礦物油組分生產(chǎn)風(fēng)電齒輪油的可行性分析

張美瓊，柯友勝，張霞玲，王凱明，王燕

(中國(guó)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(jì)是可再生能源的世紀(jì)，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(lái)越受到世界各國(guó)人民的歡迎和重視。同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)相對(duì)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(kāi)發(fā)利用價(jià)值的可再生能源。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理為：空氣流動(dòng)的動(dòng)能作用在葉輪上，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸通過(guò)變速箱相連，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要的潤(rùn)滑部位包括齒輪箱、發(fā)電機(jī)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(jī)通常為27 r/min)變?yōu)楹芨叩陌l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速(通常為1500 r/min)，它是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要潤(rùn)滑部位，用油量占風(fēng)力發(fā)電機(jī)用油量的3/4左右。目前國(guó)內(nèi)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組齒輪油(簡(jiǎn)稱風(fēng)電齒輪油)的年需求量約為1500 t左右，到2020年，國(guó)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量將達(dá)到3×107kW，齒輪油的年需求量將達(dá)到6000 t左右[1]。

目前，市場(chǎng)上風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪油大多為合成油，但合成油價(jià)格昂貴，如果能研制出礦物型產(chǎn)品替代合成油，在經(jīng)濟(jì)成本方面，對(duì)風(fēng)電設(shè)備用戶來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一大喜事，同時(shí)也拓寬了煉油行業(yè)的產(chǎn)品范圍。不過(guò)，在研制產(chǎn)品前，非常有必要對(duì)風(fēng)電齒輪油行業(yè)中應(yīng)用礦物油的可行性進(jìn)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(diǎn)

風(fēng)電設(shè)備運(yùn)行具有與其他設(shè)備運(yùn)行不同的特點(diǎn)[2]：首先，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)主要集中在風(fēng)能資源豐富的偏遠(yuǎn)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，位于沿海或海上的風(fēng)電機(jī)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(yùn)行特點(diǎn)是低轉(zhuǎn)速、高扭矩，且負(fù)載不穩(wěn)定；還有，風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)備造價(jià)昂貴，且大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的塔筒高度通常在50～100 m，設(shè)備較高，現(xiàn)場(chǎng)不便對(duì)主要部件進(jìn)行拆卸維修，因此設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)齒輪箱使用壽命、承受負(fù)荷等提出較高的要求，相應(yīng)地，對(duì)其所用的齒輪油要求較高?；陲L(fēng)電機(jī)組設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)擔(dān)負(fù)潤(rùn)滑作用的風(fēng)電齒輪油具有如下嚴(yán)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(zhǎng)的使用壽命，同時(shí)還應(yīng)具有較低的摩擦系數(shù)以降低齒輪傳動(dòng)中的功率損耗[3]。因?yàn)檫@些嚴(yán)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(diǎn)有：黏度指數(shù)更高，受溫度變化的影響?。坏蜏匦阅芎蜐?rùn)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(dòng)時(shí)潤(rùn)滑油不到位的風(fēng)險(xiǎn)。

風(fēng)電機(jī)組在極高溫、極低溫、超重負(fù)荷等嚴(yán)苛工況以及有基他特殊要求的工況時(shí)，合成油可以為齒輪提供最優(yōu)的保護(hù)。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(jī)遇

當(dāng)然合成油也有一些劣勢(shì)，其中最主要的就是相比礦物油而言較高的價(jià)格以及可能存在的密封材料兼容性問(wèn)題，這讓很多人一直在猶豫是否該選擇合成油。同時(shí)，有些用戶機(jī)型和使用地區(qū)環(huán)境溫度對(duì)產(chǎn)品要求不是很苛刻，可以使用礦物油或半合成油來(lái)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(lái)了良好的契機(jī)。

2 市場(chǎng)上風(fēng)電齒輪油的產(chǎn)品類型

通過(guò)資料調(diào)研發(fā)現(xiàn)，中國(guó)石油“昆侖牌”和中國(guó)石化“長(zhǎng)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(jiàn)文獻(xiàn)資料報(bào)道礦物型產(chǎn)品的具體應(yīng)用情況。

