我国风力发电机组润滑现状和展望

2022-06-25冯欣夏延秋孙玉彬

润滑油 2022年3期

冯欣，夏延秋，孙玉彬

(1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206；2.龙源(北京)风电工程技术有限公司，北京 100034)

0 引言

风力发电是指把风的动能转为电能。风能是一种清洁无公害的可再生能源，很早就被人类利用。截至到2020年底，我国风电装机2.81亿千瓦，发电量4665亿千瓦时，要实现碳达峰、碳中和目标，到2030年我国风电装机量至少翻一倍，达到近6亿千瓦。截至2020年底，中国陆上风电累计装机容量达278324 MW，排名全球第一，遥遥领先其他国家。美国(122275 MW)、德国(55122 MW)、印度(38625 MW)和西班牙(27238 MW)陆上风电累计装机容量分列第二至第五位。而对于发展更快的海上风电，截至2020年年底，全球海上风电累计装机35196 MW，其中，英国占全球总产能的29%，中国和德国分别占28.12%和21.96%。而到了2021年4月，我国海上风电并网容量达到104200 MW，已超过英国海上风电装机容量，成为海上世界第一。但国内风机99%以上使用进口润滑油脂，因此中国润滑科技工作者要加大基础研究和应用研究力度，解决“卡脖子”问题。

1 风力发电机组润滑系统

风力发电机组主要由风轮、机舱和塔架三部分组成。风力发电机组的种类多样，目前常用的机型是双馈、直驱和半直驱类型，但需要润滑的不外乎以下几个部分：变桨系统、偏航系统、主轴传动系统、齿轮箱和电机，见图1。其中双馈型风电机组有齿轮箱，而直驱型风电机组没有齿轮箱，半直驱型风电机组的齿轮箱是结构简单的齿轮机构。

1.变桨轴承；2.变桨齿轮箱；3.主轴承；4.偏航齿轮箱；5.偏航开齿；6.发电机轴承；7.主齿轮箱

变桨系统就是通过调节桨叶的节距角，改变气流对桨叶的攻角，进而控制风轮捕获的气动转矩和气动功率。变桨系统需要润滑，包括电机(或液压变桨驱动系统)、变桨轴承和变桨齿轮。需要电机轴承脂、变桨轴承脂和变桨齿轮脂润滑，变桨齿轮箱需齿轮油润滑。偏航系统就是当风速矢量的方向变化时，能够快速平稳地对准风向，以便风轮获得最大的风能。偏航系统一般包括偏航电机、偏航减速器、偏航齿轮和偏航轴承，这四部分需要润滑，偏航减速器是油润滑，其他是脂润滑，另外偏航刹车系统需要液压油，由液压油提供动力，来起到刹车作用。主轴传动系统是风机主轴连接风机叶片与风机底座的部件，固定端(采用双列圆锥滚子轴承或调心滚子轴承)、浮动端(采用圆柱滚子轴承或调心滚子轴承)只承受径向力。润滑主要是用润滑脂润滑(也有少部分风机采用油润滑)。齿轮箱也称为增速箱，是将叶片的低转速通过齿轮箱增速，达到发电机发电所要求的转速。通常齿轮箱是采用行星齿轮传动，需要齿轮油润滑。电机是将动能转化成电能高的装置，电机轴承采用轴承脂润滑。

2 风电机组用润滑油

风力发电机组齿轮箱是风力发电机的重要部件，齿轮箱的作用是将风轮的转速转化为电机的转速，齿轮箱在高速转动过程中容易发生齿面磨损、点蚀以及润滑油老化，严重会导致齿轮箱事故。因此齿轮箱是风力发电机的重要润滑部位。风机用润滑油主要是齿轮油(用于包括齿轮箱、偏航变速箱和变桨变速箱)，根据偏航和变桨变速箱齿轮结构选择是否与齿轮箱用同一种齿轮油。风力发电机齿轮油主要由聚α-烯烃全合成基础油和高性能复合添加剂制备而成，可以在极端环境温度及恶劣工况条件下使用，具有高的承载能力和好的抗氧化性能，具有长的使用寿命，卓越的高低温性能，可使用于高温地区和严寒地区的长寿命齿轮油。

