风电设备主齿轮箱润滑油指标分析，风电齿轮箱

摘要：本文介绍了目前风力发电的现状，结合兆瓦级齿轮箱润滑技术特点，分析了油品指标变化对风力发电设备主齿轮箱的影响，分析在用油品指标变化为风机齿轮箱维保提供参考，掌握油品变化趋势对于保证风机正常运行、降低风机维护成本等具有重要意义。

关键词：风力发电机组；主齿箱；润滑油指标

引言

风能作为一种清洁可再生能源用于发电，是继火电、水电后又一发电模式。随着近年来中国经济的不断增长，中国环保政策日益完善，风电行业不断发展。截至2020年末全国发电装机容量220058万千瓦，比上年末增长9.5%。国家统计局2月28日发布了中华人民共和国2020年国民经济和社会发展统计公报，公报中显示，2020年末全国发电装机容量220058万千瓦，比上年末增长9.5%。其中，火电装机容量124517万千瓦，增长4.7%；水电装机容量37016万千瓦，增长3.4%；核电装机容量4989万千瓦，增长2.4%；并网风电装机容量28153万千瓦，增长34.6%；并网太阳能发电装机容量25343万千瓦，增长24.1%。

截至2021年12月底，全国发电装机容量约23.8亿千瓦，同比增长7.9%。其中，风电装机容量约3.3亿千瓦，同比增长16.6%；太阳能发电装机容量约3.1亿千瓦，同比增长20.9%。2021年，我国风电和光伏发电新增装机规模达到1.01亿千瓦，其中风电新增4757万千瓦，光伏发电新增5297万千瓦。

风电新能源的发展，让风机制造行业蓬勃发展。在实际应用过程中，风能具有无规律性、变相、变负荷等特点。随着相关技术的发展，风电齿轮箱其容量已经达到兆瓦级，兆瓦级增速齿轮箱对齿轮传动提出了新的要求，在尺寸、重量最小的情况下，可靠地传递高速、重载的运动。这对于齿轮箱的可靠性、使用寿命及质量水平都提出了更高的要求，也对齿轮箱润滑提出了更为严苛的性能要求。对风电油品技术指标变化的解读，可以让我们更加清楚地了解油品的性能变化情况，掌握油品的性能变化趋势，提前预知油品技术指标发展趋势，在风电设备大型化的发展前提下降低运维成本。

1. 兆瓦级风电齿轮箱特点

在风能到电能的转化过程中，齿轮箱是风电机组中最为重要的组成部分。在实际应用的过程中，风力发电机组通常安装在高山、荒野、海滩、海岛等野外的风口处，经常承受无规律的变相变负荷的风力作用以及强阵风的冲击，并且常年经受酷暑严寒极端温差的作用，对于齿轮箱的可靠性、使用寿命及质量水平都提出了更高的要求。分析兆瓦级齿轮箱相比传统工业齿轮箱有以下特点。

(1)兆瓦级风机齿轮箱在传递功率更高，在齿轮箱尺寸、重量最小的设计准则下，齿轮传动的齿面间载荷增大，所使用的润滑油应具有合适的粘度及优异的低温流动性。高粘度的润滑油易于形成动压油膜，油膜较厚，能承受较大负荷，防止磨损，但粘度太大，流体内摩擦太大，会造成摩擦热增大，摩擦面温度升高，且低温不易流动，不利于低温冷启。低温时，若粘度太低，则油膜太薄，承载负荷能力太小，容易造成磨损。

(2)风机在极端温度条件下启动，或高速重载运转时，应保证润滑油具有良好的极压抗磨性。兆瓦级风机低温启动条件温度约为-30℃，在无加热条件下齿轮传动可能会处于边界润滑状态，润滑油粘度作用不大，主要靠边界膜强度支撑载荷，因此要求润滑油在载荷较大的工作期间应具有良好的极压性，以保证在边界润滑状态下，具有良好的润滑作用。

(3)兆瓦级风机齿轮箱质保时间长，远离地面难以维修，需润滑油良好的氧化稳定性及蒸发损失小。风机出厂质保一般在5年左右，兆瓦级风机为了捕捉更优质的风能，风机高度约为70~100m，润滑油量300~800L，润滑油更换比较困难。润滑油需要不氧化、不变黏、不变质，从而实现油品的长期质保。

2. 风电油品指标的解读

2.1 外观 | 外观是直观表征润滑油状态的一个指标，使用后的风机主齿轮箱齿轮油受外来污染物(如水分、沙尘等)、异常工况等条件下，齿轮油可能会出现明显的油泥、颗粒、浑浊等现象，该现象均为异常现象，应考虑换油，并排查原因。

