风电齿轮油中水分测定方法研究.pdf
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1、第 52 卷 第 8 期 Vol.52 No.8 2023 年 8 月 THERMAL POWER GENERATION Aug.2023 收 稿 日 期:2023-01-11 基 金 项 目:2021 年度西安热工研究院有限公司行业及团体标准研究与编制(HNBZ21-H001)Supported by:2021 Xian Thermal Engineering Research Institute Co.,Ltd.Industry and Group Standard Research and Preparation(HNBZ21-H001)第一作者简介:冯丽苹(1975),女,正高级工程师
2、,主要研究方向为电力用油(气)技术,。DOI:10.19666/j.rlfd.202301007 风电齿轮油中水分测定方法研究 冯丽苹,尹文波,龙国军,王 娟,刘永洛,王笑微,谢佳林,安毅坤,朱春红,陈愿媛,孙世俊(西安热工研究院有限公司,陕西 西安 710054)摘要通过对现有油中水分检测方法原理和齿轮油的组分及其水分监督需求的分析,发现现有方法均无法准确快速检测齿轮油中的水分。以风电用新齿轮油和运行齿轮油为研究对象,通过条件选择性试验、结果准确性研究和精密度测定,给出了可准确快速检测齿轮油中水分的方法。该方法采用卡氏加热炉和卡尔费休库仑法水分分析仪联用,以压缩氮气或空气为载气,载气经分子筛
3、干燥后,通过套筒气针进出密闭的含有 1 g 油样和 1 mL 正庚烷测量瓶,在 150 下加热测量瓶分离、转移油样中水分,使其进入卡尔费休水分分析仪中进行检测。该方法标定结果与外加水的理论值的偏差在5%以内,精密度的重复性不超过0.70 x0.604 mg/kg,再现性不超过 0.64x0.714 mg/kg。关键词风电;齿轮油;水分;测定 引用本文格式冯丽苹,尹文波,龙国军,等.风电齿轮油中水分测定方法研究J.热力发电,2023,52(8):156-161.FENG Liping,YIN Wenbo,LONG Guojun,et al.Study on the determination m
4、ethod of water content in wind turbine gear oilJ.Thermal Power Generation,2023,52(8):156-161.Study on the determination method of water content in wind turbine gear oil FENG Liping,YIN Wenbo,LONG Guojun,WANG Juan,LIU Yongluo,WANG Xiaowei,XIE Jialin,AN Yikun,ZHU Chunhong,CHEN Yuanyuan,SUN Shijun(Xian
5、 Thermal Power Research Institute Co.,Ltd.,Xian 710054,China)Abstract:Through the analysis of the principle of the existing methods for determination the water content in oil and the components of gear oil,as well as monitoring needs of water content in gear oil,it is found that the existing methods
6、 can not accurately and quickly detect the water content in gear oil.the new gear oil and running gear oil for wind power was selected as experiment object,through study of selection of test conditions and the accuracy of the results,it is found a method that can accurately and quickly detect the wa
7、ter content in the gear oil.This method is a combination of the Karl Fischer coulometry water analyzer and the heating furnace.With compressed nitrogen or air as the carrier gas,after the carrier gas is dried through the molecular sieve,it cross the sealed test bottle containing 1g oil sample and 1m