2.1 中國(guó)石油“昆侖牌”

昆侖風(fēng)電設(shè)備專用齒輪油根據(jù)用戶機(jī)型、使用地區(qū)環(huán)境溫度及風(fēng)電廠經(jīng)濟(jì)狀況，開(kāi)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(jià)比優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品，與市場(chǎng)上最具代表性的某國(guó)外產(chǎn)品按照重負(fù)荷工業(yè)齒輪油的要求進(jìn)行了主要性能的分析評(píng)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(guó)外同類產(chǎn)品的性質(zhì)；而且風(fēng)電主齒輪箱的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明FD2000具有優(yōu)良的各項(xiàng)性能，且低溫性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)外產(chǎn)品[4]，這說(shuō)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(jī)齒輪油。

2.2 中國(guó)石化“長(zhǎng)城牌”

近年來(lái)，中國(guó)石化潤(rùn)滑油公司研發(fā)生產(chǎn)出的適合風(fēng)電行業(yè)使用的潤(rùn)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(yùn)動(dòng)黏度可分為150、220、320、460等牌號(hào)，可滿足中國(guó)不同地域、不同環(huán)境溫度的使用要求，具有抗微點(diǎn)蝕特性，適用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增速箱齒輪、偏航齒輪、變槳齒輪等的潤(rùn)滑需求。

中國(guó)石化的“長(zhǎng)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(fù)荷工業(yè)齒輪油典型數(shù)據(jù)

2.3 國(guó)外品牌

國(guó)外品牌，如美國(guó)美孚和德國(guó)科寧等均為合成潤(rùn)滑油系列。

從資料調(diào)研可以看出，市場(chǎng)上風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)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(biāo)

根據(jù)資料調(diào)研，風(fēng)力發(fā)電齒輪油比較常見(jiàn)的黏度級(jí)別是ISO 220和ISO 320，其中發(fā)電機(jī)制造商指定的齒輪油黏度等級(jí)最常見(jiàn)的是ISO 320。目前，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一的風(fēng)電行業(yè)潤(rùn)滑劑標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)文獻(xiàn)資料中的國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品性質(zhì)水平，本文制定了產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)，如表3所示。

表3 風(fēng)電齒輪油主要質(zhì)量指標(biāo)和試驗(yàn)方法

從表3可以看出，風(fēng)電專用齒輪油對(duì)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(diǎn)蝕性能，要求通過(guò)FZG試驗(yàn)機(jī)的苛刻測(cè)試，一般要求抗微點(diǎn)蝕能力FZG大于10級(jí)，抗刮傷負(fù)載能力FZG大于14級(jí)。根據(jù)資料調(diào)研，抗微點(diǎn)蝕能力可通過(guò)添加具有抗微點(diǎn)蝕性能的極壓抗磨劑得到提高。

3.2 實(shí)驗(yàn)室研制工作

實(shí)驗(yàn)室篩選兩種或兩種以上的礦物油組分進(jìn)行調(diào)合，調(diào)合基礎(chǔ)油的黏度指數(shù)、傾點(diǎn)、閃點(diǎn)等基礎(chǔ)性質(zhì)滿足表3的要求，對(duì)添加劑進(jìn)行篩選、評(píng)定，可以研制出滿足表3質(zhì)量指標(biāo)要求的風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪油，整個(gè)研制過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)歸納總結(jié)如下。

3.3 技術(shù)難點(diǎn)分析

3.3.1 市場(chǎng)調(diào)研工作

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

文獻(xiàn)資料調(diào)研發(fā)現(xiàn)，中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心和中國(guó)石化潤(rùn)滑油公司均研究開(kāi)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(jìn)行市場(chǎng)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(píng)價(jià)反饋，以及了解用戶對(duì)礦物型產(chǎn)品的需求和期盼度。

