风电机组润滑挑战及未来发展趋势
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对更长换油周期的期望 – 合成齿轮油可以降低换油频率，减少换油成本 – 为齿轮和轴承提供长期的保护
风机主齿轮箱的润滑问题
现场发现的主齿轮箱润滑问题主要有： 齿面的微点蚀 − White Structure Flaking (白斑腐蚀），可能与齿轮油配方可能有关 − 齿轮材料及表面处理 泡沫和空气释放问题 − 齿轮箱设计，循环倍率 − 润滑油的抗泡沫特性 轴承损坏 – 污染控制 – 过滤精度、过滤系统设计与维护 粘度变化及沉积物生成 – 剪切稳定性、氧化稳定性 – 齿轮箱加热器的功率密度及控制逻辑 生锈和腐蚀 – 分水性能及添加剂对水污染的耐受性 – 防锈防腐蚀性能 低温启动困难 – 润滑油低温流动特性 – 低倾点并不足够
42% 25%
风机主齿轮箱的润滑特点
无论是陆上风机还是海上风机，地理位置都很偏远，同时工作的环境比较恶劣 – 维护困难：润滑油必须长期保持良好性能 – 低温：启动过程要求油品优异的低温流动性 – 部分地区季节温差可达70℃以上：要求润滑油具有高粘度指数 – 湿度变化大，特别是海上风机有加快腐蚀和锈蚀的可能
▶ 与润滑相关的机械故障 的比例相当之高…
欧洲三国风电机组故障数据统计分析结果比较
统计项目 单机平均故障数目
瑞典 0.4次/年
单机平均停机时间
52小时/年
单次故障停机时间 故障数最多的3个部件
170小时/次 1电气系统 2 传感器
3 叶片/变桨
停机时间最多的3个部件
1 齿轮箱 2 控制系统
3 电气系统
发电机轴承对润滑脂的要求
较宽的工作温度范围：-30°C 到 120°C
低启动扭矩 长的润滑间隔，并保证稳定运行
叶片轴承的润滑特点及问题
叶片轴承的工作特点
信号响应比较快，能够快速调整叶片角度 受环境温度影响比较大，工作温度范围大，能在极低温度下使用 负载较大，轴承微震动比较大，可能遭受微动磨损的严重影响
特殊设计以保证低摩擦、高灵敏度 风机轴承的设计、材料、制造、润滑及密封与一般工业轴承不同，都要进行 专门设计。
主轴承的故障及润滑问题
风机主轴承与润滑有关的故障 早期磨损问题
润滑脂基础油粘度不合适 润滑脂温度适应范围较窄 润滑脂稠化剂稳定性差 未按要求检查及维护润滑油脂 …… 零部件的生锈或腐蚀 润滑脂的防锈防腐蚀性能 维护间隔周期 润滑脂泄漏 密封件性能及与润滑脂的相容性 润滑脂的机械稳定性
风电机组润滑挑战及未来发展趋势
壳牌(中国)有限公司 电力行业产品应用专家 周思源 乌鲁木齐 2013.6.28
1
目录
润滑对于风电设备可靠运行的重要性 风机各部件的润滑特点及相关问题 未来发展趋势及挑战 风机润滑油技术规范 国外风机润滑油脂标准简介
润滑对于风电设备可靠运行的重要性
风机主齿轮箱的设计 – 紧凑的结构设计：更少的润滑油提供更好的保护，润滑油负荷指数增加(空气释放、热载荷…) – 齿面应力高：齿轮的表面质量和生产工艺对长换油周期非常关键 – 对轴承的润滑要求和苛刻的清洁度要求：采用更精细的过滤器
载荷变化 – 润滑状态不稳定：经常性的边界润滑状态，要求齿轮油具有非常好的承载能力
机械类型故障比例
55%
润滑相关机械故障比例
35%
芬兰 1.38次/年 237小时/年 172小时/次 1 液压系统 2 叶片/变桨 3 齿轮箱 1 齿轮箱 2 叶片/变桨 3 液压系统
65% 29%
德国 2.38次/年 149小时/年 62.6小时/次 1. 电气系统 2 控制系统 3 液压系统 传感器 1 发电机 2 齿轮箱 3 传动部件
总结 — 问题原因与对策
风机润滑的独特性 —— 很多润滑问题与润滑剂性能有关
独特性
气候条件：季节温差、多尘与潮湿环境 负载特性：变化载荷、不连续载荷、冲 击载荷 结构特性：结构更轻更紧凑
维护特性：维护周期长，局限性大 设计寿命：设计寿命20年，可靠性要求 更高
