馮欣，夏延秋，孫玉彬

(1.華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，北京 102206；2.龍源(北京)風(fēng)電工程技術(shù)有限公司，北京 100034)

0 引言

風(fēng)力發(fā)電是指把風(fēng)的動能轉(zhuǎn)為電能。風(fēng)能是一種清潔無公害的可再生能源，很早就被人類利用。截至到2020年底，我國風(fēng)電裝機2.81億千瓦，發(fā)電量4665億千瓦時，要實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標(biāo)，到2030年我國風(fēng)電裝機量至少翻一倍，達到近6億千瓦。截至2020年底，中國陸上風(fēng)電累計裝機容量達278324 MW，排名全球第一，遙遙領(lǐng)先其他國家。美國(122275 MW)、德國(55122 MW)、印度(38625 MW)和西班牙(27238 MW)陸上風(fēng)電累計裝機容量分列第二至第五位。而對于發(fā)展更快的海上風(fēng)電，截至2020年年底，全球海上風(fēng)電累計裝機35196 MW，其中，英國占全球總產(chǎn)能的29%，中國和德國分別占28.12%和21.96%。而到了2021年4月，我國海上風(fēng)電并網(wǎng)容量達到104200 MW，已超過英國海上風(fēng)電裝機容量，成為海上世界第一。但國內(nèi)風(fēng)機99%以上使用進口潤滑油脂，因此中國潤滑科技工作者要加大基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究力度，解決“卡脖子”問題。

1 風(fēng)力發(fā)電機組潤滑系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電機組主要由風(fēng)輪、機艙和塔架三部分組成。風(fēng)力發(fā)電機組的種類多樣，目前常用的機型是雙饋、直驅(qū)和半直驅(qū)類型，但需要潤滑的不外乎以下幾個部分：變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、主軸傳動系統(tǒng)、齒輪箱和電機，見圖1。其中雙饋型風(fēng)電機組有齒輪箱，而直驅(qū)型風(fēng)電機組沒有齒輪箱，半直驅(qū)型風(fēng)電機組的齒輪箱是結(jié)構(gòu)簡單的齒輪機構(gòu)。

1.變槳軸承；2.變槳齒輪箱；3.主軸承；4.偏航齒輪箱；5.偏航開齒；6.發(fā)電機軸承；7.主齒輪箱

變槳系統(tǒng)就是通過調(diào)節(jié)槳葉的節(jié)距角，改變氣流對槳葉的攻角，進而控制風(fēng)輪捕獲的氣動轉(zhuǎn)矩和氣動功率。變槳系統(tǒng)需要潤滑，包括電機(或液壓變槳驅(qū)動系統(tǒng))、變槳軸承和變槳齒輪。需要電機軸承脂、變槳軸承脂和變槳齒輪脂潤滑，變槳齒輪箱需齒輪油潤滑。 偏航系統(tǒng)就是當(dāng)風(fēng)速矢量的方向變化時，能夠快速平穩(wěn)地對準風(fēng)向，以便風(fēng)輪獲得最大的風(fēng)能。偏航系統(tǒng)一般包括偏航電機、偏航減速器、偏航齒輪和偏航軸承，這四部分需要潤滑，偏航減速器是油潤滑，其他是脂潤滑，另外偏航剎車系統(tǒng)需要液壓油，由液壓油提供動力，來起到剎車作用。主軸傳動系統(tǒng)是風(fēng)機主軸連接風(fēng)機葉片與風(fēng)機底座的部件，固定端(采用雙列圓錐滾子軸承或調(diào)心滾子軸承)、浮動端(采用圓柱滾子軸承或調(diào)心滾子軸承)只承受徑向力。潤滑主要是用潤滑脂潤滑(也有少部分風(fēng)機采用油潤滑)。齒輪箱也稱為增速箱，是將葉片的低轉(zhuǎn)速通過齒輪箱增速，達到發(fā)電機發(fā)電所要求的轉(zhuǎn)速。通常齒輪箱是采用行星齒輪傳動，需要齒輪油潤滑。電機是將動能轉(zhuǎn)化成電能高的裝置，電機軸承采用軸承脂潤滑。