8、L n-heptane by the sleeve air needle,Heat the bottle at 150,and transfer the water in the oil sample to enter the Karl Fischer water analyzer for detection.Key words:wind turbine;gear oil;water content;determination 在全球应对气候变化的大背景下,减少碳排放已成为各国共识。作为碳排放主要来源之一,2020 年电力和热力生产过程产生了全球接近 40%的碳排放1,发展可再生能源、提高清洁
9、电力供应比例,已经成为实现碳中和的有效手段。风电作为可再生能源的重要利用形式,近年来全球范围内的装机容量稳步快速增长。据国际能源署(IEA)统计,全球风电装机占电力总装机比例已从 2010 年的 3.5%增加到2020 年的接近 10%,到 2030 年预计这一比例将稳步增加至 14.4%2。风力发电进入了快速发展的轨第 8 期 冯丽苹 等 风电齿轮油中水分测定方法研究 157 http:/ 道3,国家能源局发布 2021 年全国电力工业统计数据,截至 12 月底风电装机容量约 3.3 亿 kW,同比增长 16.6%。齿轮油主要应用于重负荷齿轮、轴承的润滑,目前我国共有风机约 20 万台,在用
10、齿轮油10 万 t 以上,对应风机造价约 25 万亿元人民币,齿轮油费用约 50 亿元人民币。作为风电机组润滑用齿轮油,其运行状态、使用寿命直接影响风机主齿轮箱乃至整个风电机组运行的安全性和经济性。据统计,每个风场投产运行 8 年时,更换风机占比为总风机量的 3%10%,依此计算每年更换风机的损失为 100 亿300 亿元人民币,齿轮油的使用寿命大多为 58 年,每年更换齿轮油的成本为 5 亿10 亿元人民币。目前,文献研究侧重于风机故障诊断4-5和润滑油的再生恢复,对于风机故障的预防和减缓运行设备中油质劣化速度进行的实质性研究很少。齿轮油的分子结构及添加剂种类和含量决定了水分在油中具有较大的
11、溶解度,使其易于被水分污染,对油品本身和设备产生的危害如下。1)影响润滑油膜的形成,降低油品的润滑性能;导致亲水性的添加剂在水周围聚集,破坏添加剂在油中分散成悬浮液的稳定性,导致添加剂的功能丧失,并促进油品和添加剂分解为醇和酸,进一步促进油品劣化,使油品酸值增加、黏度增大,产生油泥。水分能够加速油品老化,当水分与铜或铁共同存在时,油品的氧化速率上升 120 倍6,加快油品劣化;一定条件下可使细菌和霉菌在油中繁殖7,这些微生物一方面改变润滑油的成分,使润滑油的理化性能和使用性能恶化;另一方面能够形成油泥堵塞输送管路,并引起油品异味、接触材料腐蚀等8。2)齿轮油中的水分会造成油品乳化,加速齿轮表面
12、的锈蚀,甚至会在齿轮的微裂纹中产生氢脆化效应,造成齿轮的疲劳剥落9-13。据统计,当油中溶解水分(质量分数,下同)为 0.05%时,齿轮箱轴承寿命下降约为 58%14-15。在运行过程中,当有少量的游离或溶解水污染润滑油时,为设备发生电偶腐蚀提供了离子流,为腐蚀创造了条件,腐蚀容易造成点蚀、泄露、部件功能弱化甚至直接破坏,同时造成氧化铁等磨料向油中释放,进而加速设备磨损油品劣化的循环。故水分存在会缩短润滑油的使用周期,加速设备的磨损,严重影响设备的使用寿命。因此,本文提出了准确检测齿轮油水分的方法,可减缓齿轮油的劣化,保证其润滑性能,减缓设备磨损,以期从根本上降低风机的故障频率,对保障设备运行
13、的安全性和经济性具有重要意义。1 现有油中水分检测方法 1.1 卡尔费休库仑法 卡尔费休库仑法通过电化学方法测定水分,采用该方法检测油中水分的国内标准有 石油产品、润滑油和添加剂中水分的测定卡尔费休库仑滴定法(GB/T 111332015)16和 运行中变压器油和汽轮机油水分测定法(库仑法)(GB/T 76002014)17。国外标准有 IEC 60814199718、ASTM D 63042019。其中,GB/T 76002014 和 IEC 608141997内容接近,GB/T 76002014 适用于变压器油和汽轮机油中水分的测试,IEC 608141997 适用于绝缘油中水分的测试。G
14、B/T 111332015 和 ASTM D 630420 内容相近,规定了使用自动滴定仪直接 测定石油产品和烃类化合物水含量,也规定了间 接测定样品水分的方法。但因为齿轮油黏度大,添加剂复杂,且大部分的硫元素含量较高,在采用直接 滴定法测定齿轮油的水分时,存在取样困难,检测过程干扰因素较多,且极易导致电极污染,仪器损坏,测定结果不准的问题;而在采用间接滴定法测定 齿轮油水分时,操作步骤不明确,无法准确检测齿轮油的水分,不能满足目前风力发电用齿轮油水分监督的需求。1.2 蒸馏法 蒸馏法是将含水油样与不溶于水的有机溶剂混合,随后一并加入蒸馏仪分离出水分。采用该方法的国内标准为石油产品水分测定法(
