T/CSEE0068-2018《风力发电机组闭式齿轮箱机械化换油规程》解读

2019-02-18孙玉彬杨策徐景东

风能 2019年10期

孙玉彬杨策徐景东

随着风电的发展以及在役机组的增加，新的风电技术也不断涌现，风电机组齿轮箱换油技术即为其中之一。2014年，我国引入由美国油威公司（sage Oil Vac）研发的风电机组齿轮箱机械化换油系统（WindTurbine GearOil Exchange System）：因机械化换油具备人工换油无可比拟的优势，2016年，我国风电机组齿轮箱换油由原来的人工换油全部变更为机械化换油。事实上，早在2013年，美国、加拿大、英国、西班牙、葡萄牙、巴西以及澳大利亚等国的众多风电场业主、运维公司都已普遍采用了这种换油方式。2016年，我国商业化的机械化换油公司已有近10家。但是由于国内尚无相关标准对机械化换油进行规范，因而产生了一个突出的问题，即国内换油水平参差不齐，无法保证换油效果，给机组运行带来安全隐患。因此，起草制定一个关于风电机组齿轮箱在用油机械化换油方面的标准是当务之急。

2018年12月25日，中国电机工程学会公告发布了T/CSEE 0068-2018《风力发电机组闭式齿轮箱机械化换油规程》。该标准由中国电机工程学会提出，中国电机工程学会风力与潮汐发电专业委员会技术归口并解释，由龙源（北京）风电工程技术有限公司、龙源电力集团股份有限公司、龙源内蒙古新能源股份有限公司、北京景诚东信动力科技发展有限公司、上海电气风电集团有限公司、杭州前进齿轮箱集团股份有限公司临江分公司、太原重工股份有限公司齿轮传动分公司、上海凌胜新能源科技有限公司起草，于2019年3月1日实施。该标准的主要内容包括机械换油装置、换油前准备、换油程序、换油现场整理、换油记录与报告、换油验收等。

关于标准主要内容的解读

一、标准适用范围

该标准规定了采用机械换油装置进行换油的实施对象是风力发电机组闭式齿轮箱，包括动力传动链的增速齿轮箱、偏航减速齿轮箱和变桨减速齿轮箱。T/CSEE 0068-2018沿用了GB/T 19073m2018《风力发電机组齿轮箱设计要求》中对于齿轮箱的定义，将风力发电机组动力传动链的增速齿轮箱称为“齿轮箱”，又根据GB/Z19414-2003《工业用闭式齿轮传动装置》，将风力发电机组动力传动链的增速齿轮箱（简称为“齿轮箱”）、偏航及变桨减速齿轮箱统称为闭式齿轮箱。这意味着该标准适用于风电机组齿轮箱、偏航及变桨齿轮箱在用油的更换。

二、机械换油装置

（一）齿轮箱机械换油装置

风电机组齿轮箱机械换油装置一般由在用油排空系统、清洗油过滤系统、新油过滤系统、清洗油泵送系统等部分组成。为了保障换油工作效率，对排油系统工作时的最低流量、储油容器材质及数量做了规定和要求。为了保证换油过程安全，防止发生事故，该标准对换油过程中各个系统的管路连接密封程度、排油、注油管路的抗爆指标和抗拉伸强度等都做了技术上要求。另外，也对换油装置需要满足的各种环境作业要求做了规定。

（二）偏航、变桨齿轮箱机械换油装置

根据重庆重齿永进传动设备有限公司制定的风电偏航和变桨减速器使用维护手册（2010版）规定，偏航、变桨齿轮箱在500小时的运行磨合期后，应当进行换油，之后五年内不必换油（也可以根据油液检测结果决定是否更换）。可以预计，随着在役机组服役年限的增加，偏航、变桨齿轮箱对换油的需求将越来越强烈。每台机组有变桨齿轮箱三个，偏航齿轮箱三至四个。偏航、变桨齿轮箱人工换油非常麻烦，特别是变桨齿轮箱的换油。值得庆幸的是，国内已经研制成功了专门用于偏航、变桨齿轮箱的换油装置，并且已经投入实际应用。因此，标准对偏航、变桨齿轮箱换油装置也做了技术要求。偏航、变桨齿轮箱换油装置，也像齿轮箱机械换油装置一样，由在用油排空系统、清洗油过滤系统、新油过滤系统、清洗油泵送系统等部分组成，具备在用油排油、清洗油过滤、新油过滤、清洗油泵送、新油泵送等功能，这样就从换油装置方面保证了换油效果。

