T/CSEE0068-2018《風力發電機組閉式齒輪箱機械化換油規程》解讀

孫玉彬 楊策 徐景東

隨著風電的發展以及在役機組的增加，新的風電技術也不斷涌現，風電機組齒輪箱換油技術即為其中之一。2014年，我國引入由美國油威公司（sage Oil Vac）研發的風電機組齒輪箱機械化換油系統（WindTurbine GearOil Exchange System）：因機械化換油具備人工換油無可比擬的優勢，2016年，我國風電機組齒輪箱換油由原來的人工換油全部變更為機械化換油。事實上，早在2013年，美國、加拿大、英國、西班牙、葡萄牙、巴西以及澳大利亞等國的眾多風電場業主、運維公司都已普遍采用了這種換油方式。2016年，我國商業化的機械化換油公司已有近10家。但是由于國內尚無相關標準對機械化換油進行規范，因而產生了一個突出的問題，即國內換油水平參差不齊，無法保證換油效果，給機組運行帶來安全隱患。因此，起草制定一個關于風電機組齒輪箱在用油機械化換油方面的標準是當務之急。

2018年12月25日，中國電機工程學會公告發布了T/CSEE 0068-2018《風力發電機組閉式齒輪箱機械化換油規程》。該標準由中國電機工程學會提出，中國電機工程學會風力與潮汐發電專業委員會技術歸口并解釋，由龍源（北京）風電工程技術有限公司、龍源電力集團股份有限公司、龍源內蒙古新能源股份有限公司、北京景誠東信動力科技發展有限公司、上海電氣風電集團有限公司、杭州前進齒輪箱集團股份有限公司臨江分公司、太原重工股份有限公司齒輪傳動分公司、上海凌勝新能源科技有限公司起草，于2019年3月1日實施。該標準的主要內容包括機械換油裝置、換油前準備、換油程序、換油現場整理、換油記錄與報告、換油驗收等。

關于標準主要內容的解讀

一、標準適用范圍

該標準規定了采用機械換油裝置進行換油的實施對象是風力發電機組閉式齒輪箱，包括動力傳動鏈的增速齒輪箱、偏航減速齒輪箱和變槳減速齒輪箱。T/CSEE 0068-2018沿用了GB/T 19073m2018《風力發電機組齒輪箱設計要求》中對于齒輪箱的定義，將風力發電機組動力傳動鏈的增速齒輪箱稱為“齒輪箱”，又根據GB/Z19414-2003《工業用閉式齒輪傳動裝置》，將風力發電機組動力傳動鏈的增速齒輪箱（簡稱為“齒輪箱”）、偏航及變槳減速齒輪箱統稱為閉式齒輪箱。這意味著該標準適用于風電機組齒輪箱、偏航及變槳齒輪箱在用油的更換。

二、機械換油裝置

（一）齒輪箱機械換油裝置

風電機組齒輪箱機械換油裝置一般由在用油排空系統、清洗油過濾系統、新油過濾系統、清洗油泵送系統等部分組成。為了保障換油工作效率，對排油系統工作時的最低流量、儲油容器材質及數量做了規定和要求。為了保證換油過程安全，防止發生事故，該標準對換油過程中各個系統的管路連接密封程度、排油、注油管路的抗爆指標和抗拉伸強度等都做了技術上要求。另外，也對換油裝置需要滿足的各種環境作業要求做了規定。

（二）偏航、變槳齒輪箱機械換油裝置

根據重慶重齒永進傳動設備有限公司制定的風電偏航和變槳減速器使用維護手冊（2010版）規定，偏航、變槳齒輪箱在500小時的運行磨合期后，應當進行換油，之后五年內不必換油（也可以根據油液檢測結果決定是否更換）?？梢灶A計，隨著在役機組服役年限的增加，偏航、變槳齒輪箱對換油的需求將越來越強烈。每臺機組有變槳齒輪箱三個，偏航齒輪箱三至四個。偏航、變槳齒輪箱人工換油非常麻煩，特別是變槳齒輪箱的換油。值得慶幸的是，國內已經研制成功了專門用于偏航、變槳齒輪箱的換油裝置，并且已經投入實際應用。因此，標準對偏航、變槳齒輪箱換油裝置也做了技術要求。偏航、變槳齒輪箱換油裝置，也像齒輪箱機械換油裝置一樣，由在用油排空系統、清洗油過濾系統、新油過濾系統、清洗油泵送系統等部分組成，具備在用油排油、清洗油過濾、新油過濾、清洗油泵送、新油泵送等功能，這樣就從換油裝置方面保證了換油效果。

