張美瓊，柯友勝，張霞玲，王凱明，王燕

(中國石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司煉油化工研究院，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引言

21世紀是可再生能源的世紀，在常規(guī)能源緊張和生態(tài)環(huán)境遭受污染的今天，風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔的可再生能源的發(fā)電方式，已越來越受到世界各國人民的歡迎和重視。同時，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相對較為成熟，使風(fēng)能在眾多可再生能源中最具大規(guī)模發(fā)電前景，是近期內(nèi)最有開發(fā)利用價值的可再生能源。

風(fēng)力發(fā)電機的工作原理為：空氣流動的動能作用在葉輪上，將動能轉(zhuǎn)換成機械能，推動葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸通過變速箱相連，從而帶動發(fā)電機發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機主要的潤滑部位包括齒輪箱、發(fā)電機軸承、偏航系統(tǒng)軸承與齒輪、液壓剎車系統(tǒng)和主軸承。齒輪箱可以將很低的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速(600 kW的風(fēng)力發(fā)電機通常為27 r/min)變?yōu)楹芨叩陌l(fā)電機轉(zhuǎn)速(通常為1500 r/min)，它是風(fēng)力發(fā)電機的主要潤滑部位，用油量占風(fēng)力發(fā)電機用油量的3/4左右。目前國內(nèi)對風(fēng)力發(fā)電機組齒輪油(簡稱風(fēng)電齒輪油)的年需求量約為1500 t左右，到2020年，國內(nèi)風(fēng)電機組裝機容量將達到3×107kW，齒輪油的年需求量將達到6000 t左右[1]。

目前，市場上風(fēng)力發(fā)電機齒輪油大多為合成油，但合成油價格昂貴，如果能研制出礦物型產(chǎn)品替代合成油，在經(jīng)濟成本方面，對風(fēng)電設(shè)備用戶來說無疑是一大喜事，同時也拓寬了煉油行業(yè)的產(chǎn)品范圍。不過，在研制產(chǎn)品前，非常有必要對風(fēng)電齒輪油行業(yè)中應(yīng)用礦物油的可行性進行分析。

1 風(fēng)電齒輪油行業(yè)中合成油和礦物油的比較

1.1 合成油的優(yōu)點

風(fēng)電設(shè)備運行具有與其他設(shè)備運行不同的特點[2]：首先，風(fēng)力發(fā)電場主要集中在風(fēng)能資源豐富的偏遠地區(qū)，如山谷曠野、近海地區(qū)等，這些地區(qū)的自然環(huán)境較為惡劣，晝夜溫差大，位于沿?；蚝Ｉ系娘L(fēng)電機組還受潮濕、海水腐蝕等環(huán)境因素的影響；其次，風(fēng)電齒輪箱運行特點是低轉(zhuǎn)速、高扭矩，且負載不穩(wěn)定；還有，風(fēng)力發(fā)電機設(shè)備造價昂貴，且大型風(fēng)力發(fā)電機的塔筒高度通常在50～100 m，設(shè)備較高，現(xiàn)場不便對主要部件進行拆卸維修，因此設(shè)計時對齒輪箱使用壽命、承受負荷等提出較高的要求，相應(yīng)地，對其所用的齒輪油要求較高。基于風(fēng)電機組設(shè)備的運行特點，對擔負潤滑作用的風(fēng)電齒輪油具有如下嚴格要求：應(yīng)具有極好的極壓抗磨性能、冷卻性能和清洗性能，還應(yīng)具有良好的熱氧化安定性、水解安定性、抗乳化性能、黏溫性能、低溫性能以及長的使用壽命，同時還應(yīng)具有較低的摩擦系數(shù)以降低齒輪傳動中的功率損耗[3]。因為這些嚴格要求，風(fēng)電齒輪油大多選擇合成型油品。

