背 景
盡管這些年風電行業(yè)迅速發(fā)展，齒輪箱的可靠性得到提升，故障頻次有所降低，但是由于風機特殊安裝環(huán)境，經(jīng)常暴露于極端氣候條件下，經(jīng)歷異常的溫度、濕度和載荷考驗，周圍存在著各種各樣的污染風險。所以有時仍須停機消除齒輪箱故障，嚴重時甚至需將齒輪箱吊下塔架或返廠維修處理，相關(guān)花費視損壞情況在30萬~100萬元以上不等。且因吊裝成本高、處理時間長，風機必須停機，嚴重影響風電場效益。因此，提高動力傳輸系統(tǒng)的可靠性和延長齒輪箱的使用壽命對于降低機組運行成本非常關(guān)鍵。
主齒輪箱是風電機組的核心部件，設(shè)計壽命一般超過20年。據(jù)統(tǒng)計齒輪箱所有故障中80%都與油污染相關(guān)，潤滑油在齒輪箱潤滑系統(tǒng)中起著減少齒輪箱摩擦副之間的磨擦，降低磨損、油溫等重要作用，用來保持齒輪機構(gòu)的工效和延長使用壽命。因此，風機機組潤滑油的性能與狀態(tài)將直接影響到齒輪箱是否能夠長期安全和平穩(wěn)的運行，是齒輪箱系統(tǒng)可靠工作的重要保證 。
本文受篇幅所限僅從磨損及雜質(zhì)顆粒污染角度對0.1μm精濾必須性進行簡單分析，暫不考慮水分、酸值、漆膜等其他因素造成的綜合影響。
0.1μm過濾精度的價值所在
不同粒徑的顆粒對系統(tǒng)造成的影響是大相徑庭的。從下圖1中可以看出，90%以上的顆粒粒徑是在0~5μm之間的，而這其中＜1μm的占比又超過70%。目前市面上大多數(shù)的離線超精過濾絕對精度在3μm級別。然而，油膜邊界寬度約0.5μm，最為脆弱。而接近0.5μm的顆粒最具破壞性。如果不能控制這個尺寸的顆粒突破油膜，將會最終造成滾雪球效應(yīng)的指數(shù)性增長。
風機設(shè)備運行3-5年之后，往往會發(fā)現(xiàn)一些齒輪和軸承的磨損嚴重，這實際上就是沒有使用高精度過濾器，油品清潔度不夠理想所造成。美國Pall公司做的試驗結(jié)果表明，如果清除油液中與元件配合間隙相當尺寸的固體顆粒，可對系統(tǒng)產(chǎn)生良好的效果，滾動軸承的疲勞壽命延長了50倍，閥類元件的壽命提高5～300倍。瑞典SKF也做過有益的試驗：清除潤滑油中2~5μm固體顆粒，滾動軸承疲勞壽命延長10－50倍，清除潤滑油中＜1μm固體顆粒，只要滾動軸承安裝正確，且局部應(yīng)力低于設(shè)計的耐壓值，在此原則上軸承的壽命可無限長。因此細薄的潤滑油膜在設(shè)備的運轉(zhuǎn)過程中起到了支撐作用，設(shè)備運行在1μm的潤滑油膜上。
油系統(tǒng)中的磨損及顆粒污染
對于風電機組齒輪箱來說，硬度比較大的顆粒，如齒面磨損產(chǎn)生的磨粒，其危害性最強。但是大量的顆粒，不管硬度如何，對于軸承來說都是致命的。固體雜質(zhì)顆粒的另一個影響是對于齒輪油本身壽命的影響。金屬顆粒往往都是催化劑，能夠加速油品的氧化。油品氧化后產(chǎn)生的漆膜、油泥及其他酸性物質(zhì)反過來又會對金屬部件產(chǎn)生新的腐蝕。同時油品氧化后粘度增加也會增加齒輪箱的發(fā)熱，導(dǎo)致潤滑不良，造成新的磨損。下表中給出了固體顆粒雜質(zhì)對風電機組齒輪箱的主要危害。
固體顆粒是導(dǎo)致油系統(tǒng)中所有故障的重要原因。最有害的是凈尺寸與油系統(tǒng)中移動零件之間的動態(tài)公差相似或略大一些的顆粒。當沙塵等很小的摩擦性顆粒進入油系統(tǒng)時，會與油一起流入重要的機器組件，并卡在微小間隙中。這樣將導(dǎo)致在滾珠軸承等組件的表面產(chǎn)生微小的裂紋。負載和壓力循環(huán)會使得表面下面的裂紋擴展開來，導(dǎo)致金屬性能下降并釋放大型碎片。
過多的顆粒會增加油中的添加劑包的壓力。如果不控制顆粒污染，洗滌劑和分散劑可能會耗盡。在微粒污染方面的油清潔方式取決于機器組件的敏感程度、故障的代價高低，即更換零件的費用、停機費用、安全責任等。
顆粒計數(shù)和機器使用壽命評估
圖2是設(shè)備生命擴展表。該表描述了油品清潔度提高時預(yù)期使用壽命的延長。從圖3中我們可以看到風機齒輪箱的清潔度如果從ISO22/20/17降低至16/14/11，軸承的壽命將延長2.5倍。