润滑油
低温流动性 粘度指数 极压抗磨性、抗擦伤性能、抗 点蚀性能、边界润滑性能
偏航轴承 Gadus S5 T460 1.5 偏航齿轮箱 Omala S4 GX 150/220/320
壳牌与风机制造商
壳牌风电润滑增值服务
• LubeAnalyst
风机设备油品状态监控
• LubeAdvisor
风机设备润滑咨询、故障处理和分析
• LubeCoach
风场维护人员技术培训
• LubeManual
维护特性
– 清洁度与过滤特性 – 长寿命
风电机组润滑油技术规范 — 现状
现有规范的概况：目前仅齿轮油有初步的技术规范，但基本是沿用普通工业 齿轮油的技术标准
类别 行业组织标准 国际/国家标准 齿轮箱制造商标准
主机设备商标准
专业认证机构规范
实例 AGMA/IEC ISO/DIN/GB Winergy/Flender/ SEW GE/Repower/Vestas
表面特性、散热性能
性能冗余度、清洁度与过滤特 性
抗氧化性能、承载能力
润滑脂
低温启动转矩 低温泵送性 承载能力、抗微动磨损、机械 稳定性
粘附特性、泵送性
粘附特性
承载能力
目前尚无统一的风机专用润滑油脂技术规范及风机维护技术规范。 符合普通工业标准的润滑油脂并不完全满足风机润滑的独特要求。
风机润滑 — 未来的趋势与挑战
风机典型润滑产品推荐
电机轴承 Gadus S5 V100 2
偏航开式齿轮 Malleus GL Malleus OGM
液压系统 Tellus S2 V 32 Tellus S4 VX 32
主轴 Gadus S5 T460 1.5
叶片轴承 Rhodina BBZ
主齿轮箱 Omala S4 GX 320
在用油的状态监测：
– 规定了检测项目及评价标准，例如粘度、添加剂消耗、磨损金属元素含量、清洁度、 水含量等；
– 对取样的方法及程序给出了一般性推荐
wenku.baidu.com 国外风机润滑油标准 — AWEA
AWEA “Operation and Maintenance Recommended Practices”该标 准定义了在用油的监测维护规范 在用油的状态监测：
国外风机润滑油标准 — IEC 61400/ISO 81400
该标准定义了对于新油的性能要求及在用油的监测维护规范
新油技术规范：基本性能以普通工业齿轮油标准(DIN 51517-3, ISO
12925 and AGMA 9005)为基础，但增加一些性能要求以更适应风机的运 行特点：
– 低温特性，规定了允许启动的最高动力粘度 – 更严格的齿轮承载能力试验，包括抗擦伤性能、抗点蚀能力 – 轴承承载能力及疲劳磨损试验 – 更严格的防锈性及抗腐蚀性能 – 粘度稳定性：剪切稳定性要求 – 清洁度及过滤性要求 – 更苛刻的泡沫特性
德国劳埃德船级社认证
特点 侧重于行业传统性能要求 侧重于普适性和产品性能 关注具体齿轮箱的特定润滑需求
关注于具体设备的适应性和可靠性
强调认证程序操作性
需要应对的挑战
− 性能指标零散性，一般关注于特定应用条件 − 过多强调理论值，缺乏实际应用表现的关联性 − 过多关注产品性能，忽视润滑维护规范要求 − 同质化较高，缺乏区分性
– 更好的边界润滑及抗点蚀性能 – 非传统配方，低硫添加剂 – 冲击负荷
极端低温严寒条件下的润滑可靠性
– 润滑油品的低温流动性 – 润滑油品的冬季免维护冗度 – 严寒条件下润滑性能保持性
润滑脂产品的润滑可靠性
– 聚脲基增稠剂 – 合成基础油 – 回转支撑轴承微动腐蚀特殊要求 – 专用润滑脂性能优于通用润滑脂
风电机组润滑油技术规范 — 趋势
未来发展趋势
– 充分消化吸收国际领先的润滑技术规范和标准，建立我国的国家标准 – 引入差异化性能测试标准，并建立与实际应用的关联性 – 针对实际应用确立台架测试方法和标准 – 在系统设计阶段引入润滑认证工作方式 – 针对应用建立润滑维护技术规范 – 充分发挥行业协会、设备商、业主和油品供应商的多边沟通机制 – 确定风电行业齿轮油润滑技术标准 – 确定在用油的监控指标和换油标准 – 更长使用寿命 – 环境友好性