三、换油前准备工作

一般说来，原则上不建议更换齿轮油牌号。但随着技术的进步，新型的高性能齿轮油将不断出现。因此，应用新型的高性能齿轮油对旧牌号进行替换在所难免。要更换润滑油的牌号，原则上需要有齿轮箱制造厂的推荐。在没有推荐的情况下，则必须具备几个基本条件：一是新牌号的齿轮油必须符合相关的质量标准，满足风力发电机组齿轮箱的使用性能要求：二是新牌号齿轮油的各项性能原则上要高于原用齿轮油的相关性能：三是已经在同型号风力发电机组中获得应用。此外，由于在换油过程中很难保证100%清洗，这意味着极有可能残留微量的旧油，因此，在更换新牌号的齿轮油前，还要做混油相容性试验（兼容性试验），即通过试用实验，明确要应用的新牌号齿轮油与原用的旧牌号齿轮油是否兼容。如果残留的旧油与新牌号的齿轮油不兼容，旧油就有可能与新油发生化学反应，破坏新油的配伍体系，从而使新油的性能无法满足齿轮箱的使用要求。为了避免对新牌号齿轮油造成危害，需要采取必要的措施（比如在更换旧油时加入特种清洗剂）予以彻底清理。下面对混油相容性试验的内容及通过标准做必要的说明。

兼容性试验中试验项目根据风力发电机组齿轮箱对齿轮油的使用性能要求、参考国标GB/T 33540.3-2017对齿轮油的质量要求和风力发电机组齿轮箱制造商Winergy执行的混油兼容性试验方法、结合风电机组运行实践中易于出现的问题编制而成。为了避免新牌号齿轮油因与微量残留旧油不兼容而造成任何安全问题，必须采取严格的兼容性试验标准，尤其是对于易出现问题的抗泡沫性能、极压抗磨性能和抗微点蚀性能。兼容性试验方案作为一种资料性附录放在附录A中，该试验方案列出了检测项目、试验方法和通过标准。另外表A.1《两种牌号新油的兼容性试验方案》中的注1和注2分别对混油比例和部分试验项目进行了注解。在注2中规定可选做FZG抗微点蚀试验、FZG承载能力试验、FZG低速抗磨性能试验、FAG FE-8滚动轴承磨损试验四个试验项目中的至少两个。之所以选做而不是全做，主要是因为这四个试验项目试验成本高，周期长。另外值得一提的是，此兼容性试验不必每次换油时都做，只要在换油时提供已做试验的数据即可。

四、兼容性试验中的混油比例

混油比例规定为：新牌号齿轮油与原在用油的体积比为95%：5%。主要参考根据如下：

（一）美国安索公司（Amsoil）（该公司起草了采用机械换油系统风力发电机组的换油程序，这一换油程序成为美国风能协会推荐的风力发电机组齿轮箱机械系统换油程序）在其换油实践中通过以下方法对旧油残留率进行了计算：在将GE 1.5MW风力发电机组齿轮箱用油由嘉实多A320更换为Amsoil 320时，根据嘉实多A320齿轮油中含钼而Amsoil 320齿轮油中不含钼的事实，通过检测新注入齿轮箱油中钼元素的含量推算了残油的含量，结论是旧油残留率约为5%。

（二）北京景诚东信动力科技发展有限公司下属的北安市庆华风电检维修有限公司对55台GE 1.5MW机组齿轮箱用油由嘉实多A320更换为Amsoil 320时，严格按四步换油程序进行，并采集油样，检测了旧油残留率。检测结果如图2所示。

由检测结果可知，换油（更换为Amsoil新油）完成并运行24小时后钼元素平均含量为29.7ppm。

标准规定，残留由三个部分组成：残油、磨损铁屑和油泥。钼元素主要来源于残油和残存的极微量油泥。如果折合成润滑油算，则旧油残留率为29.7/599.9X100%=4.95%。

