风力发电设备油液监控技术

风力发电设备油液监控技术美国斯派超公司2012年4月交流内容•风力发电设备油液监测的意义•油液监测的关键指标与手段•美国斯派超公司简介•斯派超公司油液测试设备及方案介绍•参考资料第一部分风力发电机油液监测的意义风力发电设备及其运行维护特点•风力发电机组设备昂贵•工作环境恶劣，大多在山谷旷野处和近海地区的，风机及其零部件维修、更换成本高•现场不便对主要部位进行拆卸维修•确保可靠稳定的长周期运转，是最机组根本运行条件•要求风力发电机组具有极高的可靠性•要注重风力发电机组平时的维护，而不是维修•自从2000年左右欧美的风机大量出现发电机故障，表现为润滑脂干涸、变色，发电机轴承严重磨损，导致风机停转，造成大量经济损失•案例：丹麦MICON公司曾因齿轮箱故障导致公司亏损，最宣布破产被VESTAS收购。风力发电设备的故障统计•风能设备投资成本高，根据美国斯坦福大学的调研，以1.5MW的风力发电机组的单位发电成本计算，每年的运行和维护成本约占18％•风能设备中各个机械传动系统的故障维护、维修费用占整机的50%以上。•随着风电市场向大风机、高海拔及海上市场的发展，单机及关机零部件的维修更换成本成倍增加。风电设备传动系统的失效因素据广州机床科学院统计：•属于安装方面的原因占16%，•属于污染方面的原因占16%，•属于润滑方面的原因占34%•属于材料疲劳方面的原因占34%•使用中70%以上的齿轮和轴承达不到预定寿命。提高风电设备的可靠性-状态监测•目前，设备监测技术主要表现为：油液监测、震动监测及其温度监测。•由于其监测内容的不一样，其监测范围也不尽相同。提高风电设备的可靠性-状态监测时间设备状态主动式+预见式预见式被动式功能性失效(紧急停机)FP失效监测故障起点驱动源:•污染物•装配•平衡•紧固件松脱•不良润滑一般而言，基于油液监测的设备状态监测能够更早、更全面的对设备故障隐患进行定位，降低维修、故障成本。风力发电设备的润滑系统润滑系统：•齿轮箱•主轴承•发电机轴承•叶片轴承•偏航系统•液压刹车系统油液监测的内容•油液监测主要包含三个部分（又称：油液监测铁三角）。•润滑状态监测：润滑有本身的物理化学性能。保证润滑良好的润滑效果，降低磨损，提高设备的可靠性。•磨损监测与分析：监测风电设备磨损状态，通过磨粒的成分、浓度、大小及其密度对磨损程度、趋势及其原因进行监测分析。•污染物监测：生产、运输、使用过程产生的的杂质、水等。•同时，油液监测还可以作为失效分析的工具，定位设备故障的诱因及其设计中的薄弱环节，协助设计人员改进设计，进一步提高设备的可靠性。油液监测技术的效用•减少维护费用•及早发现问题，遏制二次损害，避免设备报废•提高风电设备利用率•避免不可预见的故障及当机•提高安全系数•避免致命故障•减少润滑油用量•延长润滑油更换周期,减少润滑油的更换、过滤及回收费用•延长机械设备的使用寿命•更好的内部管理及维护实践经验壳牌石油公司对机械故障作了分类统计：在柴油机中，30%的故障是由于污染造成的，其中50%是由于磨损造成的。对于齿轮来说，75%的故障是由于润滑不当、外来污染、腐蚀、轴承失效、维修不足和连续或短暂的超负荷运转造成的；其中51%的故障是与磨损有关，49%的故障是与过载有关。对于滚动轴承来说，40%的故障是由于润滑不当造成的，其中有10%的故障是在轴承正常疲劳寿命期内发生的。英国流体协会的液压系统寿命研究表明：液压油清洁度为10/7时的系统寿命为24/21时的系统寿命的100倍。SKF的轴承寿命研究表明：轴承润滑的污染状况可使轴承的寿命相差500倍。油液监测技术在风电行业的应用•油液监测技术已经有70多年的历史，在军方、船舶、电力、矿山等重工行业早已得到广泛应用。•丹麦能源局2002年颁布了风力发电机技术指导，美国国家标准协会（ANSI）、美国齿轮制造商协会（AGMA）、美国风能协会（AWEA）联合制定了ANSI/AGMA/AWEA6006-A03风力发电机用齿轮箱的设计与规格的标准。