风电机组齿轮箱润滑油的精过滤技术

张文，陈雷，李蛟，叶毓苍

（1.鲁能新能源（集团）有限公司，北京 100020；2.中电智为（北京）科技有限公司，北京 102600）

在风电机组的发展过程中，跟其他显性缺陷（油温高、低；漏油等）相比，齿轮箱油的清洁度是“有力的隐形杀手”。直到研究机构或生产厂商经长时间的跟踪研究、统计，才指出齿轮箱齿轮、轴承的故障率有70%～80%来源于齿轮箱油液的清洁度低下。齿轮箱在长时间的复杂工况下运行，齿面、轴承等发生了点蚀、疲劳剥落、磨损等，产生了金属微颗粒，融入到齿轮箱油液中。在齿轮箱油液的粘度、压力、流动的作用下，不能让金属微颗粒短时间沉淀到油箱底部，而是随着油流，无数次地循环，以磨损齿轮、轴承工作面，形成油液、部件间的恶性循环，扩大、加剧齿轮、轴承的损坏速度、油液的劣化速度，缩短二者的使用寿命，二者形成“一损俱损、两败俱伤”的不良局面。

目前，国内风电机组齿轮箱故障频繁，齿轮箱出现齿面磨损、齿面胶合、齿面点蚀、轴承损伤的情况屡见不鲜，这些故障与齿轮箱油液的清洁度有紧密的联系。齿轮箱的油液清洁度（微固体颗粒物、微水分）严重超标，会使齿轮、轴承、齿轮箱油工作状态劣化、恶化的速度加快，成为齿轮箱故障率居高不下的重要因素。

在役风电机组齿轮箱过滤器多由厂家出厂时安装，生产实践经验证明，其过滤效果未能达到精过滤的标准，使齿轮箱油液中的微固体颗粒物、微水分严重超标，在实际的运行过程中清洁度往往只达到ISO 20/18/15(ISO 4406)，甚至更高，更无法达到我国国家标准 GB/T 19073-2008的标准要求。图1是某风场更换下来的齿轮箱滤芯，其油液污染程度严重性显而易见。为了提升齿轮油液的清洁度、降低齿轮箱组因齿轮油液清洁度过低造成的齿轮箱故障率，齿轮箱油液的精过滤处理是非常有必要的。

图1 齿轮箱滤芯污染图

1 精过滤系统组成及原理

精过滤系统的工作原理如图2所示。精过滤系统主要由高效玻璃纤维预过滤系统（图3a）、脱水膜组件组（图3b）成。油液进入高效玻璃纤维预过滤组件中，去除油中的固体颗粒物和其它杂质。然后，油液进入专用的脱水膜组件，在脱水膜组件内，数千根中空纤维膜并联工作，游离水、乳化水和溶解水被同时去掉。油液水分过滤处理如图4所示，油液在中空纤维膜的内侧流动，而干燥空气在中空纤维膜的外侧流动，与润滑油的接触面积最大化。特殊的膜结构以及水分浓度差异使润滑油中的水分透过膜，被连续流动的干燥空气夹带，排除系统。通过高效玻璃纤维预过滤系统、脱水膜组件将油液中的固态颗粒和其它杂质、游离水、乳化水和溶解水过滤掉，实现齿轮箱油液的精过滤处理。

图2 精过滤系统工作原理图

图3 预过滤组件及材料（a）、脱水膜组件（b）示意图

图4 油液水分过滤原理图

2 试验结果

将基于高效玻璃纤维预过滤系统的颗粒过滤器组件、脱水膜组件、空压机、安全保护、控制系统和电源组合安装形成一套精过滤处理设备。将该设备安装在某风场的二十多台典型风机上进行实验，记录安装该设备的时间节点，对安装前的风机提取初始油样，对安装后运行8个月的风机再次抽取油样。为排除该精过滤处理设备对齿轮箱油液精过滤处理结果的偶然性，随机抽取了加装精过滤设备的两台风机（风机号为12# 和 13#），进行了安装前、后的数据分析。12#风机安装精过滤处理设备前后齿轮箱油液的水分及颗粒物M的数据和图形对比分别见表1和图5所示， 13#风机安装精过滤处理设备前后齿轮箱油液的水分及颗粒物M的数据和图形对比分别见表2和图6所示。