因此，以上检测结果表明，在用的嘉实多A320齿轮油严格按照换油程序被更换掉时，其残留率平均值为4.95%，接近5%。

当其他牌号的风力发电机组齿轮箱油没有钼元素以及其他便于测定的金属元素时，其残油率往往较难计算，但可以推测，严格按照换油程序换油，其他牌号的齿轮油像嘉实多A320-样，其残留率也应在5%左右（人工换油残留率为20%-25%）。因此，在混油试验中将新牌号齿轮油与原在用油的体积比设置为95%：5%是合理的。

五、兼容性试验中的试验项目

标准设置了以下几个混油试验项目应该考虑的方面：（1）外观储存：（2）运动粘度及粘度指数;（3）泡沫特性;（4）抗微点蚀性能：（5）胶合负载能力（承载能力）;（6）低速抗磨性能;（7）滚动轴承磨损试验。考虑这些方面的主要目的是：

（一）满足风力发电机组齿轮箱专用齿轮油质量标准

国标GB/T 33540.3-2017《风力发电机组专用润滑剂第3部分：变速箱齿轮油》对各种必要性能的质量标准都做了明确规定。

（二）保障风力发电机组齿轮箱安全运行

风力发电机组运行实践表明，齿轮箱用齿轮油的抗泡沫性能、抗微点蚀性能及极压抗磨性能是保障风力发电机组齿轮箱安全运行的重要性能，也是风电机组运行实践中最容易出问题的性能。一旦出现问题，就容易发生严重磨损，导致部件失效，进而造成齿轮箱不能正常工作。

（三）避免旧油残留对新牌号润滑油产生不利影响

如果两种各自具有一定配伍体系的润滑油不兼容，那么这两种润滑油的添加剂成分有可能发生化学反应或者摩擦化学反应，相互破坏润滑油的配伍体系，从而对抗泡沫性能、极压抗磨性能及抗微点蚀性能都产生不利的影响。

六、兼容性试验中试验项目的通过标准

这些通过标准一部分是参考了GB/T 33540.3-2017的规定，如FZG承载能力试验、FAG FE-8滚动轴承磨损试验等。至于FZG抗微点蚀试验采用的是DGMK FZG微点蚀简易试验程序（GFKT-C/8.3/90）（DGMK是Deutsche Gesellschaft farMineralolwissenschaft und Kohlechemie的縮写，其对应英文是German Societyof Mineralogy and Coal Chemistry）。这个简易程序是与FVA FZG微点蚀试验程序FVA 54I-IV相一致的。该程序把润滑油按承载能力分为高、中、低三个级别，分别表示为GFKT-High、GFKT-Medium、GFKT-Low。此外，FZG低速抗磨性能试验没有相应的国标：Flender泡沫试验采用的是FZG试验系列方法中的FZG C/0.05/90：120/12标准，参考并采用了相比国标更为严格的风力发电机组齿轮箱制造商Winergy关于齿轮箱用油标准（Wind Turbine Main Gearbox-OilQualification Standard）中有关兼容性试验的Flender泡沫试验标准。

七、换油程序

对换油程序提出严格要求，从程序上保证风力发电机组齿轮箱和变桨、偏航齿轮箱的换油效果。

（一）齿轮箱换油程序

根据美国风能协会（AWEA）推荐的风力发电机组齿轮箱换油程序，并结合国内的换油实践经验，规定了排空旧油、清洗和注入新油三个阶段的程序，并分别对三个阶段程序做了具体的要求。在此基础上，规定了设置重复清洗程序的条件。也就是说，一般情况下需要采取三步换油程序，但在一定条件，需要设置重复清洗程序，即执行四步换油程序。需要设置重复清洗程序的条件如下：

（1）更换齿轮油牌号：

（2）在用油使用时间超过5年以上：

（3）在用油使用年限虽未超过5年，但经检测表明在用油相关指标不合格需要更换的：

（4）其他必要的情况。

上面所列情况，意味着在绝大多数情况下都应该设置重复清洗程序，执行四步换油程序。

美国风能协会（AWEA）推荐的风力发电机组齿轮箱四步换油程序中的冲洗与清洗，在实际操作中是相同的，也就是说，冲洗与清洗是两个重复的步骤。事实上，在换油实践中，无法对整个齿轮箱内部的所有部位真正做到高压冲洗，实际能做到的就是高压注入清洗油后，使齿轮箱空载运转以达到清洗的目的。