下圖4顯示了油和燃料系統(tǒng)中的推薦 ISO 潔凈度水平。通過0.1μm精濾可以將油品過濾至14/12/10以下，軸承及齒輪的壽命將大幅延長。
▲ 圖4
關(guān)于油品過濾器的選擇
由于需要兼顧效率和經(jīng)濟性，通常首選玻璃纖維過濾器（在線過濾）和纖維素離線過濾器（離線過濾）。這兩種油過濾技術(shù)在恒定條件下運行最佳，即流量和壓力穩(wěn)定。纖維素深度過濾器通常放在一個單獨的離線回路中，也稱為腎循環(huán)過濾，在此類穩(wěn)定的條件下，它會保留住油中的大部分污染物。玻璃纖維壓力過濾器可以安裝在油冷卻回路中，或在油系統(tǒng)上游安裝為一個全流量“最后”過濾器。過濾器類型捕獲和保留細顆粒以及水分和漆膜的最佳方式是安裝離線過濾器。離線過濾器應(yīng)連續(xù)運行，每天多次循環(huán)系統(tǒng)中的油量。對于低壓力和低流速，可以選擇具有極細過濾精度（≤1μm）的高密度過濾介質(zhì)。大多數(shù)纖維素離線過濾器采用迷宮式過濾，就好像油穿過若干層纖維素的一個迷宮。最大顆粒將保留在濾芯表面上，而更小顆粒則進入濾芯并保留在過濾材料內(nèi)部，因此確保了較高的污垢容納量。這種類型的過濾器還可以安裝在旁路中，限制系統(tǒng)泵的壓力。使用纖維素離線過濾器還可以通過吸收或合并去除油中的水分，以及油泥/漆膜等油降解產(chǎn)物。
而我們今天的主角集億思“啄木鳥”GP3000系列離線油過濾器采用完全不同于迷宮式過濾的專利毛細管特殊過濾結(jié)構(gòu)，可以吸附0.1μm的微小顆粒，且不會堵塞（圖5）。結(jié)合“布朗運動”原理，通過過濾介質(zhì)的極性吸引去除油泥和漆膜等油降解產(chǎn)物。吸附和吸收的組合作用將油降解產(chǎn)物填充到每根纖維素纖維，直到濾芯完全飽和。GES的GPO濾芯有效過濾面積≥1200m2，根據(jù)不同情況，最多可保持約6公斤的污染，同時可吸附超過2600ml的水。
傳統(tǒng)在線壓力過濾器通常為玻璃纖維型過濾器，因為它們需要在高壓和高流量條件下運行，同時限制很少。為了增加表面積和減小壓降，會對濾芯進行折皺。因為它們安裝在主系統(tǒng)泵之后，所以在非常不利于任何過濾器的循環(huán)流量以及多次停止啟動的條件下，通常會非常耐用。因此捕獲和保留細粉顆粒是非常困難的，這也是為什么這些在線過濾器的額定值為10~30μm的原因。然而，當過濾器受到停止/啟動時的壓力沖擊時，很多已經(jīng)捕獲的顆粒會再次釋放。玻璃纖維壓力過濾器只能去除固體顆粒，且由于其相對較小的過濾器深度和體積，它的污垢容納量有限，一般僅為1~100g。而且無法吸收水分，也無法保持住油泥和漆膜等降解物。現(xiàn)代風機齒輪油系統(tǒng)通常會組合兩個清潔系統(tǒng)，其中離線過濾器去除污染，在線壓力過濾器則作為重要組件之前的安全或“最后”過濾器。
在歐美很多風機廠家及客戶已經(jīng)標配了超精離線過濾器。我國于2018年9月發(fā)布的國標GB/T19073-2018/IEC 61400-4：2012中（下圖）也對增加離線式過濾系統(tǒng)進行了重點推薦。相信隨著風機技術(shù)的進步，業(yè)主對設(shè)備穩(wěn)定運行要求的不斷提高，在不遠的將來高精度離線過濾器必然成為我國風電機組的標準產(chǎn)品。
▲ GP3525超精過濾系統(tǒng)
集億思“啄木鳥”GP3000系列超精過濾系統(tǒng)，單一濾芯可以同時去除污染雜質(zhì)、不同類型顆粒、水分、漆膜降解物、抑制酸值，對油品添加劑無影響。0.1μm超高精度過濾可使油品長期處于≤ISO14/12/10（NAS3）標準，大幅延長油品及設(shè)備壽命，降低部件損耗。特殊條件下甚至終身無需換油，可以為用戶節(jié)約高昂的油品采購費用。
使用GES-GP3000系列超精過濾系統(tǒng)，相應(yīng)“雙碳”目標，廢油零排放。大幅降低風機全壽命周期綜合維保相關(guān)費用，平價時代保障風機穩(wěn)定運行，提高發(fā)電量。
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