合成油的優(yōu)點有：黏度指數(shù)更高，受溫度變化的影響??；低溫性能和潤滑性能更好，耐高溫和抗氧化的能力更好，抵抗環(huán)境變化的能力更佳；牽引系數(shù)更低，更容易被泵送到軸承或齒輪內(nèi)的接觸區(qū)，降低了在啟動時潤滑油不到位的風(fēng)險。

風(fēng)電機組在極高溫、極低溫、超重負荷等嚴苛工況以及有基他特殊要求的工況時，合成油可以為齒輪提供最優(yōu)的保護。從基礎(chǔ)油類型看，各大公司推出的合成型工業(yè)齒輪油以聚α-烯烴(PAO)、合成酯(POE)、聚醚(PAG)等三大合成基礎(chǔ)油的使用最為廣泛。

1.2 礦物油的機遇

當然合成油也有一些劣勢，其中最主要的就是相比礦物油而言較高的價格以及可能存在的密封材料兼容性問題，這讓很多人一直在猶豫是否該選擇合成油。同時，有些用戶機型和使用地區(qū)環(huán)境溫度對產(chǎn)品要求不是很苛刻，可以使用礦物油或半合成油來替代合成油，這就在風(fēng)電齒輪油領(lǐng)域給半合成油甚至礦物油帶來了良好的契機。

2 市場上風(fēng)電齒輪油的產(chǎn)品類型

通過資料調(diào)研發(fā)現(xiàn)，中國石油“昆侖牌”和中國石化“長城牌”的風(fēng)電齒輪油均有合成型產(chǎn)品、合成油和礦物油調(diào)合而成的半合成型產(chǎn)品以及礦物型產(chǎn)品，但未見文獻資料報道礦物型產(chǎn)品的具體應(yīng)用情況。

2.1 中國石油“昆侖牌”

昆侖風(fēng)電設(shè)備專用齒輪油根據(jù)用戶機型、使用地區(qū)環(huán)境溫度及風(fēng)電廠經(jīng)濟狀況，開發(fā)出了FD1000礦物油型齒輪油系列、FD2000半合成型齒輪油系列和FD3000合成型齒輪油系列。其中FD2000是一款具有突出性價比優(yōu)勢的產(chǎn)品，與市場上最具代表性的某國外產(chǎn)品按照重負荷工業(yè)齒輪油的要求進行了主要性能的分析評定，結(jié)果[1]如表1所示。

表1 半合成型風(fēng)電設(shè)備用齒輪油主要性能分析

由表1中的主要性質(zhì)分析數(shù)據(jù)可以看出，F(xiàn)D2000高性能風(fēng)電專用齒輪油在黏度指數(shù)、低溫性能和抗磨性能上均要優(yōu)于國外同類產(chǎn)品的性質(zhì)；而且風(fēng)電主齒輪箱的臺架試驗結(jié)果表明FD2000具有優(yōu)良的各項性能，且低溫性能遠遠優(yōu)于國外產(chǎn)品[4]，這說明礦物油組分跟合成油調(diào)合可以研制出性能優(yōu)異的半合成型風(fēng)力發(fā)電機齒輪油。

2.2 中國石化“長城牌”

近年來，中國石化潤滑油公司研發(fā)生產(chǎn)出的適合風(fēng)電行業(yè)使用的潤滑油產(chǎn)品，分為礦物型、低溫型及全合成型三大系列，按40 ℃運動黏度可分為150、220、320、460等牌號，可滿足中國不同地域、不同環(huán)境溫度的使用要求，具有抗微點蝕特性，適用于風(fēng)力發(fā)電機組增速箱齒輪、偏航齒輪、變槳齒輪等的潤滑需求。

中國石化的“長城牌”SH5000系列齒輪油均為合成型，其典型數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 SH5000系列合成烴重負荷工業(yè)齒輪油典型數(shù)據(jù)

2.3 國外品牌

國外品牌，如美國美孚和德國科寧等均為合成潤滑油系列。

從資料調(diào)研可以看出，市場上風(fēng)力發(fā)電機齒輪油大多為合成型，純礦物油或半合成型產(chǎn)品作為該行業(yè)的新生力量已經(jīng)出現(xiàn)，但未見文獻報道其具體的應(yīng)用案例，它們的研制、推廣和應(yīng)用等均需投入大量的人力和功夫。