其中对润滑油脂的维护与监测都有具体的要求。•美国可再生能源协会（NREL）成立了专门的油液监测部门，专注于风力风险机油液分析技术及其标准的研究。•国内部分业主、整机厂及齿轮箱厂，已经成立了专门的分析实验室，以提高风机的可靠性。•龙源集团在北京的油液监测实验室•金风在西安总装厂设立的油液监测实验室•大唐正在筹划其针区域油液监测中心•实际上，各个关键零部件（齿轮箱、轴承、液压系统等）的OEM厂商、整机厂及其业主都早已开始了油液监测技术实践，多数厂家是通过第三方实验室及其润滑油厂商处获取监测结果。第二部分油液监测的关键指标与手段油液监测铁三角检测内容1.润滑状态•在用油的理化特性(老化过程)2.污染物•对油液及设备可造成破坏的污染3.机械磨粒•磨粒的识别、计数和分类测试项颗粒计数水分粘度铁元素密度分析铁谱酸、碱度红外光谱油膜测试闪点元素分析主动式主动式预见式获益高获益低无意义油液监测的关键指标（1）•元素分析:判断磨损发生的部位以及监控磨损趋势.•Fe,Cr,Ni主要来自滚动轴承和齿轮•Cu,Pb或Al,Si主要来自滑动轴承•K,Na,Si,B主要来自冷却剂和添加剂•Na,V,Al,Si主要来自燃油泄漏•Na,Mg,Ca表明海水污染•理化特性定量分析:在空气,热,金属颗粒剪切运动和水汽的共同作用下油液会发生氧化,硝化,硫酸化和聚合化，同时粘度、倾点等指标也会随之变化。理化分析内容繁多：•粘度•水分•总酸、总碱•闪点•倾点•硝化•氧化•机械杂质•积碳•乙二醇•阻燃性•抗泡性•等等。。。油液监测的关键指标（2）•磨粒及污染颗粒的总量:判断磨损及污染的严重程度，以及液压油的污染程度,。同时，通过判定磨损及污染元素的几何形态(Morphology)-形状,纹理,光泽等可以判断磨损的机理,主要是•严重滑动磨损•切削磨损•接触疲劳磨损•一般正常磨损•添加剂的损耗:过滤,蒸发,水解,泄漏都会造成添加剂的损耗而使油液丧失原有的功能.•同时，也可以通过目测对润滑油及润滑状况进行监测•颜色•油位•其他针对润滑油本身的润滑性能的测试（多用在对润滑油进行技术评估过程中）：铜片腐蚀，剪切稳定性，抗氧化性、起泡性，防锈性、刮擦符合、四点腐蚀等。润滑油监测的关键手段（1）•元素分析。元素分析一般通过原子发射光谱（AES）分析的方式实现。原子在特定状态下激发（受热、光照等），每个元素发射出不同波长的（也可能是集中波长的集合）特征谱线，光谱仪通过识别特征波长下光谱强度，对元素成分机型量化。该方式一般只能监测10um以内的金属杂质的浓度。根据激发方式的不同，目前，可应用于油液测试的原子发射光谱分析仪分为以下几类：•电弧激发（RDE旋转电极），该方法对使用环境要求较低，同时具备较高的精度，在油液监测领域应用广阔。•电感耦合激发（ICP）。该方法精度较高，但对实验室环境及操作者要求较高，要求提供氩气等惰性气体•X光激发（XRF），在油液测试领域应用有限•理化特性分析。相对与不同种类的润滑油的理化特性，所测试的指标不尽相同。除某些特定指标（比如粘度，需采用特定的粘度计），目前主要有传统的理化分析法（如滴定法，蒸馏法等）和红外光谱法两种分析手段。采用红外光谱法（分析吸收光谱）进行理化分析，极大简化了分析仪器的种类和数据处理过程，样品量少，不使用有毒有害物质，快速、准确、重复性好，提高了分析效率。如今红外光谱技术已广泛应用于油液分析实验室，成为一种主流油液监测手段。同时ASTM也发布了相应的标准。润滑油监测的关键手段（2）•磨粒及污染物分析：通过原子发射光谱或者红外光谱测量磨粒或污染物在某种程度上受到了限制（特别是大尺寸颗粒）。目前专门用于磨粒分析的设备主要分为两类：•磨粒计数器/磨粒分析仪。一般仪器只起到磨粒计数的功能，专业化的设备除了自动计数之外，还能针对磨粒的形貌提供自动分类（比如按照失效原理），也能识别出金属和部分非金属元素。同时,有经验的操作者可以通过磨粒形貌（失效特征）判定出失效部位。•铁谱仪。