风电齿轮油要求具有高的承载能力、好的耐磨性、高效的防微点蚀保护能力，同时具有低泡性、优异的水分离特性、良好的抗剪切性、抗氧化性和高低温适用性等。可以满足设备高的承载能力、频繁启停、振动冲击、酷暑严寒等。为了提高风机齿轮油的国产化，降低对进口的依赖，国内科研工作者对此进行了深入研究，申报了风电齿轮油专利[1-2]，并参考国外风机齿轮油的质量指标制定了我国的风力发电机专用润滑油的国家标准[3]。近年来，国内研究机构和各大油品公司开展了广泛的风机齿轮油的研制和实践应用工作，包括风机齿轮油研制[4-5]和风机齿轮油现场试验[5-8]，证明国产齿轮润滑油能够完全替代进口齿轮油，满足风力发电机组齿轮箱的润滑需求。表1示出了两种国产风机齿轮油与进口风机齿轮油的对比数据，其各项指标均不低于进口油性能指标，并在东北某风场连续运转5年，证明可以满足大功率风电机组齿轮箱齿轮的润滑要求。

表1 国产与进口风电机组齿轮油性能对比

表1(续)

3 风电机组用润滑脂

风机用润滑脂主要用于轴承润滑，包括：变桨轴承、主轴承、偏航轴承、电机轴承以及变桨齿轮和偏航齿轮等。根据不同部位的润滑要求不同，选用不同种类的润滑脂。国内科研工作者通过研究并借鉴国外风机润滑脂性能指标制定了我国的风力发电机专用润滑脂国家标准，包括轴承润滑脂国家标准和开式齿轮润滑脂国家标准[9-10]。轴承润滑脂包括风力发电机组主轴偏航变桨距轴承润滑脂、风力发电机组发电机轴承润滑脂，开式齿轮润滑脂主要用于偏航和变桨齿轮。通常一台风机上选2～3种润滑脂，可以满足风机传动部分轴承和齿轮的润滑。风力发电机轴承脂通常用复合锂基脂作为润滑剂，风机通用复合锂基润滑脂通常由羟基脂肪酸锂皂与低分子酸锂盐复合生成的复合锂皂稠化合成基础油并加入高性能复合添加剂添制备的润滑脂，满足苛刻环境下风电轴承和齿轮的润滑需求，具有好的泵送性能、剪切性能、高的承载能力和好的抗磨性能、低温启动性能和高低速性能以及良好的耐腐蚀性能。

近年来，我国科技工作者在风机润滑脂研制[11-14]和风机轴承脂现场试验[15]中做了大量工作，表2和表3分别示出了两种国产风机润滑脂与进口风机润滑脂的对比数据，实践研究表明，其各项指标均不低于进口润滑脂的性能指标，并在东北某风场连续运转超过2年。表4示出了国产开式齿轮脂与进口开式齿轮脂的对比数据，其各项指标除抗磨性外均不低于进口润滑脂的性能指标，其在某风场已运转2年，证明国产的风电润滑脂可以满足大功率风电机组轴承的润滑需求。

随着国产技术的发展，国内昆仑、长城、众城、海华、润德西等润滑油脂公司已陆续在国内风场进行风机油脂验证，试验表明，国产润滑油脂在性能指标和使用性能等方面不低于国外同类型产品。

表2 国产与进口风力发电机组发电机轴承润滑脂性能对比

表2(续)

表3 国产与进口风力发电机组主轴偏航变桨距轴承润滑脂性能对比

表4 国产与进口风力发电机组偏航和变桨齿轮润滑脂性能对比

表4(续)

国内在风电润滑油脂研发上不断发力，昆仑、长城、众城、海华、润德西等润滑油脂公司分别推出了各自的风电润滑油脂[5,7,11-13,16]，可以满足我国风电场对润滑油脂的需求，目前国内所有的风电齿轮油都选择PAO做基础油，添加剂有自主研发，也有选择进口复合剂，基本满足了风电润滑的需求。其中极压抗磨添加剂多以硫磷剂为主，配以摩擦改进剂，来提高齿轮油的抗微点蚀能力，同时辅以防腐、防锈、抗乳化和抗泡剂等添加剂，国内润滑油脂的生产工艺和润滑油脂性能已达到国内外同类产品水平，可以满足我国风力发电机齿轮油的润滑要求，但在单剂种类和性能指标上与国外同类产品还有差距。从风电厂和润滑油脂公司的反馈信息以及本课题组对润滑脂的监测结果(SCADA数据)和测试数据分析，其运行结果与选用的国外轴承脂没有差距，轴承运转正常。但到目前为止还没有风电轴承润滑脂的公开招标报道，国产风电机组润滑油脂还需努力。