基于油品监测的风电场润滑管理分析

2013-12-18王一刚曲曙光郑新庆

风能 2013年3期

王一刚，曲曙光，郑新庆

（华电福新能源股份有限公司甘肃分公司，兰州 730010）

0 引言

近年来，我国风电装机容量不断增加，陆上单机容量已达到3MW，截至2011年9月底，甘肃风电装机容量5.5GW，占全国总装机容量的20%，位列全国第三。2020年左右，中国将成为世界上最大的风电市场和风能设备制造中心，我国风电在2020年之后将成为第三大主力发电电源[1]。风电场一般地处戈壁荒滩、干旱、高寒地区，针对齿轮箱等风电机组的大型部件现场不便进行拆卸维修，要求风电机组具有长周期运转和极高的可靠性，在役风电机组的维护保养问题日益突出，后期维护费用已占到风电场运营成本的主要部分。如何降低风电机组维护费用，提高设备可利用率，已成为风电机组制造商和风电场业主迫切需要解决的问题。风电场用油主要有风电机组用润滑油脂、液压油，主变压器和箱变用绝缘油等。

风电机组的齿轮箱运行工况处于高温、交变重载荷冲击状态下，对齿轮箱润滑油各项性能指标如含水量、总酸值、泡沫性等提出很高要求。典型齿轮箱故障主要有：齿轮断齿、点蚀、轴弯曲、齿面胶合、轴承损坏、箱体及齿面裂纹等。根据国内外多年来对齿轮箱故障的统计分析发现，润滑油质变劣是造成齿轮箱各种故障的主要原因。通过对润滑油的定期检测，并对检测数据进行分析，可得出结论：提高风电机组润滑油脂监测水平，加强视情维护，能够确保风电机组安全、可靠运行，提高设备可利用率[2-3]。

1 风电机组润滑部件及对油脂特性要求

目前，主流风电机组按结构分为双馈感应风电机组和直驱式风电机组两种，文中所指装有增速齿轮箱的双馈风电机组，其主要润滑部件有：增速齿轮箱，偏航系统与减速箱，变桨系统与减速箱，发电机轴承，液压制动系统，主轴承等[4]。

1.1 齿轮箱的润滑特性

齿轮箱是风电机组的主要润滑部位，用油量占机组全部用油量的3/4左右。齿轮箱可以将很低的风轮转速（1500kW的风电机组通常为25r/min）变为很高的发电机转速（通常1700r/min），南高齿和重齿等厂家的齿轮箱多采用压力强制循环润滑。考虑到风电机组多安装在我国的新疆、内蒙古、甘肃及沿海等地区，润滑油受气候温差、湿度等影响较大，并且处于相对偏远的地区，维修不便，且双馈风电机组遭受低电压穿越时对齿轮箱的冲击力较大[5]，因此，设计要求齿轮箱使用寿命长、承受负荷大等，所用的齿轮油除了具有良好的极压抗磨性能、冷却性能和清洗性能外，还应具有良好的热氧化稳定性、水解安定性、抗乳化性能、粘温性能、低温性能以及长的使用寿命，同时还应具有较低的摩擦系数以降低齿轮传动中的功率损耗。经过对已运行风电机组齿轮箱故障的统计发现，造成齿轮和轴承失效的原因主要有：安装方面占16%，污染方面占16%，润滑方面占34%，材料疲劳方面占34%。

1.2 发电机轴承及主轴的润滑特性

轴承是发电机的主要润滑点，长期运转温度可达80℃以上，夏天机舱在戈壁滩受太阳直射，温度会更高。因此，要求发电机轴承润滑脂能够在高温下保持良好的润滑而不流失，同时能够减少摩擦阻力，降低轴承运转温度。冬季在高纬度、高海拔地区机舱内温度可低至－30℃，且发电机功率较大，使用的润滑脂需考虑低温启动性能，具有良好的抗磨极压性能、抗氧化性能和防锈性能、粘附性好，使用温度范围为－30℃～150℃。由于发电机轴承加注润滑脂较困难，多使用合成型润滑脂来保证发电机的正常运转。

风电机组主轴承承受的负荷较大，转速相对较慢，要求润滑脂具有良好的承载能力、粘度性能和良好的低温性能。根据前后轴承结构布置上的差异，可分为用润滑油润滑和用润滑脂润滑。

1.3 偏航、变桨系统的润滑特性

偏航系统主要作用是使风轮扫掠面积垂直于主风向，虽然速度不高，但偏转轴承和齿轮承受的负荷较大，而且偏航齿轮一般为开式结构，由于不像发电机轴承运转速度快，自身产生热量相对少，偏转轴承所使用的润滑脂要求具有较高极压抗磨性能、低温性能、热安定性及胶体安定性；偏航齿圈一般为开放式回转体大齿轮，润滑脂则还需要有好的粘附性能和防腐蚀性能。一般使用含固体添加剂的低温润滑脂，要求在－40℃以下仍能有效润滑。偏航系统减速器具有间歇性工作的特点，启停频繁，传递扭矩较大，传动比高，电动机通过大速比的行星齿轮减速器驱动机舱转向。一般推荐粘温性能好、抗腐防锈性能好、极压抗磨性能和抗氧化性能好的齿轮油。