三、換油前準備工作

一般說來，原則上不建議更換齒輪油牌號。但隨著技術的進步，新型的高性能齒輪油將不斷出現。因此，應用新型的高性能齒輪油對舊牌號進行替換在所難免。要更換潤滑油的牌號，原則上需要有齒輪箱制造廠的推薦。在沒有推薦的情況下，則必須具備幾個基本條件：一是新牌號的齒輪油必須符合相關的質量標準，滿足風力發電機組齒輪箱的使用性能要求：二是新牌號齒輪油的各項性能原則上要高于原用齒輪油的相關性能：三是已經在同型號風力發電機組中獲得應用。此外，由于在換油過程中很難保證100%清洗，這意味著極有可能殘留微量的舊油，因此，在更換新牌號的齒輪油前，還要做混油相容性試驗（兼容性試驗），即通過試用實驗，明確要應用的新牌號齒輪油與原用的舊牌號齒輪油是否兼容。如果殘留的舊油與新牌號的齒輪油不兼容，舊油就有可能與新油發生化學反應，破壞新油的配伍體系，從而使新油的性能無法滿足齒輪箱的使用要求。為了避免對新牌號齒輪油造成危害，需要采取必要的措施（比如在更換舊油時加入特種清洗劑）予以徹底清理。下面對混油相容性試驗的內容及通過標準做必要的說明。

兼容性試驗中試驗項目根據風力發電機組齒輪箱對齒輪油的使用性能要求、參考國標GB/T 33540.3-2017對齒輪油的質量要求和風力發電機組齒輪箱制造商Winergy執行的混油兼容性試驗方法、結合風電機組運行實踐中易于出現的問題編制而成。為了避免新牌號齒輪油因與微量殘留舊油不兼容而造成任何安全問題，必須采取嚴格的兼容性試驗標準，尤其是對于易出現問題的抗泡沫性能、極壓抗磨性能和抗微點蝕性能。兼容性試驗方案作為一種資料性附錄放在附錄A中，該試驗方案列出了檢測項目、試驗方法和通過標準。另外表A.1《兩種牌號新油的兼容性試驗方案》中的注1和注2分別對混油比例和部分試驗項目進行了注解。在注2中規定可選做FZG抗微點蝕試驗、FZG承載能力試驗、FZG低速抗磨性能試驗、FAG FE-8滾動軸承磨損試驗四個試驗項目中的至少兩個。之所以選做而不是全做，主要是因為這四個試驗項目試驗成本高，周期長。另外值得一提的是，此兼容性試驗不必每次換油時都做，只要在換油時提供已做試驗的數據即可。

四、兼容性試驗中的混油比例

混油比例規定為：新牌號齒輪油與原在用油的體積比為95%：5%。主要參考根據如下：

（一）美國安索公司（Amsoil）（該公司起草了采用機械換油系統風力發電機組的換油程序，這一換油程序成為美國風能協會推薦的風力發電機組齒輪箱機械系統換油程序）在其換油實踐中通過以下方法對舊油殘留率進行了計算：在將GE 1.5MW風力發電機組齒輪箱用油由嘉實多A320更換為Amsoil 320時，根據嘉實多A320齒輪油中含鉬而Amsoil 320齒輪油中不含鉬的事實，通過檢測新注入齒輪箱油中鉬元素的含量推算了殘油的含量，結論是舊油殘留率約為5%。

（二）北京景誠東信動力科技發展有限公司下屬的北安市慶華風電檢維修有限公司對55臺GE 1.5MW機組齒輪箱用油由嘉實多A320更換為Amsoil 320時，嚴格按四步換油程序進行，并采集油樣，檢測了舊油殘留率。檢測結果如圖2所示。

由檢測結果可知，換油（更換為Amsoil新油）完成并運行24小時后鉬元素平均含量為29.7ppm。

標準規定，殘留由三個部分組成：殘油、磨損鐵屑和油泥。鉬元素主要來源于殘油和殘存的極微量油泥。如果折合成潤滑油算，則舊油殘留率為29.7/599.9X100%=4.95%。