3 礦物油組分生產(chǎn)風(fēng)電齒輪油的技術(shù)性分析

3.1 確定風(fēng)電齒輪油的質(zhì)量指標

根據(jù)資料調(diào)研，風(fēng)力發(fā)電齒輪油比較常見的黏度級別是ISO 220和ISO 320，其中發(fā)電機制造商指定的齒輪油黏度等級最常見的是ISO 320。目前，國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的風(fēng)電行業(yè)潤滑劑標準，依據(jù)文獻資料中的國內(nèi)外產(chǎn)品性質(zhì)水平，本文制定了產(chǎn)品質(zhì)量指標，如表3所示。

表3 風(fēng)電齒輪油主要質(zhì)量指標和試驗方法

從表3可以看出，風(fēng)電專用齒輪油對黏度指數(shù)、低溫性能和抗磨性能有較高的要求，最關(guān)鍵的性能是齒輪油的抗微點蝕性能，要求通過FZG試驗機的苛刻測試，一般要求抗微點蝕能力FZG大于10級，抗刮傷負載能力FZG大于14級。根據(jù)資料調(diào)研，抗微點蝕能力可通過添加具有抗微點蝕性能的極壓抗磨劑得到提高。

3.2 實驗室研制工作

實驗室篩選兩種或兩種以上的礦物油組分進行調(diào)合，調(diào)合基礎(chǔ)油的黏度指數(shù)、傾點、閃點等基礎(chǔ)性質(zhì)滿足表3的要求，對添加劑進行篩選、評定，可以研制出滿足表3質(zhì)量指標要求的風(fēng)力發(fā)電機齒輪油，整個研制過程中的技術(shù)難點歸納總結(jié)如下。

3.3 技術(shù)難點分析

3.3.1 市場調(diào)研工作

風(fēng)力發(fā)電機齒輪油根據(jù)使用環(huán)境的不同，對產(chǎn)品的性能要求差別很大。因此，在研制產(chǎn)品前，需進行市場調(diào)研工作，全面了解不同用戶機型、不同環(huán)境溫度下對產(chǎn)品的要求，并盡可能地對用戶的在用油進行實驗室剖析，為研制礦物型產(chǎn)品提供參考依據(jù)。

文獻資料調(diào)研發(fā)現(xiàn)，中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心和中國石化潤滑油公司均研究開發(fā)出了礦物型齒輪油產(chǎn)品，但僅采用資料調(diào)研方式未能查找到純礦物型產(chǎn)品的性質(zhì)數(shù)據(jù)和用戶正式使用案例。因此，需進行市場調(diào)研，掌握純礦物型產(chǎn)品的應(yīng)用范圍、正式使用案例和用戶的評價反饋，以及了解用戶對礦物型產(chǎn)品的需求和期盼度。

市場調(diào)研工作需在用戶的全程配合下才能順利進行，這需要科研人員具有有效溝通的交流技能，這項技能的不足以及其他因素的綜合影響，使得市場調(diào)研成為研制礦物型風(fēng)電齒輪油工作中的難點之一。

3.3.2 改善抗微點蝕性能

微點蝕是細微的滾動接觸疲勞和磨損，它經(jīng)常發(fā)生在磨削、硬質(zhì)鋼的表面硬化齒輪齒面上，通常在滾動和滑動接觸、油膜較薄的條件下出現(xiàn)，雖然微點蝕不是一個新的現(xiàn)象，但是多年以來人們一直只將肉眼可見的宏觀點蝕作為齒輪失效的主要原因，而對微點蝕的危害缺乏足夠的認識，而實際上微點蝕的危害很大。越來越多的齒輪生產(chǎn)廠家，在其研制的設(shè)備上要求使用抗微點蝕的工業(yè)齒輪油[5-6]。