风机投产后的第2/3/4年是发生故障的高峰 期… 在投产后的第10年后故障发生的数目和风 机的数目都显著下降… 500kW和1MW以内的风机,其故障率明显低 于1MW以上的风机… 目前我国在运行的风机主体已经逐步进入故障 多发期。
▶ 齿轮箱不是最频发故障 的部件, 但却是导致停 机时间最长的部件…
▶ 机械类型的故障占到了 总故障数目的一半左 右…
风机设备润滑操作手册
• LubePlate
风机设备润滑用油铭牌
• LubeManagement 风机设备润滑管理软件平台
风机大型化
– 1.5MW至3MW早已成为主流机型 – 5MW以上机组技术也已经发展成熟 – 海上风机将趋于大型化
风力资源
– 陆上风力资源集中在北部，但剩余可发 展资源已比较有限
– 海上风能将成为未来主要发展方向之一
风机运行与维护
– 着重提高风机运行效率 – 专业化及标准化维护
变化负载下的保护能力
风力发电机轴承的工作特点
风力发电机常年在野外工作，工况条件比较恶劣 温度、 湿度和轴承载荷变化很大 冲击载荷大，要求轴承具有良好的密封和润滑性能、能够耐冲击 风机轴承装拆费用昂贵，要求轴承的高可靠性，一般20年寿命 发电机在2～3级风时就要起动，并能跟随风向变化，轴承结构需要进行
– 规定了检测项目及评价标准，例如粘度、添加剂消耗、磨损金属元素含量、清洁度、 水含量等；
– 检测频率为半年一次 – 规定了具体检测方法 – 推荐了具体的取样方法及程序 – 推荐了进行高级诊断时的检测项目及检测方法
壳牌业务介绍
• 2006到2010连续5年荣膺全球第一润滑油供应商 • 2010年全球润滑油市场份额第一，占13% • (source: Kline & Company) • 在超过100个国家开展业务 • 200多位润滑油技术研发人员 • 300多位润滑油一线技术顾问 • 1000多位专业销售人员 • 分布世界各地的润滑油脂调配厂 • 全球化的销售网络 • 研发中心的技术支持
风机主齿轮箱的润滑问题
现场发现的主齿轮箱润滑问题主要有： 齿面的微点蚀 − White Structure Flaking (白斑腐蚀），可能与齿轮油配方可能有关 − 齿轮材料及表面处理 泡沫和空气释放问题 − 齿轮箱设计，循环倍率 − 润滑油的抗泡沫特性 轴承损坏 – 污染控制 – 过滤精度、过滤系统设计与维护 粘度变化及沉积物生成 – 剪切稳定性、氧化稳定性 – 齿轮箱加热器的功率密度及控制逻辑 生锈和腐蚀 – 分水性能及添加剂对水污染的耐受性 – 防锈防腐蚀性能 低温启动困难 – 润滑油低温流动特性 – 低倾点并不足够
42% 25%
风机主齿轮箱的润滑特点
无论是陆上风机还是海上风机，地理位置都很偏远，同时工作的环境比较恶劣 – 维护困难：润滑油必须长期保持良好性能 – 低温：启动过程要求油品优异的低温流动性 – 部分地区季节温差可达70℃以上：要求润滑油具有高粘度指数 – 湿度变化大，特别是海上风机有加快腐蚀和锈蚀的可能
▶ 与润滑相关的机械故障 的比例相当之高…
欧洲三国风电机组故障数据统计分析结果比较
统计项目 单机平均故障数目
瑞典 0.4次/年
单机平均停机时间
52小时/年
单次故障停机时间 故障数最多的3个部件
170小时/次 1电气系统 2 传感器
3 叶片/变桨
停机时间最多的3个部件
1 齿轮箱 2 控制系统
3 电气系统
发电机轴承对润滑脂的要求
较宽的工作温度范围：-30°C 到 120°C
低启动扭矩 长的润滑间隔，并保证稳定运行
叶片轴承的润滑特点及问题
叶片轴承的工作特点
信号响应比较快，能够快速调整叶片角度 受环境温度影响比较大，工作温度范围大，能在极低温度下使用 负载较大，轴承微震动比较大，可能遭受微动磨损的严重影响
特殊设计以保证低摩擦、高灵敏度 风机轴承的设计、材料、制造、润滑及密封与一般工业轴承不同，都要进行 专门设计。