2.2 运动黏度 | 运动黏度是衡量油品油膜强度、流动性的重要指标，使用适当黏度的风力发电机组齿轮箱润滑油是保证正常润滑的重要因素，风力发电机组主齿轮箱油在使用过程中，由于油品自身为复杂的化学混合物且体系时刻处于变化状态，因此油品运动黏度出现小范围波动是正常而且不可避免的情况。值得注意的是，油品由于自身因老化变质产生油泥或酸性氧化物质，或受外界环境因素影响，会导致运动黏度的大幅增加；而油品自身受到剪切作用，(热)稳定性下降或混入其他轻质液体则会导致其运动黏度明显降低。当运动黏度增幅太大时，一方面油品油泥增多，流动性变差，无法及时润滑齿轮表面，另一方面黏度的增大可能导致油品散热效果减弱，不能带走齿箱内多余的热量，给设备运行带来不良影响。反之，当运动黏度降幅过大时，易导致油品油膜强度降低，不能有效防止接触面间的磨损。因此，油品运动黏度增幅和降幅过大都会威胁风机主齿轮箱的正常工作。

2.3 水分 | 水的存在会使油品添加剂分解，失去原有的功效，也会使油品乳化变质，严重影响润滑油膜的形成，造成齿面擦伤和磨损。理论上，用于风机主齿轮箱的油品不含或有及其微量的水分(≤300mg/kg)，这些微量的水分不会影响风机齿轮箱的正常使用。随着风机主齿轮箱中水分含量的增加，可能导致的后果有以下几种：第一导致油品乳化和金属锈蚀加剧；第二因部分极压剂水解导致油品的极压性能迅速下降；第三油品中水分不能及时排出导致齿面及轴承表面的润滑不良。这几种后果最终使设备齿面出现磨损，影响设备正常运行。在风力发电机组实际运行过程中，出现过由于齿轮箱进水，破坏油品性能危害齿轮箱正常运行的案例。因此对于水分的监测应予以重视。

对行业内主要设备制造商、主要运营风场进行的调研结果显示，区别于普通工业齿轮箱，风力发电机组主齿轮箱对密封性要求较高，正常工作情况下润滑油并无与大量水分接触的情况。IEC61400-4建议油中水分含量不超过600ppm，GB/T260“石油产品水含量的测定蒸馏法”已广泛应用于风电齿轮油在用油监测中。该方法可有效反映出油品中的水分含量，并且在多年在风电行业应用多年，无使用该方法检测造成数据异常的情况反馈。GB/T11133“石油产品、润滑油和添加剂中水含量的测定卡尔费休库仑滴定法”具有测试时间较短，用油量少的优点，因此该方法在目前的风电齿轮油监测中也有应用。然而采用该方法测定水含量时，许多物质和混合物因发生缩合或氧化还原反应干扰测定，如风电齿轮油中的常见物质硫醇和硫化物(详情参考GB/T11133石油产品、润滑油和添加剂中水含量的测定卡尔费休库仑滴定法)，因此在使用该方法进行测定时需引起注意。

2.4 磨损元素含量 | 若油液中出现磨损元素的异常增加，可反映出齿轮异常磨损状态，恶劣的工况和磨损会促进润滑油的劣化，影响油品使用寿命。油液的变质促进摩擦表面间的磨损状态恶劣，而磨损的加剧更促进油液的进一步劣化，因此油品与设备相互作用，互为关联。在风力发电机组实际运行过程中，可以通过测试齿轮油中的磨损元素的含量了解设备的磨损情况。风力发电设备主齿轮箱的材质主要成分为铁、铜元素，因此对这些金属元素的监测，可以有效反映设备的磨损情况。

(1)铁元素。铁元素是摩擦副材质的最主要元素，在风机实际运行过程中，铁元素的含量也是判断齿轮箱内部磨损情况的典型代表。根据运维过程中现场情况反应，油品中铁含量超过150ppm后，齿轮箱均明显可见磨损现象，油品性能及外观均受到影响。根据运维过程中现场情况反映，在包含在用油和报废油样本中，存在铁含量超过150ppm的油样，与实际情况相结合。

(2)铜元素。铜元素是摩擦副材质的重要元素，在风机实际运行过程中，铜元素的含量可以作为判断齿轮箱内部磨损情况的主要代表。IEC61400-4《Wind turbines–Part4:Design requirements for wind turbine gearboxes》中附录E中“油品中Cu元素含量不得超过50ppm”。根据运维过程中现场情况反映，油品中铜含量超过50ppm后，齿轮箱含铜摩擦副如轴承保持架明显可见磨损现象，此外油品性能及外观均受到影响。在包含在用油和报废油样本中，检测数据铜磨损量均满足IEC61400-4中50ppm的限值。

3. 结语 | 本文首先对风力发电设备主齿轮箱润滑的技术特点进行分析，结合主齿轮箱的润滑技术特点，将风电油品的主要技术指标逐一进行解释、分析，并对指标异常变化时油品指标变化机理进行论述，对今后风电齿轮箱油品检测、风场风机的运维保养有一定指导作用。