因此，以上檢測結果表明，在用的嘉實多A320齒輪油嚴格按照換油程序被更換掉時，其殘留率平均值為4.95%，接近5%。

當其他牌號的風力發電機組齒輪箱油沒有鉬元素以及其他便于測定的金屬元素時，其殘油率往往較難計算，但可以推測，嚴格按照換油程序換油，其他牌號的齒輪油像嘉實多A320-樣，其殘留率也應在5%左右（人工換油殘留率為20%-25%）。因此，在混油試驗中將新牌號齒輪油與原在用油的體積比設置為95%：5%是合理的。

五、兼容性試驗中的試驗項目

標準設置了以下幾個混油試驗項目應該考慮的方面：（1）外觀儲存：（2）運動粘度及粘度指數;（3）泡沫特性;（4）抗微點蝕性能：（5）膠合負載能力（承載能力）;（6）低速抗磨性能;（7）滾動軸承磨損試驗?？紤]這些方面的主要目的是：

（一）滿足風力發電機組齒輪箱專用齒輪油質量標準

國標GB/T 33540.3-2017《風力發電機組專用潤滑劑第3部分：變速箱齒輪油》對各種必要性能的質量標準都做了明確規定。

（二）保障風力發電機組齒輪箱安全運行

風力發電機組運行實踐表明，齒輪箱用齒輪油的抗泡沫性能、抗微點蝕性能及極壓抗磨性能是保障風力發電機組齒輪箱安全運行的重要性能，也是風電機組運行實踐中最容易出問題的性能。一旦出現問題，就容易發生嚴重磨損，導致部件失效，進而造成齒輪箱不能正常工作。

（三）避免舊油殘留對新牌號潤滑油產生不利影響

如果兩種各自具有一定配伍體系的潤滑油不兼容，那么這兩種潤滑油的添加劑成分有可能發生化學反應或者摩擦化學反應，相互破壞潤滑油的配伍體系，從而對抗泡沫性能、極壓抗磨性能及抗微點蝕性能都產生不利的影響。

六、兼容性試驗中試驗項目的通過標準

這些通過標準一部分是參考了GB/T 33540.3-2017的規定，如FZG承載能力試驗、FAG FE-8滾動軸承磨損試驗等。至于FZG抗微點蝕試驗采用的是DGMK FZG微點蝕簡易試驗程序（GFKT-C/8.3/90）（DGMK是Deutsche Gesellschaft farMineralolwissenschaft und Kohlechemie的縮寫，其對應英文是German Societyof Mineralogy and Coal Chemistry）。這個簡易程序是與FVA FZG微點蝕試驗程序FVA 54I-IV相一致的。該程序把潤滑油按承載能力分為高、中、低三個級別，分別表示為GFKT-High、GFKT-Medium、GFKT-Low。此外，FZG低速抗磨性能試驗沒有相應的國標：Flender泡沫試驗采用的是FZG試驗系列方法中的FZG C/0.05/90：120/12標準，參考并采用了相比國標更為嚴格的風力發電機組齒輪箱制造商Winergy關于齒輪箱用油標準（Wind Turbine Main Gearbox-OilQualification Standard）中有關兼容性試驗的Flender泡沫試驗標準。

七、換油程序

對換油程序提出嚴格要求，從程序上保證風力發電機組齒輪箱和變槳、偏航齒輪箱的換油效果。

（一）齒輪箱換油程序

根據美國風能協會（AWEA）推薦的風力發電機組齒輪箱換油程序，并結合國內的換油實踐經驗，規定了排空舊油、清洗和注入新油三個階段的程序，并分別對三個階段程序做了具體的要求。在此基礎上，規定了設置重復清洗程序的條件。也就是說，一般情況下需要采取三步換油程序，但在一定條件，需要設置重復清洗程序，即執行四步換油程序。需要設置重復清洗程序的條件如下：

（1）更換齒輪油牌號：

（2）在用油使用時間超過5年以上：

（3）在用油使用年限雖未超過5年，但經檢測表明在用油相關指標不合格需要更換的：

（4）其他必要的情況。

上面所列情況，意味著在絕大多數情況下都應該設置重復清洗程序，執行四步換油程序。

美國風能協會（AWEA）推薦的風力發電機組齒輪箱四步換油程序中的沖洗與清洗，在實際操作中是相同的，也就是說，沖洗與清洗是兩個重復的步驟。事實上，在換油實踐中，無法對整個齒輪箱內部的所有部位真正做到高壓沖洗，實際能做到的就是高壓注入清洗油后，使齒輪箱空載運轉以達到清洗的目的。