主轴承的故障及润滑问题
风机主轴承与润滑有关的故障 早期磨损问题
润滑脂基础油粘度不合适 润滑脂温度适应范围较窄 润滑脂稠化剂稳定性差 未按要求检查及维护润滑油脂 …… 零部件的生锈或腐蚀 润滑脂的防锈防腐蚀性能 维护间隔周期 润滑脂泄漏 密封件性能及与润滑脂的相容性 润滑脂的机械稳定性
风电机组润滑挑战及未来发展趋势
壳牌(中国)有限公司 电力行业产品应用专家 周思源 乌鲁木齐 2013.6.28
1
目录
润滑对于风电设备可靠运行的重要性 风机各部件的润滑特点及相关问题 未来发展趋势及挑战 风机润滑油技术规范 国外风机润滑油脂标准简介
润滑对于风电设备可靠运行的重要性
风机主齿轮箱的设计 – 紧凑的结构设计：更少的润滑油提供更好的保护，润滑油负荷指数增加(空气释放、热载荷…) – 齿面应力高：齿轮的表面质量和生产工艺对长换油周期非常关键 – 对轴承的润滑要求和苛刻的清洁度要求：采用更精细的过滤器
载荷变化 – 润滑状态不稳定：经常性的边界润滑状态，要求齿轮油具有非常好的承载能力
机械类型故障比例
55%
润滑相关机械故障比例
35%
芬兰 1.38次/年 237小时/年 172小时/次 1 液压系统 2 叶片/变桨 3 齿轮箱 1 齿轮箱 2 叶片/变桨 3 液压系统
65% 29%
德国 2.38次/年 149小时/年 62.6小时/次 1. 电气系统 2 控制系统 3 液压系统 传感器 1 发电机 2 齿轮箱 3 传动部件
总结 — 问题原因与对策
风机润滑的独特性 —— 很多润滑问题与润滑剂性能有关
独特性
气候条件：季节温差、多尘与潮湿环境 负载特性：变化载荷、不连续载荷、冲 击载荷 结构特性：结构更轻更紧凑
维护特性：维护周期长，局限性大 设计寿命：设计寿命20年，可靠性要求 更高
润滑油
低温流动性 粘度指数 极压抗磨性、抗擦伤性能、抗 点蚀性能、边界润滑性能
偏航轴承 Gadus S5 T460 1.5 偏航齿轮箱 Omala S4 GX 150/220/320
壳牌与风机制造商
壳牌风电润滑增值服务
• LubeAnalyst
风机设备油品状态监控
• LubeAdvisor
风机设备润滑咨询、故障处理和分析
• LubeCoach
风场维护人员技术培训
• LubeManual
维护特性
– 清洁度与过滤特性 – 长寿命
风电机组润滑油技术规范 — 现状
现有规范的概况：目前仅齿轮油有初步的技术规范，但基本是沿用普通工业 齿轮油的技术标准
类别 行业组织标准 国际/国家标准 齿轮箱制造商标准
主机设备商标准
专业认证机构规范
实例 AGMA/IEC ISO/DIN/GB Winergy/Flender/ SEW GE/Repower/Vestas
表面特性、散热性能
性能冗余度、清洁度与过滤特 性
抗氧化性能、承载能力
润滑脂
低温启动转矩 低温泵送性 承载能力、抗微动磨损、机械 稳定性
粘附特性、泵送性
粘附特性
承载能力
目前尚无统一的风机专用润滑油脂技术规范及风机维护技术规范。 符合普通工业标准的润滑油脂并不完全满足风机润滑的独特要求。
风机润滑 — 未来的趋势与挑战
风机典型润滑产品推荐
电机轴承 Gadus S5 V100 2
偏航开式齿轮 Malleus GL Malleus OGM
液压系统 Tellus S2 V 32 Tellus S4 VX 32
主轴 Gadus S5 T460 1.5
叶片轴承 Rhodina BBZ
主齿轮箱 Omala S4 GX 320
在用油的状态监测：
– 规定了检测项目及评价标准，例如粘度、添加剂消耗、磨损金属元素含量、清洁度、 水含量等；
– 对取样的方法及程序给出了一般性推荐
wenku.baidu.com 国外风机润滑油标准 — AWEA
AWEA “Operation and Maintenance Recommended Practices”该标 准定义了在用油的监测维护规范 在用油的状态监测：