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

3.3.2 改善抗微點(diǎn)蝕性能

微點(diǎn)蝕是細(xì)微的滾動(dòng)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(dòng)和滑動(dòng)接觸、油膜較薄的條件下出現(xiàn)，雖然微點(diǎn)蝕不是一個(gè)新的現(xiàn)象，但是多年以來(lái)人們一直只將肉眼可見(jiàn)的宏觀點(diǎn)蝕作為齒輪失效的主要原因，而對(duì)微點(diǎn)蝕的危害缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，而實(shí)際上微點(diǎn)蝕的危害很大。越來(lái)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(diǎn)蝕的工業(yè)齒輪油[5-6]。

抗微點(diǎn)蝕性能是風(fēng)電專用齒輪油最關(guān)鍵的性能，此項(xiàng)性能通過(guò)FZG試驗(yàn)機(jī)的苛刻測(cè)試來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)表征，一般要求FZG抗微點(diǎn)蝕能力大于10級(jí)。

影響齒輪抗點(diǎn)蝕或抗微點(diǎn)蝕的主要潤(rùn)滑油指標(biāo)是摩擦系數(shù)。當(dāng)摩擦系數(shù)減少一半，其抗微點(diǎn)蝕負(fù)荷能力增加1.7倍。相對(duì)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(diǎn)蝕性能[6]，這是礦物油的劣勢(shì)。

不過(guò)，礦物油的抗微點(diǎn)蝕能力可通過(guò)添加具有抗微點(diǎn)蝕性能的極壓抗磨劑或抗微點(diǎn)蝕添加劑得到提高。中國(guó)石油蘭州潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心在發(fā)明礦物型和半合成型抗微點(diǎn)蝕齒輪油時(shí)，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(diǎn)蝕添加劑[6]，研制出了抗微點(diǎn)蝕性能滿足要求的產(chǎn)品。

在實(shí)驗(yàn)室研制過(guò)程中，為了篩選出使用性能好的抗微點(diǎn)蝕添加劑，需對(duì)現(xiàn)有的抗微點(diǎn)蝕添加劑的種類和性能進(jìn)行大量市場(chǎng)調(diào)研，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室的評(píng)選工作，此項(xiàng)工作量較大，是研制礦物型風(fēng)電齒輪油工作中的難點(diǎn)之二。

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

眾所周知，合成油價(jià)格較高。通過(guò)市場(chǎng)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(guó)石油國(guó)中石化的合成型風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪油價(jià)格為10.6萬(wàn)元/噸，美孚殼牌的合成型風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪油價(jià)格為12.9萬(wàn)元/噸。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室研制方案的經(jīng)濟(jì)成本估算，礦物型風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪油的市場(chǎng)價(jià)格約為1.2～2萬(wàn)元/噸，比合成型產(chǎn)品便宜很多。對(duì)產(chǎn)品要求不是很苛刻的用戶機(jī)型和使用地區(qū)來(lái)說(shuō)，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(jì)成本。

5 結(jié)論

相對(duì)于合成油，礦物油在經(jīng)濟(jì)成本、與密封材料兼容性上有優(yōu)勢(shì)，而且有些環(huán)境對(duì)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(lái)了良好的契機(jī)。市場(chǎng)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(jiàn)資料報(bào)道礦物型產(chǎn)品的具體應(yīng)用案例。

實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了基礎(chǔ)油篩選和添加劑評(píng)選工作，可以研制出滿足ISO 220和ISO 320質(zhì)量指標(biāo)要求的礦物型風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪油。

在整個(gè)研制過(guò)程中的難點(diǎn)為：在研制產(chǎn)品前，需市場(chǎng)調(diào)研了解不同用戶機(jī)型、不同環(huán)境溫度下對(duì)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(duì)抗微點(diǎn)蝕添加劑進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研以及實(shí)驗(yàn)室評(píng)選工作，工作量較大。

礦物型風(fēng)力發(fā)電機(jī)齒輪油比合成型產(chǎn)品便宜很多，大大節(jié)約了經(jīng)濟(jì)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(duì)采用礦物油組分研制風(fēng)電齒輪油進(jìn)行了探索和可行性分析工作，目的在于：希望科研單位進(jìn)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(shì)和劣勢(shì)，而且在進(jìn)行相關(guān)科研工作時(shí)能有一定的技術(shù)支撐。