（二）偏航、變槳齒輪箱換油程序

標準規定了偏航、變槳減速齒輪箱一般的換油程序，即排空在用油、清洗齒輪箱、加注新油的三步換油程序。并規定在以下情況下，應設置重復清洗程序：

（1）更換齒輪油牌號：

（2）在用油使用時間超過5年以上：

（3）其他必要的情況。

由于偏航、變槳齒輪箱在用油使用時間通常都超過了5年，因此，大多數情況下也就采用四步換油程序，即需要設置重復清洗程序。

八、換油現場整理

風電場運行實踐證明，如果對換油現場不進行徹底整理，就會造成安全隱患。因此，必須在換油后，進行現場整理（比如將所涉及的齒輪箱端蓋蓋好擰緊，保證不漏油、不透氣;清理干凈工作臺面上所有油污和所產生的垃圾），杜絕安全隱患。為此，標準對換油商就換油完畢的換油現場提出了整理要求，以保證風力發電機組的運行安全。

九、換油報告與記錄

本章對換油商換油完畢需要出具的換油報告做了形式和內容上的要求，目的是借此證明實際換油操作與標準要求的換油程序的一致性及換油效果與標準的符合性，從而保證換油效果，保障風力發電機組齒輪箱的安全運行。

十、換油驗收標準

標準從技術角度，規定了換油后驗收的技術標準，也就是換油后連續運行24小時的在用油必須達到的性能指標。

（一）齒輪箱換油標準要求

1.新油清潔度

根據GB/T 19073或IEC 61400-4的規定，新油ISO 4406等級的清潔度要達到/14/11的要求，如表1所示。

2.換油后連續運行24小時在用油要求

換油完成后，在連續運行24小時風力發電機組齒輪箱中采集的新油樣，其清潔度、水分含量、酸值、元素含量和PQ指數等指標應滿足如表2所示的標準。

表2中，清潔度等級-/17/14是根據GB/T 19073關于連續運行時齒輪箱穩定的清潔度等級不低于-/17/14的規定而設定的。

關于鐵元素含量和PQ指數的驗收標準是根據當嚴格按照換油程序換油時所更換的在用油的實際測定結果而設定的。需要說明的是，鐵元素含量是采用ICP、按照ASTM D5185的方法測定的，而PQ指數則是采用英國Kittiwake公司產的FG-K15001-KW型鐵量儀并按該儀器說明書推薦的測定方法測得的。若采用其他型號的鐵量儀測定，可與該鐵量儀進行比對確定。換油實踐表明，只要嚴格按照換油程序進行，換油后連續運行24小時后在用油的質量指標不難滿足表2所列的指標要求。

（二）偏航、變槳齒輪箱換油標準要求

1.新油清潔度

根據GB/T 19073的規定，新油ISO 4406-99清潔度要達到-/17/14的要求，如表3所示。

2.換油后24小時在用油要求

換油完成后，在運行24小時風力發電機組齒輪箱中采集的新油樣，其清潔度、水分含量、酸值、元素含量和PO指數等指標應滿足如表4所示的標準。

表4中清潔度等級-/18/15是根據實際換油后測定的結果設定的。只要嚴格按照程序進行，滿足這個要求是不難的。

需要說明的是，PQ指數是采用英國KiRiwake公司產的FG-K15001-KW型鐵量儀并按該儀器說明書推薦的測定方法測得。若采用其他型號的鐵量儀測定，可與該鐵量儀進行比對確定。標準發布與實施的重要作用與實用價值

中國電機工程學會2018年12月25日發布的團體標準T/CSEE 0068-2018《風力發電機組閉式齒輪箱機械化換油規程》改變了我國沒有相關技術標準的現狀，其重要作用和實用價值主要體現在以下方面：

（1）該標準規定了換油過程的換油程序，從技術上保證了舊油殘留量被最大限度地減少以及舊油被徹底排除，避免了換油過程中新油造成二次污染的可能，保障了換油效果。

（2）該標準對換油過程進行了規范，消除了因換油不規范所造成的安全隱患。

（3）該標準規定了換油后的驗收標準，為換油服務商與業主達成一致的驗收意見提供依據，保障了換油效果與機組運行的可靠性。

結語

該標準的發布結束了我國關于風力發電機組齒輪箱機械化換油無標準可依的狀況。該標準對換油過程和換油效果進行了規范，從而保證了換油效果，保障了機組運行安全。作為團體標準的第一版，在實際運行過程中可能存在其他問題。因此，應根據在實際應用中發現的問題與不足，在以后的修訂版本中予以不斷完善、補充。