抗微點蝕性能是風(fēng)電專用齒輪油最關(guān)鍵的性能，此項性能通過FZG試驗機的苛刻測試來進行評價表征，一般要求FZG抗微點蝕能力大于10級。

影響齒輪抗點蝕或抗微點蝕的主要潤滑油指標是摩擦系數(shù)。當摩擦系數(shù)減少一半，其抗微點蝕負荷能力增加1.7倍。相對合成油而言，礦物油因具有較高的摩擦系數(shù)，而具有較差的抗微點蝕性能[6]，這是礦物油的劣勢。

不過，礦物油的抗微點蝕能力可通過添加具有抗微點蝕性能的極壓抗磨劑或抗微點蝕添加劑得到提高。中國石油蘭州潤滑油研究開發(fā)中心在發(fā)明礦物型和半合成型抗微點蝕齒輪油時，就采用了二烷基二硫代磷酸酯，或烷基磷酸酯胺鹽，或間二磷酸酯，或它們?nèi)我饨M合的混合物作為抗微點蝕添加劑[6]，研制出了抗微點蝕性能滿足要求的產(chǎn)品。

在實驗室研制過程中，為了篩選出使用性能好的抗微點蝕添加劑，需對現(xiàn)有的抗微點蝕添加劑的種類和性能進行大量市場調(diào)研，并進行實驗室的評選工作，此項工作量較大，是研制礦物型風(fēng)電齒輪油工作中的難點之二。

4 礦物油組分生產(chǎn)風(fēng)電齒輪油的經(jīng)濟性分析

眾所周知，合成油價格較高。通過市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的合成油比其他行業(yè)的合成油更為昂貴，其中中國石油國中石化的合成型風(fēng)力發(fā)電機齒輪油價格為10.6萬元/噸，美孚殼牌的合成型風(fēng)力發(fā)電機齒輪油價格為12.9萬元/噸。

根據(jù)實驗室研制方案的經(jīng)濟成本估算，礦物型風(fēng)力發(fā)電機齒輪油的市場價格約為1.2～2萬元/噸，比合成型產(chǎn)品便宜很多。對產(chǎn)品要求不是很苛刻的用戶機型和使用地區(qū)來說，使用礦物油替代合成油，在滿足使用性能的前提下，大大節(jié)約了經(jīng)濟成本。

5 結(jié)論

相對于合成油，礦物油在經(jīng)濟成本、與密封材料兼容性上有優(yōu)勢，而且有些環(huán)境對風(fēng)電齒輪油產(chǎn)品要求不是很苛刻，這就在風(fēng)電齒輪油領(lǐng)域給半合成油甚至礦物油帶來了良好的契機。市場上礦物油作為風(fēng)電齒輪油領(lǐng)域的新生力量已經(jīng)出現(xiàn)，但未見資料報道礦物型產(chǎn)品的具體應(yīng)用案例。

實驗室進行了基礎(chǔ)油篩選和添加劑評選工作，可以研制出滿足ISO 220和ISO 320質(zhì)量指標要求的礦物型風(fēng)力發(fā)電機齒輪油。

在整個研制過程中的難點為：在研制產(chǎn)品前，需市場調(diào)研了解不同用戶機型、不同環(huán)境溫度下對產(chǎn)品的要求，這需要科研人員具有有效溝通的交流技能；對抗微點蝕添加劑進行市場調(diào)研以及實驗室評選工作，工作量較大。

礦物型風(fēng)力發(fā)電機齒輪油比合成型產(chǎn)品便宜很多，大大節(jié)約了經(jīng)濟成本，但礦物型產(chǎn)品的研制、推廣和應(yīng)用等均需投入大量的人力和功夫。

本文對采用礦物油組分研制風(fēng)電齒輪油進行了探索和可行性分析工作，目的在于：希望科研單位進行相關(guān)科研工作前，能清楚了解礦物油在風(fēng)電齒輪油行業(yè)中的優(yōu)勢和劣勢，而且在進行相關(guān)科研工作時能有一定的技術(shù)支撐。