变桨系统的减速器和变桨轴承所使用的润滑油脂特性包括油品选型与偏航系统基本一致。

1.4 液压制动系统的润滑特性

兆瓦级风电机组的刹车方式主要有气动刹车和齿轮箱高速轴机械盘刹车系统，属于失效—安全保护模式。当风电机组发生机舱振动过大，风电机组转速过高等故障时，通过液动制动装置的动作来实现紧急停机。液压制动系统在保证机组正常安全运行、防止事故发生、对风电机组启停机控制起着重要作用。

风电机组液压制动系统使用全寿命润滑油，要求具有良好的粘温性能、防腐防锈性能及优异的低温性能，以适应北方寒冷的气候或者南方潮湿、盐雾环境。推荐使用粘度指数高、抗磨性能好、抗腐蚀、抗氧化性能好、空气释放性、分水性能以及低温性能优异的液压油。国内普通的HM抗磨液压油低温性能、粘度指数等指标不能满足使用要求，应该采用加氢基础油或者以精制矿油加PAO等合成油为基础油的低凝抗磨液压油。

2 油品监测技术在风电场运维中的作用

2.1 油品检测技术的技术内容

通过对风电机组润滑油脂的油质状况、污染杂质颗粒和磨损金属颗粒等项目的检测分析，来获取有关润滑油脂与设备磨损状态的信息，诊断设备磨损故障的类型、部位和原因。其主要内容包括：新油质量控制，设备用油选型的优化，设备换油周期的优化，设备的润滑与磨损状态监测，设备异常磨损的故障分析。目前，依据监测原理和分析目的的不同，常用的油品监测技术主要有理化分析、光谱分析、铁谱分析、红外分析和污染分析等[6-8]。综合运用以上监测手段对风电机组润滑油脂进行定性和定量分析，能有效诊断设备主要摩擦部的磨损失效状态及原因，找出故障源，指导风电场检修人员及时采取相应维护措施，避免设备故障继续扩大而造成不必要的损失。表1为齿轮箱的润滑磨损状态评价监测方案。

表1 齿轮箱的润滑磨损状态评价监测方案

2.2 风电场润滑油脂的选型优化

一般情况下，风电机组齿轮箱润滑油的使用寿命为三年左右，之后就需更换新油。由于风电场业主从运营成本和维护工作量等方面考虑，有可能不使用风电机组制造商推荐的润滑油，所以在风电场的油品监测体系中，润滑油脂的选型就占有相当重要的位置。油品选型应当充分考虑机组结构，以往运行情况、载荷及温度等多方面因素。切实制订合理科学化的新油选型方案对风电场润滑管理体系至关重要。油品监测工作要有专人负责，针对风电机组部分润滑部件确定对应的监测周期与指标方案，同时要重视取样方法与取样工具的选择。

2.3 设备润滑磨损状态的常态化监测

保证在用润滑油脂的清洁，若混入灰尘等固体颗粒物，都会对系统中的齿轮表面、液压泵阀、轴承等产生极大的擦伤磨损，缩短抗疲劳使用寿命。建立油品定期监测制度和每台风电机组的润滑油脂监测档案，及时了解机组的润滑与磨损状态，指导机组的润滑管理与状态维护。通过对每台风电机组各部件油脂相关理化指标的定期跟踪监测，及时发现在用油的劣化程度及污染原因，进行趋势分析，评估设备的润滑磨损状态，指导风电场开展合理的润滑方式与换油周期。依据相关国内外标准来看，润滑油脂的检测指标有数十项之多，经过大量的监测数据积累及分析，综合考虑监测成本和时间等因素，优先选择科学合理的检测项目，达到最有效的检测目的，既能实现设备的润滑磨损状态监测，又能为风电场节约检测费用。表2为风电场设备用油定期监测项目[9-10]。

3 油品检测指标分析

现以甘肃河西地区某高原风电场双馈风电机组为例，来说明油品监测技术在实际中的应运效果。风电场油品检测部门自2010年建立机组的齿轮箱润滑油监测体系，每半年定期检测1次，在2012年6月份的定期检测中发现3512线路16#风电机组增速齿轮箱所使用的Mobil SHC XMP 320润滑油中存在较多铜颗粒物。表3为理化指标检测结果，表4为元素分析检测结果。

由表3检测结果可知，润滑油理化指标合格，未见异常。通过对表4元素光谱分析可得出如下结论，由于风电场地处高原，每年沙尘天气较多，导致润滑油SiO2粉尘污染严重，污染物Si元素含量较高，造成润滑效果不佳，产生异常磨损和金属颗粒物切削。由表中检测结果还可知齿轮箱中铜质部件磨损较大。需要检修维护人员定期监测相关部件的磨损状况，定期清洗润滑过滤系统，更换滤芯，改善齿轮箱密封和冷却系统。

表2 风电场设备用油定期监测项目

表3 润滑油理化指标检测结果

表4 润滑油元素分析检测结果

4 结语

(1) 风电装机规模和数量日益扩大，如何提高设备可利用率，延长机组使用寿命已成为衡量风电场度电成本的关键问题。通过制订油品定期监测制度，建立风电机组油品监测档案，可有效避免临时性维护，预测润滑部件潜在性故障，节约油品消耗成本，减少备品库存。

(2) 目前，国家还未正式出台与风电机组用润滑油脂相关的国家标准，油品检测机构大多按照石油行业标准来开展检测业务，建立风电场油品监测管理体系之后，可以预测设备故障隐患，指导视情维护，通过对部分指标的跟踪监测分析，能够科学地指导风电场油品选型，确定换油周期和设备磨损状态的故障诊断，从而保证风电机组安全稳定运行，增加风电场效益。