（二）偏航、变桨齿轮箱换油程序

标准规定了偏航、变桨减速齿轮箱一般的换油程序，即排空在用油、清洗齿轮箱、加注新油的三步换油程序。并规定在以下情况下，应设置重复清洗程序：

（1）更换齿轮油牌号：

（2）在用油使用时间超过5年以上：

（3）其他必要的情况。

由于偏航、变桨齿轮箱在用油使用时间通常都超过了5年，因此，大多数情况下也就采用四步换油程序，即需要设置重复清洗程序。

八、换油现场整理

风电场运行实践证明，如果对换油现场不进行彻底整理，就会造成安全隐患。因此，必须在换油后，进行现场整理（比如将所涉及的齿轮箱端盖盖好拧紧，保证不漏油、不透气;清理干净工作台面上所有油污和所产生的垃圾），杜绝安全隐患。为此，标准对换油商就换油完毕的换油现场提出了整理要求，以保证风力发电机组的运行安全。

九、换油报告与记录

本章对换油商换油完毕需要出具的换油报告做了形式和内容上的要求，目的是借此证明实际换油操作与标准要求的换油程序的一致性及换油效果与标准的符合性，从而保证换油效果，保障风力发电机组齿轮箱的安全运行。

十、换油验收标准

标准从技术角度，规定了换油后验收的技术标准，也就是换油后连续运行24小时的在用油必须达到的性能指标。

（一）齿轮箱换油标准要求

1.新油清洁度

根据GB/T 19073或IEC 61400-4的规定，新油ISO 4406等级的清洁度要达到/14/11的要求，如表1所示。

2.换油后连续运行24小时在用油要求

换油完成后，在连续运行24小时风力发电机组齿轮箱中采集的新油样，其清洁度、水分含量、酸值、元素含量和PQ指数等指标应满足如表2所示的标准。

表2中，清洁度等级-/17/14是根據GB/T 19073关于连续运行时齿轮箱稳定的清洁度等级不低于-/17/14的规定而设定的。

关于铁元素含量和PQ指数的验收标准是根据当严格按照换油程序换油时所更换的在用油的实际测定结果而设定的。需要说明的是，铁元素含量是采用ICP、按照ASTM D5185的方法测定的，而PQ指数则是采用英国Kittiwake公司产的FG-K15001-KW型铁量仪并按该仪器说明书推荐的测定方法测得的。若采用其他型号的铁量仪测定，可与该铁量仪进行比对确定。换油实践表明，只要严格按照换油程序进行，换油后连续运行24小时后在用油的质量指标不难满足表2所列的指标要求。

（二）偏航、变桨齿轮箱换油标准要求

1.新油清洁度

根据GB/T 19073的规定，新油ISO 4406-99清洁度要达到-/17/14的要求，如表3所示。

2.换油后24小时在用油要求

换油完成后，在运行24小时风力发电机组齿轮箱中采集的新油样，其清洁度、水分含量、酸值、元素含量和PO指数等指标应满足如表4所示的标准。

表4中清洁度等级-/18/15是根据实际换油后测定的结果设定的。只要严格按照程序进行，满足这个要求是不难的。

需要说明的是，PQ指数是采用英国KiRiwake公司产的FG-K15001-KW型铁量仪并按该仪器说明书推荐的测定方法测得。若采用其他型号的铁量仪测定，可与该铁量仪进行比对确定。标准发布与实施的重要作用与实用价值

中国电机工程学会2018年12月25日发布的团体标准T/CSEE 0068-2018《风力发电机组闭式齿轮箱机械化换油规程》改变了我国没有相关技术标准的现状，其重要作用和实用价值主要体现在以下方面：

（1）该标准规定了换油过程的换油程序，从技术上保证了旧油残留量被最大限度地减少以及旧油被彻底排除，避免了换油过程中新油造成二次污染的可能，保障了换油效果。

（2）该标准对换油过程进行了规范，消除了因换油不规范所造成的安全隐患。

（3）该标准规定了换油后的验收标准，为换油服务商与业主达成一致的验收意见提供依据，保障了换油效果与机组运行的可靠性。

结语