2 風(fēng)電機組用潤滑油

風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機的重要部件，齒輪箱的作用是將風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為電機的轉(zhuǎn)速，齒輪箱在高速轉(zhuǎn)動過程中容易發(fā)生齒面磨損、點蝕以及潤滑油老化，嚴重會導(dǎo)致齒輪箱事故。因此齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機的重要潤滑部位。風(fēng)機用潤滑油主要是齒輪油(用于包括齒輪箱、偏航變速箱和變槳變速箱)，根據(jù)偏航和變槳變速箱齒輪結(jié)構(gòu)選擇是否與齒輪箱用同一種齒輪油。風(fēng)力發(fā)電機齒輪油主要由聚α-烯烴全合成基礎(chǔ)油和高性能復(fù)合添加劑制備而成，可以在極端環(huán)境溫度及惡劣工況條件下使用，具有高的承載能力和好的抗氧化性能，具有長的使用壽命，卓越的高低溫性能，可使用于高溫地區(qū)和嚴寒地區(qū)的長壽命齒輪油。

風(fēng)電齒輪油要求具有高的承載能力、好的耐磨性、高效的防微點蝕保護能力，同時具有低泡性、優(yōu)異的水分離特性、良好的抗剪切性、抗氧化性和高低溫適用性等?？梢詽M足設(shè)備高的承載能力、頻繁啟停、振動沖擊、酷暑嚴寒等。為了提高風(fēng)機齒輪油的國產(chǎn)化，降低對進口的依賴，國內(nèi)科研工作者對此進行了深入研究，申報了風(fēng)電齒輪油專利[1-2]，并參考國外風(fēng)機齒輪油的質(zhì)量指標(biāo)制定了我國的風(fēng)力發(fā)電機專用潤滑油的國家標(biāo)準[3]。近年來，國內(nèi)研究機構(gòu)和各大油品公司開展了廣泛的風(fēng)機齒輪油的研制和實踐應(yīng)用工作，包括風(fēng)機齒輪油研制[4-5]和風(fēng)機齒輪油現(xiàn)場試驗[5-8]，證明國產(chǎn)齒輪潤滑油能夠完全替代進口齒輪油，滿足風(fēng)力發(fā)電機組齒輪箱的潤滑需求。表1示出了兩種國產(chǎn)風(fēng)機齒輪油與進口風(fēng)機齒輪油的對比數(shù)據(jù)，其各項指標(biāo)均不低于進口油性能指標(biāo)，并在東北某風(fēng)場連續(xù)運轉(zhuǎn)5年，證明可以滿足大功率風(fēng)電機組齒輪箱齒輪的潤滑要求。

表1 國產(chǎn)與進口風(fēng)電機組齒輪油性能對比

表1(續(xù))

3 風(fēng)電機組用潤滑脂

風(fēng)機用潤滑脂主要用于軸承潤滑，包括：變槳軸承、主軸承、偏航軸承、電機軸承以及變槳齒輪和偏航齒輪等。根據(jù)不同部位的潤滑要求不同，選用不同種類的潤滑脂。國內(nèi)科研工作者通過研究并借鑒國外風(fēng)機潤滑脂性能指標(biāo)制定了我國的風(fēng)力發(fā)電機專用潤滑脂國家標(biāo)準，包括軸承潤滑脂國家標(biāo)準和開式齒輪潤滑脂國家標(biāo)準[9-10]。軸承潤滑脂包括風(fēng)力發(fā)電機組主軸偏航變槳距軸承潤滑脂、風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)電機軸承潤滑脂，開式齒輪潤滑脂主要用于偏航和變槳齒輪。通常一臺風(fēng)機上選2～3種潤滑脂，可以滿足風(fēng)機傳動部分軸承和齒輪的潤滑。風(fēng)力發(fā)電機軸承脂通常用復(fù)合鋰基脂作為潤滑劑，風(fēng)機通用復(fù)合鋰基潤滑脂通常由羥基脂肪酸鋰皂與低分子酸鋰鹽復(fù)合生成的復(fù)合鋰皂稠化合成基礎(chǔ)油并加入高性能復(fù)合添加劑添制備的潤滑脂，滿足苛刻環(huán)境下風(fēng)電軸承和齒輪的潤滑需求，具有好的泵送性能、剪切性能、高的承載能力和好的抗磨性能、低溫啟動性能和高低速性能以及良好的耐腐蝕性能。