国外风机润滑油标准 — IEC 61400/ISO 81400
该标准定义了对于新油的性能要求及在用油的监测维护规范
新油技术规范：基本性能以普通工业齿轮油标准(DIN 51517-3, ISO
12925 and AGMA 9005)为基础，但增加一些性能要求以更适应风机的运 行特点：
– 低温特性，规定了允许启动的最高动力粘度 – 更严格的齿轮承载能力试验，包括抗擦伤性能、抗点蚀能力 – 轴承承载能力及疲劳磨损试验 – 更严格的防锈性及抗腐蚀性能 – 粘度稳定性：剪切稳定性要求 – 清洁度及过滤性要求 – 更苛刻的泡沫特性
德国劳埃德船级社认证
特点 侧重于行业传统性能要求 侧重于普适性和产品性能 关注具体齿轮箱的特定润滑需求
关注于具体设备的适应性和可靠性
强调认证程序操作性
需要应对的挑战
− 性能指标零散性，一般关注于特定应用条件 − 过多强调理论值，缺乏实际应用表现的关联性 − 过多关注产品性能，忽视润滑维护规范要求 − 同质化较高，缺乏区分性
– 更好的边界润滑及抗点蚀性能 – 非传统配方，低硫添加剂 – 冲击负荷
极端低温严寒条件下的润滑可靠性
– 润滑油品的低温流动性 – 润滑油品的冬季免维护冗度 – 严寒条件下润滑性能保持性
润滑脂产品的润滑可靠性
– 聚脲基增稠剂 – 合成基础油 – 回转支撑轴承微动腐蚀特殊要求 – 专用润滑脂性能优于通用润滑脂
风电机组润滑油技术规范 — 趋势
未来发展趋势
– 充分消化吸收国际领先的润滑技术规范和标准，建立我国的国家标准 – 引入差异化性能测试标准，并建立与实际应用的关联性 – 针对实际应用确立台架测试方法和标准 – 在系统设计阶段引入润滑认证工作方式 – 针对应用建立润滑维护技术规范 – 充分发挥行业协会、设备商、业主和油品供应商的多边沟通机制 – 确定风电行业齿轮油润滑技术标准 – 确定在用油的监控指标和换油标准 – 更长使用寿命 – 环境友好性
风机投产后的第2/3/4年是发生故障的高峰 期… 在投产后的第10年后故障发生的数目和风 机的数目都显著下降… 500kW和1MW以内的风机,其故障率明显低 于1MW以上的风机… 目前我国在运行的风机主体已经逐步进入故障 多发期。
▶ 齿轮箱不是最频发故障 的部件, 但却是导致停 机时间最长的部件…
▶ 机械类型的故障占到了 总故障数目的一半左 右…
风机设备润滑操作手册
• LubePlate
风机设备润滑用油铭牌
• LubeManagement 风机设备润滑管理软件平台
风机大型化
– 1.5MW至3MW早已成为主流机型 – 5MW以上机组技术也已经发展成熟 – 海上风机将趋于大型化
风力资源
– 陆上风力资源集中在北部，但剩余可发 展资源已比较有限
– 海上风能将成为未来主要发展方向之一
风机运行与维护
– 着重提高风机运行效率 – 专业化及标准化维护
变化负载下的保护能力
风力发电机轴承的工作特点
风力发电机常年在野外工作，工况条件比较恶劣 温度、 湿度和轴承载荷变化很大 冲击载荷大，要求轴承具有良好的密封和润滑性能、能够耐冲击 风机轴承装拆费用昂贵，要求轴承的高可靠性，一般20年寿命 发电机在2～3级风时就要起动，并能跟随风向变化，轴承结构需要进行
– 规定了检测项目及评价标准，例如粘度、添加剂消耗、磨损金属元素含量、清洁度、 水含量等；
– 检测频率为半年一次 – 规定了具体检测方法 – 推荐了具体的取样方法及程序 – 推荐了进行高级诊断时的检测项目及检测方法
壳牌业务介绍
• 2006到2010连续5年荣膺全球第一润滑油供应商 • 2010年全球润滑油市场份额第一，占13% • (source: Kline & Company) • 在超过100个国家开展业务 • 200多位润滑油技术研发人员 • 300多位润滑油一线技术顾问 • 1000多位专业销售人员 • 分布世界各地的润滑油脂调配厂 • 全球化的销售网络 • 研发中心的技术支持