅(qū)動(dòng)機(jī)艙轉(zhuǎn)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(tǒng)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(tǒng)基本一致。

1.4 液壓制動(dòng)系統(tǒng)的潤滑特性

兆瓦級風(fēng)電機(jī)組的剎車方式主要有氣動(dòng)剎車和齒輪箱高速軸機(jī)械盤剎車系統(tǒng)，屬于失效—安全保護(hù)模式。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組發(fā)生機(jī)艙振動(dòng)過大，風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速過高等故障時(shí)，通過液動(dòng)制動(dòng)裝置的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)。液壓制動(dòng)系統(tǒng)在保證機(jī)組正常安全運(yùn)行、防止事故發(fā)生、對風(fēng)電機(jī)組啟停機(jī)控制起著重要作用。

風(fēng)電機(jī)組液壓制動(dòng)系統(tǒng)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(yōu)異的低溫性能，以適應(yīng)北方寒冷的氣候或者南方潮濕、鹽霧環(huán)境。推薦使用粘度指數(shù)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(yōu)異的液壓油。國內(nèi)普通的HM抗磨液壓油低溫性能、粘度指數(shù)等指標(biāo)不能滿足使用要求，應(yīng)該采用加氫基礎(chǔ)油或者以精制礦油加PAO等合成油為基礎(chǔ)油的低凝抗磨液壓油。

2 油品監(jiān)測技術(shù)在風(fēng)電場運(yùn)維中的作用

2.1 油品檢測技術(shù)的技術(shù)內(nèi)容

通過對風(fēng)電機(jī)組潤滑油脂的油質(zhì)狀況、污染雜質(zhì)顆粒和磨損金屬顆粒等項(xiàng)目的檢測分析，來獲取有關(guān)潤滑油脂與設(shè)備磨損狀態(tài)的信息，診斷設(shè)備磨損故障的類型、部位和原因。其主要內(nèi)容包括：新油質(zhì)量控制，設(shè)備用油選型的優(yōu)化，設(shè)備換油周期的優(yōu)化，設(shè)備的潤滑與磨損狀態(tài)監(jiān)測，設(shè)備異常磨損的故障分析。目前，依據(jù)監(jiān)測原理和分析目的的不同，常用的油品監(jiān)測技術(shù)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(yùn)用以上監(jiān)測手段對風(fēng)電機(jī)組潤滑油脂進(jìn)行定性和定量分析，能有效診斷設(shè)備主要摩擦部的磨損失效狀態(tài)及原因，找出故障源，指導(dǎo)風(fēng)電場檢修人員及時(shí)采取相應(yīng)維護(hù)措施，避免設(shè)備故障繼續(xù)擴(kuò)大而造成不必要的損失。表1為齒輪箱的潤滑磨損狀態(tài)評價(jià)監(jiān)測方案。

表1 齒輪箱的潤滑磨損狀態(tài)評價(jià)監(jiān)測方案

2.2 風(fēng)電場潤滑油脂的選型優(yōu)化

一般情況下，風(fēng)電機(jī)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(fēng)電場業(yè)主從運(yùn)營成本和維護(hù)工作量等方面考慮，有可能不使用風(fēng)電機(jī)組制造商推薦的潤滑油，所以在風(fēng)電場的油品監(jiān)測體系中，潤滑油脂的選型就占有相當(dāng)重要的位置。油品選型應(yīng)當(dāng)充分考慮機(jī)組結(jié)構(gòu)，以往運(yùn)行情況、載荷及溫度等多方面因素。切實(shí)制訂合理科學(xué)化的新油選型方案對風(fēng)電場潤滑管理體系至關(guān)重要。油品監(jiān)測工作要有專人負(fù)責(zé)，針對風(fēng)電機(jī)組部分潤滑部件確定對應(yīng)的監(jiān)測周期與指標(biāo)方案，同時(shí)要重視取樣方法與取樣工具的選擇。

2.3 設(shè)備潤滑磨損狀態(tài)的常態(tài)化監(jiān)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(huì)對系統(tǒng)中的齒輪表面、液壓泵閥、軸承等產(chǎn)生極大的擦傷磨損，縮短抗疲勞使用壽命。建立油品定期監(jiān)測制度和每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的潤滑油脂監(jiān)測檔案，及時(shí)了解機(jī)組的潤滑與磨損狀態(tài)，指導(dǎo)機(jī)組的潤滑管理與狀態(tài)維護(hù)。通過對每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組各部件油脂相關(guān)理化指標(biāo)的定期跟蹤監(jiān)測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)在用油的劣化程度及污染原因，進(jìn)行趨勢分析，評估設(shè)備的潤滑磨損狀態(tài)，指導(dǎo)風(fēng)電場開展合理的潤滑方式與換油周期。依據(jù)相關(guān)國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)來看，潤滑油脂的檢測指標(biāo)有數(shù)十項(xiàng)之多，經(jīng)過大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)積累及分析，綜合考慮監(jiān)測成本和時(shí)間等因素，優(yōu)先選擇科學(xué)合理的檢測項(xiàng)目，達(dá)到最有效的檢測目的，既能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的潤滑磨損狀態(tài)監(jiān)測，又能為風(fēng)電場節(jié)約檢測費(fèi)用。表2為風(fēng)電場設(shè)備用油定期監(jiān)測項(xiàng)目[9-10]。

3 油品檢測指標(biāo)分析

現(xiàn)以甘肅河西地區(qū)某高原風(fēng)電場雙饋風(fēng)電機(jī)組為例，來說明油品監(jiān)測技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)運(yùn)效果。風(fēng)電場油品檢測部門自2010年建立機(jī)組的齒輪箱潤滑油監(jiān)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(fā)現(xiàn)3512線路16#風(fēng)電機(jī)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(biāo)檢測結(jié)果，表4為元素分析檢測結(jié)果。

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

表2 風(fēng)電場設(shè)備用油定期監(jiān)測項(xiàng)目

表3 潤滑油理化指標(biāo)檢測結(jié)果

表4 潤滑油元素分析檢測結(jié)果

4 結(jié)語

(1) 風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模和數(shù)量日益擴(kuò)大，如何提高設(shè)備可利用率，延長機(jī)組使用壽命已成為衡量風(fēng)電場度電成本的關(guān)鍵問題。通過制訂油品定期監(jiān)測制度，建立風(fēng)電機(jī)組油品監(jiān)測檔案，可有效避免臨時(shí)性維護(hù)，預(yù)測潤滑部件潛在性故障，節(jié)約油品消耗成本，減少備品庫存。

(2) 目前，國家還未正式出臺(tái)與風(fēng)電機(jī)組用潤滑油脂相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，油品檢測機(jī)構(gòu)大多按照石油行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來開展檢測業(yè)務(wù)，建立風(fēng)電場油品監(jiān)測管理體系之后，可以預(yù)測設(shè)備故障隱患，指導(dǎo)視情維護(hù)，通過對部分指標(biāo)的跟蹤監(jiān)測分析，能夠科學(xué)地指導(dǎo)風(fēng)電場油品選型，確定換油周期和設(shè)備磨損狀態(tài)的故障診斷，從而保證風(fēng)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，增加風(fēng)電場效益。

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