包含分析铁谱仪和直读铁谱仪两种，该技术能同时识别大颗粒（5um以上）的形貌和成分。但操作繁琐，对使用者要求极高。•添加剂的衰减。目前一般使用化学方法或色谱法，部分红外光谱仪可针对特定的添加剂做定性或定量测量。•其他针对油液本身性能的测试，如：铜片腐蚀，剪切稳定性，抗氧化性、起泡性，防锈性、刮擦负荷、四点腐蚀等，这些监测项一般不用做设备监测的判定标准。如有需要，建议寻求专业实验室的支持。第三部分美国斯派超公司简介公司概况•成立于1981年5月•总部位于美国马萨诸塞州波士顿市•提供全球机械设备油液分析及润滑油状态监测全套方案的领导者•历年来，为行业标准的建立贡献力量，包含磨粒图谱以及目前广泛使用的许多关键技术•覆盖全球100多个国家的销售网络•获得ISO9001:2008质量管理体系认证核心竞争力机械设备状态检测专家油液分析的全套解决方案特色化的产品油液的理化特性及磨粒（碎屑）分析是机械设备预测性维修养护的关键技术手段。油液测试行业的多年技术积累在用油分析仪器行业的领导者军工炼油分析实验室采矿发电设备制造航空铁路汽车全球化的客户基础业务范围覆盖全球100多个国家，1000多家各行业的客户全球合作伙伴第四部分斯派超公司油液测试设备及方案介绍油液分析的全套解决方案油液分析实验室全套解决方案包含实验室管理软件红外光谱仪粘度计便携式油液检测方案操作简便，快速油液监测SpectroM系列元素分析直读光谱仪（1）•三个产品型号M/C-W,M/N-W及M/F-W•SpectroM系列是采用旋转电极技术（RDE）的原子发射光谱仪，用来测试油液中不溶解的或悬浮的细小颗粒的元素成分，能够在30秒内完成20多个元素的测量，设备经久耐用。•产品特点：•操作简便，无需专业培训或专业背景•油样无需处理，直接测量•SpectroM/N-W是全球唯一一款获得美国军方JOAP认证的油料光谱仪•准确测量润滑油、汽轮机油、柴机油等油液中相关元素的含量•提供测量润滑油、冷却液、水中的燃油、硫或者大尺寸颗粒的选项（AFS）•遵循ASTMD6595，D6728标准•可实现自动化测量SpectroM系列元素分析直读光谱仪（2）测试原理标准配置下，测量出的元素及范围不同元素的测试精度•最多可以同时测量32个元素•配有标油，供日常校正•对实验室环境无特殊要求•220V交流电源•占地面积小Q100系列元素分析直读光谱仪•测量范围及精度与SpectroM相同•专门面向工业客户设计•沿用SpectroM系列的软硬件平台，是采用旋转电极技术（RDE）的原子发射光谱仪，用来测试油液中不溶解的或悬浮的细小颗粒的元素成分，能够在30秒内完成20多个元素的测量，设备经久耐用。•采用CCD技术，提供精确的光谱分析•产品特点：•操作简便，无需专业培训或专业背景•油样无需处理，直接测量•遵循ASTMD6595，D6728标准•标准配置下，可测量22重元素，最多可测32中元素LNFQ200磨粒分析仪（1）LNF磨粒分析仪是一款基于识别油液中磨粒形貌及数量来定位失效的多功能设备LNFQ200磨粒分析仪（2）•产品特点：•多功能：颗粒计数、颗粒分类、颗粒形貌分析•可识别金属与非金属元素•提供磨粒趋势、ISO、NAS及NAVAIR清洁度指数•内置磨粒识别及分类算法（市面上唯一一款）•提供所有大于20um的颗粒的形貌图•光源自动调整，能够对高污染油样（柴机油）进行准确测量。•同时提供积碳(%)及游离水（PPM）定量测试结果•提供动态粘度测试（cSt）•专利技术，遵循ASTMD-7596标准•最小识别尺寸5umQ300/Q310动态粘度计•油池容积：7.5升/池•测试方法：光纤法•温度范围：-20-110摄氏度•温度稳定性:-20-100ºC±0.01ºC,100ºC±0.03ºC•取样量：0.3-0.8ml•溶剂消耗：2-3ml•测量范围：1-3000cSt.•计时器精度：0.0025sec.•实验室要求：压缩空气air5-6Bar(清洗S形管用）•测试速度（双池