矿物油组分生产风电齿轮油的可行性分析

2018-10-19张美琼柯友胜张霞玲王凯明王燕

润滑油 2018年5期

张美琼，柯友胜，张霞玲，王凯明，王燕

(中国石油克拉玛依石化有限责任公司炼油化工研究院，新疆克拉玛依 834000)

0 引言

21世纪是可再生能源的世纪，在常规能源紧张和生态环境遭受污染的今天，风力发电作为一种清洁的可再生能源的发电方式，已越来越受到世界各国人民的欢迎和重视。同时，风力发电技术相对较为成熟，使风能在众多可再生能源中最具大规模发电前景，是近期内最有开发利用价值的可再生能源。

风力发电机的工作原理为：空气流动的动能作用在叶轮上，将动能转换成机械能，推动叶轮旋转，叶轮的转轴与发电机的转轴通过变速箱相连，从而带动发电机发电。风力发电机主要的润滑部位包括齿轮箱、发电机轴承、偏航系统轴承与齿轮、液压刹车系统和主轴承。齿轮箱可以将很低的风轮转速(600 kW的风力发电机通常为27 r/min)变为很高的发电机转速(通常为1500 r/min)，它是风力发电机的主要润滑部位，用油量占风力发电机用油量的3/4左右。目前国内对风力发电机组齿轮油(简称风电齿轮油)的年需求量约为1500 t左右，到2020年，国内风电机组装机容量将达到3×107kW，齿轮油的年需求量将达到6000 t左右[1]。

目前，市场上风力发电机齿轮油大多为合成油，但合成油价格昂贵，如果能研制出矿物型产品替代合成油，在经济成本方面，对风电设备用户来说无疑是一大喜事，同时也拓宽了炼油行业的产品范围。不过，在研制产品前，非常有必要对风电齿轮油行业中应用矿物油的可行性进行分析。

1 风电齿轮油行业中合成油和矿物油的比较

1.1 合成油的优点

风电设备运行具有与其他设备运行不同的特点[2]：首先，风力发电场主要集中在风能资源丰富的偏远地区，如山谷旷野、近海地区等，这些地区的自然环境较为恶劣，昼夜温差大，位于沿海或海上的风电机组还受潮湿、海水腐蚀等环境因素的影响；其次，风电齿轮箱运行特点是低转速、高扭矩，且负载不稳定；还有，风力发电机设备造价昂贵，且大型风力发电机的塔筒高度通常在50～100 m，设备较高，现场不便对主要部件进行拆卸维修，因此设计时对齿轮箱使用寿命、承受负荷等提出较高的要求，相应地，对其所用的齿轮油要求较高。基于风电机组设备的运行特点，对担负润滑作用的风电齿轮油具有如下严格要求：应具有极好的极压抗磨性能、冷却性能和清洗性能，还应具有良好的热氧化安定性、水解安定性、抗乳化性能、黏温性能、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[3]。因为这些严格要求，风电齿轮油大多选择合成型油品。

合成油的优点有：黏度指数更高，受温度变化的影响小；低温性能和润滑性能更好，耐高温和抗氧化的能力更好，抵抗环境变化的能力更佳；牵引系数更低，更容易被泵送到轴承或齿轮内的接触区，降低了在启动时润滑油不到位的风险。

风电机组在极高温、极低温、超重负荷等严苛工况以及有基他特殊要求的工况时，合成油可以为齿轮提供最优的保护。从基础油类型看，各大公司推出的合成型工业齿轮油以聚α-烯烃(PAO)、合成酯(POE)、聚醚(PAG)等三大合成基础油的使用最为广泛。

1.2 矿物油的机遇

当然合成油也有一些劣势，其中最主要的就是相比矿物油而言较高的价格以及可能存在的密封材料兼容性问题，这让很多人一直在犹豫是否该选择合成油。同时，有些用户机型和使用地区环境温度对产品要求不是很苛刻，可以使用矿物油或半合成油来替代合成油，这就在风电齿轮油领域给半合成油甚至矿物油带来了良好的契机。

2 市场上风电齿轮油的产品类型

通过资料调研发现，中国石油“昆仑牌”和中国石化“长城牌”的风电齿轮油均有合成型产品、合成油和矿物油调合而成的半合成型产品以及矿物型产品，但未见文献资料报道矿物型产品的具体应用情况。

2.1 中国石油“昆仑牌”

昆仑风电设备专用齿轮油根据用户机型、使用地区环境温度及风电厂经济状况，开发出了FD1000矿物油型齿轮油系列、FD2000半合成型齿轮油系列和FD3000合成型齿轮油系列。其中FD2000是一款具有突出性价比优势的产品，与市场上最具代表性的某国外产品按照重负荷工业齿轮油的要求进行了主要性能的分析评定，结果[1]如表1所示。

表1 半合成型风电设备用齿轮油主要性能分析

由表1中的主要性质分析数据可以看出，FD2000高性能风电专用齿轮油在黏度指数、低温性能和抗磨性能上均要优于国外同类产品的性质；而且风电主齿轮箱的台架试验结果表明FD2000具有优良的各项性能，且低温性能远远优于国外产品[4]，这说明矿物油组分跟合成油调合可以研制出性能优异的半合成型风力发电机齿轮油。