表1 12#风机精过滤前后油液的水分及颗粒物数据对比

图5 12#风机精过滤前后油液的净化效果图

表2 13#风机精过滤前后油液的水分及颗粒物数据对比

图6 13#风机精过滤前后油液的净化效果图

由表1和表2中得知：安装前，齿轮箱油品等级超出了国际上对齿轮箱润滑油清洁度标准要求4～6个等级（国际标准：风机正常运行时润滑油清洁度等级为—ISO 4406:18/16/13）。安装8个月后发现，该精过滤处理设备快速提高了润滑油的清洁度：12#风电机组齿轮箱润滑油提升至ISO 4406:18/16/12；13#风机提升至 ISO 4406:19/17/13，由图5和图6安装精过滤处理设备前后8个月的数据发现，其中图5的左图是12#风机安装精过滤设备前后齿轮油净化率效果图，右图是12#风机安装精过滤设备前后齿轮油颗粒物及齿轮油水分含量效果图；图6的左图是13#风机安装精过滤设备前后齿轮油净化率效果图，右图是13#风机安装精过滤设备前后齿轮油颗粒物及齿轮油水分含量效果图。从图中发现，油液中水分和颗粒物过滤效果非常明显，大幅度减少了油液中颗粒物对齿轮箱的磨损。

3 结果分析

3.1 齿轮油水分对齿轮箱寿命的影响

图7是12#和13#风机齿轮箱油液水分含量与齿轮箱轴承寿命趋势图（美国铁姆肯轴承公司经理论计算）。可见，随着齿轮油中水分的增加，齿轮箱轴承剩余寿命会降低。

图8是齿轮油中的水分含量与水的百分比浓度的关系。可知，油液中水分的含量与水分的浓度成线性关系由于12#风机的安装精过滤处理系统设备前后油液中的水分分别为176mg/kg和22mg/kg。经过计算可得，176ppm的含水量对应轴承剩余寿命约为61%，22ppm的含水量对应轴承剩余寿命约为249%，如图7标出的点所示，则12#风机齿轮箱轴承寿命延长倍率约为4.1。同理，计算13#风机的含水量对应轴承剩余寿命得出，238ppm的含水量对应轴承剩余寿命约为49%，37ppm的含水量对应轴承剩余寿命约为210%，如图7标出的点所示，则13#风机齿轮箱轴承寿命延长倍率约为4.28。可见，去除齿轮箱油液的水分可明显延长齿轮箱部件的使用寿命。

图7 齿轮箱油液水分含量与齿轮箱轴承寿命趋势图

图8 油液水分含量与油液水分浓度关系图

3.2 齿轮油清洁度对齿轮箱寿命的影响

表3是12#和13#风机在安装精过滤处理系统设备前后的齿轮油清洁度数据。表4是油品清洁度的提升对延长风机齿轮箱寿命倍数对照表。可以看出，清洁度的提高，12#、13#号风机齿轮箱的寿命延长倍数分别为5倍和3.5倍。可见，提高齿轮油的清洁度可明显延长齿轮箱部件的使用寿命。

表3 安装精过滤处理设备前后齿轮油清洁度

表4 油品清洁度提升与齿轮箱寿命倍数对照表

3.3 降低换油频次

齿轮油品质的提高，可减少换油频率，相关研究报告显示，由3～5年1次换油，可改善到5～7年1次换油，甚至更长，主要监测添加剂的消耗情况及油品的粘稠度。

齿轮箱未加装精过滤系统设备的按4年1次换油，齿轮箱加装精过滤系统设备的按6年1次换油。如以1.5MW容量风机为例，每台齿轮箱油量以200L计，冲洗油量按油量的20%算，综合换油费如人工费等按油量价钱的30%算，那么换油1次的费用近3.5万元，如表5所示。

按4年换1次油计算，年均换油费用约为0.86（34320/4）万元，按6年换1次油计算，年均换油费用约为0.57（34320/6）万元。每台风机每年可减少换油费用0.29万元，1个风场以33台风机计算，每年可节约资金为9.57万元。

表5 换油费用油明细表

4 结语

（1）安装了精过滤处理设备的齿轮箱油液的水分及颗粒物大幅度降低，提高了齿轮油液的清洁度。以上两台风机为例，其齿轮油清洁度提高了6～7个等级；且颗粒物过滤效率非常明显，大幅度减少了油液中颗粒物对齿轮箱的磨损。

（2）从经济效益分析角度可知，齿轮油液水分的减少和齿轮油液清洁度的提高都可延长齿轮箱油液及齿轮箱相关部件的使用寿命，间接的降低了齿轮箱的使用成本。并且齿轮箱油液质量的提高，降低了换油频次，节约了换油费用及人工成本。

（3）安装齿轮箱油液精过滤处理设备，可提高齿轮箱润滑油品质，大幅度减小油液中污染物对齿轮箱的磨损，提高齿轮箱完好率，延长齿轮箱的寿命，可以得到很好的经济效益。