近年來，我國科技工作者在風(fēng)機潤滑脂研制[11-14]和風(fēng)機軸承脂現(xiàn)場試驗[15]中做了大量工作，表2和表3分別示出了兩種國產(chǎn)風(fēng)機潤滑脂與進口風(fēng)機潤滑脂的對比數(shù)據(jù)，實踐研究表明，其各項指標(biāo)均不低于進口潤滑脂的性能指標(biāo)，并在東北某風(fēng)場連續(xù)運轉(zhuǎn)超過2年。表4示出了國產(chǎn)開式齒輪脂與進口開式齒輪脂的對比數(shù)據(jù)，其各項指標(biāo)除抗磨性外均不低于進口潤滑脂的性能指標(biāo)，其在某風(fēng)場已運轉(zhuǎn)2年，證明國產(chǎn)的風(fēng)電潤滑脂可以滿足大功率風(fēng)電機組軸承的潤滑需求。

隨著國產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)昆侖、長城、眾城、海華、潤德西等潤滑油脂公司已陸續(xù)在國內(nèi)風(fēng)場進行風(fēng)機油脂驗證，試驗表明，國產(chǎn)潤滑油脂在性能指標(biāo)和使用性能等方面不低于國外同類型產(chǎn)品。

表2 國產(chǎn)與進口風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)電機軸承潤滑脂性能對比

表2(續(xù))

表3 國產(chǎn)與進口風(fēng)力發(fā)電機組主軸偏航變槳距軸承潤滑脂性能對比

表4 國產(chǎn)與進口風(fēng)力發(fā)電機組偏航和變槳齒輪潤滑脂性能對比

表4(續(xù))

國內(nèi)在風(fēng)電潤滑油脂研發(fā)上不斷發(fā)力，昆侖、長城、眾城、海華、潤德西等潤滑油脂公司分別推出了各自的風(fēng)電潤滑油脂[5,7,11-13,16]，可以滿足我國風(fēng)電場對潤滑油脂的需求，目前國內(nèi)所有的風(fēng)電齒輪油都選擇PAO做基礎(chǔ)油，添加劑有自主研發(fā)，也有選擇進口復(fù)合劑，基本滿足了風(fēng)電潤滑的需求。其中極壓抗磨添加劑多以硫磷劑為主，配以摩擦改進劑，來提高齒輪油的抗微點蝕能力，同時輔以防腐、防銹、抗乳化和抗泡劑等添加劑，國內(nèi)潤滑油脂的生產(chǎn)工藝和潤滑油脂性能已達到國內(nèi)外同類產(chǎn)品水平，可以滿足我國風(fēng)力發(fā)電機齒輪油的潤滑要求，但在單劑種類和性能指標(biāo)上與國外同類產(chǎn)品還有差距。從風(fēng)電廠和潤滑油脂公司的反饋信息以及本課題組對潤滑脂的監(jiān)測結(jié)果(SCADA數(shù)據(jù))和測試數(shù)據(jù)分析，其運行結(jié)果與選用的國外軸承脂沒有差距，軸承運轉(zhuǎn)正常。但到目前為止還沒有風(fēng)電軸承潤滑脂的公開招標(biāo)報道，國產(chǎn)風(fēng)電機組潤滑油脂還需努力。

4 結(jié)論和展望

近年來，我國風(fēng)電潤滑油脂取得了很大進展，國產(chǎn)潤滑油脂已開始在國內(nèi)風(fēng)場的風(fēng)機上零星使用，但還遠遠不夠，推進風(fēng)電機組潤滑油脂國產(chǎn)化任重道遠。同時，隨著海上風(fēng)場的大規(guī)模建設(shè)，中國近海海上風(fēng)場的環(huán)境和工作條件對風(fēng)電機組的潤滑提出了新的要求，因此海上風(fēng)場用潤滑油脂及其監(jiān)測將是近年來科技人員應(yīng)關(guān)注的焦點。