2.2 中国石化“长城牌”

近年来，中国石化润滑油公司研发生产出的适合风电行业使用的润滑油产品，分为矿物型、低温型及全合成型三大系列，按40 ℃运动黏度可分为150、220、320、460等牌号，可满足中国不同地域、不同环境温度的使用要求，具有抗微点蚀特性，适用于风力发电机组增速箱齿轮、偏航齿轮、变桨齿轮等的润滑需求。

中国石化的“长城牌”SH5000系列齿轮油均为合成型，其典型数据如表2所示。

表2 SH5000系列合成烃重负荷工业齿轮油典型数据

2.3 国外品牌

国外品牌，如美国美孚和德国科宁等均为合成润滑油系列。

从资料调研可以看出，市场上风力发电机齿轮油大多为合成型，纯矿物油或半合成型产品作为该行业的新生力量已经出现，但未见文献报道其具体的应用案例，它们的研制、推广和应用等均需投入大量的人力和功夫。

3 矿物油组分生产风电齿轮油的技术性分析

3.1 确定风电齿轮油的质量指标

根据资料调研，风力发电齿轮油比较常见的黏度级别是ISO 220和ISO 320，其中发电机制造商指定的齿轮油黏度等级最常见的是ISO 320。目前，国内外尚无统一的风电行业润滑剂标准，依据文献资料中的国内外产品性质水平，本文制定了产品质量指标，如表3所示。

表3 风电齿轮油主要质量指标和试验方法

从表3可以看出，风电专用齿轮油对黏度指数、低温性能和抗磨性能有较高的要求，最关键的性能是齿轮油的抗微点蚀性能，要求通过FZG试验机的苛刻测试，一般要求抗微点蚀能力FZG大于10级，抗刮伤负载能力FZG大于14级。根据资料调研，抗微点蚀能力可通过添加具有抗微点蚀性能的极压抗磨剂得到提高。

3.2 实验室研制工作

实验室筛选两种或两种以上的矿物油组分进行调合，调合基础油的黏度指数、倾点、闪点等基础性质满足表3的要求，对添加剂进行筛选、评定，可以研制出满足表3质量指标要求的风力发电机齿轮油，整个研制过程中的技术难点归纳总结如下。

3.3 技术难点分析

3.3.1 市场调研工作

风力发电机齿轮油根据使用环境的不同，对产品的性能要求差别很大。因此，在研制产品前，需进行市场调研工作，全面了解不同用户机型、不同环境温度下对产品的要求，并尽可能地对用户的在用油进行实验室剖析，为研制矿物型产品提供参考依据。

文献资料调研发现，中国石油兰州润滑油研究开发中心和中国石化润滑油公司均研究开发出了矿物型齿轮油产品，但仅采用资料调研方式未能查找到纯矿物型产品的性质数据和用户正式使用案例。因此，需进行市场调研，掌握纯矿物型产品的应用范围、正式使用案例和用户的评价反馈，以及了解用户对矿物型产品的需求和期盼度。

市场调研工作需在用户的全程配合下才能顺利进行，这需要科研人员具有有效沟通的交流技能，这项技能的不足以及其他因素的综合影响，使得市场调研成为研制矿物型风电齿轮油工作中的难点之一。

3.3.2 改善抗微点蚀性能

微点蚀是细微的滚动接触疲劳和磨损，它经常发生在磨削、硬质钢的表面硬化齿轮齿面上，通常在滚动和滑动接触、油膜较薄的条件下出现，虽然微点蚀不是一个新的现象，但是多年以来人们一直只将肉眼可见的宏观点蚀作为齿轮失效的主要原因，而对微点蚀的危害缺乏足够的认识，而实际上微点蚀的危害很大。越来越多的齿轮生产厂家，在其研制的设备上要求使用抗微点蚀的工业齿轮油[5-6]。

抗微点蚀性能是风电专用齿轮油最关键的性能，此项性能通过FZG试验机的苛刻测试来进行评价表征，一般要求FZG抗微点蚀能力大于10级。

影响齿轮抗点蚀或抗微点蚀的主要润滑油指标是摩擦系数。当摩擦系数减少一半，其抗微点蚀负荷能力增加1.7倍。相对合成油而言，矿物油因具有较高的摩擦系数，而具有较差的抗微点蚀性能[6]，这是矿物油的劣势。

不过，矿物油的抗微点蚀能力可通过添加具有抗微点蚀性能的极压抗磨剂或抗微点蚀添加剂得到提高。中国石油兰州润滑油研究开发中心在发明矿物型和半合成型抗微点蚀齿轮油时，就采用了二烷基二硫代磷酸酯，或烷基磷酸酯胺盐，或间二磷酸酯，或它们任意组合的混合物作为抗微点蚀添加剂[6]，研制出了抗微点蚀性能满足要求的产品。

在实验室研制过程中，为了筛选出使用性能好的抗微点蚀添加剂，需对现有的抗微点蚀添加剂的种类和性能进行大量市场调研，并进行实验室的评选工作，此项工作量较大，是研制矿物型风电齿轮油工作中的难点之二。