15、GB/T 2602016)20,适用于石油产品、焦油及其衍生产品,水分的测定范围为不大于 25%。该标准方法测定过程是将被测定样和与水不相溶的溶剂共同加热回流,溶剂可将试样中的水携带出来,不断冷凝下来的溶剂和水在接收器中分离开,水沉积在带刻度的接收器中进行计算,溶剂流回蒸馏瓶中。采用该方法测定齿轮油水分时,每个样品 2 次平行试验需要样品 200 g,石油馏分溶剂 200 mL,测定用时 1 天。风力发电机及火电厂磨煤机用齿轮油新油水分测定采用该标准方法时,该标准规定试样水分小于 0.03%时,结果报告为“痕迹”,无法给出准确数值。故用该方法进行齿轮油水分测定时,需要样品和有机溶剂数量大、耗时
16、长、成本高、准确度差,不能满足目前风力发电在用齿轮油监督的需求。158 2023 年 http:/ 1.3 其他检测方法 另外,油品水分测定目前还有色谱法21、介电常数法22-23、红外光谱法24-25、润滑油水分定性试验法(SHT 02571992(2004)26。但是齿轮油具有黏度大、组分复杂,会导致色谱柱快速污染。齿轮油中含有大量的极性添加剂和金属磨粒,这些均会对上述方法中的水分吸收峰、介电常数等电参数造成明显影响,进而对水分检测结果造成严重干扰。故现有方法均无法准确快速检测齿轮油的水分,需制定适用于齿轮油中水分的测定方法。2 试验内容 本文采用卡氏加热炉和卡尔费休库仑法水分分析仪联用(
17、简称联用法)测定齿轮油中水分。该方法将处于密闭体系中的齿轮油样品和正庚烷的混合液保持在一定温度下,连续不断地通入干燥载气,将样品中的水分汽化并转移到卡尔费休库仑法水分分析仪的滴定池中,该水分和滴定池阳极生成的碘按 1:1 的质量比发生卡尔费休反应,直至滴定池中水分完全反应,依据法拉第定律,计算出样品中的水分。试验对象为风力发电机组常用的新齿轮油和运行齿轮油。将卡式加热炉与水分分析仪连接后,调整仪器至备用状态,其中干燥剂为分子筛,载气为空气或氮气,水分分析仪的滴定终点电解速度应不大于0.15 g/s 且可保持 1 min。将一定质量的齿轮油置入测量瓶中,在不同条件下测试油样中的水分,研究齿轮油中
18、水分测定的测试条件及结果准确性。3 结果及分析 3.1 载气选择试验 因载气直接参与齿轮油水分的测定过程,在测定过程中,水分分析仪测定样品转移出水分的同时,亦检测载气中的水分(样品水分计算过程中该部分水分已扣除)。为避免载气湿度大,加快电解液的失效速度,影响测定结果,本文样品水分测试过程中,载气的干燥程度可满足水分分析仪滴定终点电解速度不大于 0.15 g/s 且可保持 1 min。分别选用空气和氮气为载气,在除温度外其他条件相同的情况下,对 4 个齿轮油样品进行了水分测定,测定结果见表 1。在除流量外其他条件相同的情况下,对 3 个齿轮油样品进行了水分测定,测定结果如图 1 所示。由表 1
19、可见,在不同温度下,对不同样品,采用氮气和空气做载气,均不影响测定结果。这说明空气中虽存在氧气,测试过程中会发生氧化反应,但是不影响油中水分的转移,故测定过程中载气采用空气或氮气。表 1 载气类别选择试验结果 Tab.1 Results of carrier gas type selection test 样品名称 试验温度/载气类型 水分/(mg kg1)样品 1 150 空气 600 氮气 598 样品 2 150 空气 65 氮气 65 样品 3 170 空气 141 氮气 145 样品 4 170 空气 107 氮气 100 图 1 载气流速对齿轮油水分测定的影响 Fig.1 Infl
20、uence of carrier gas flow rate on determination of water content in gear oil 由图 1 可见:载气流量在 20 mL/min 时,个别样品测定结果偏低;载气流量在 4060 mL/min 时,测定结果一致性高。因此,测定过程中载气的流量可选择 4060 mL/min。3.2 干燥剂选择试验 本文提出的联用法是通过载气转移水分到水分分析仪的滴定池中,进行样品水分测定。故载气的干燥非常重要,载气越干燥,测定过程中空白越小,越利于保证测定结果的重复性和准确性。采用变色硅胶为干燥剂时,水分测定过程中 水分仪滴定终点的电解速度达
21、不到 0.15 g/s,表明变色硅胶对气体的干燥效果差,不适合做水分测定过程的干燥剂。采用 3A、4A、5A、13X 4 种型号的分子筛做干燥剂时,水分仪滴定终点的电解速度均可达到 0.15 g/s 以下。对同一样品采用不同型号分子筛做干燥剂时,空白和样品的水分测定结果如 图 2 所示。采用上述分子筛做干燥剂时,压缩空气经干燥第 8 期 冯丽苹 等 风电齿轮油中水分测定方法研究 159 http:/ 后,水分测定的滴定终点非常易于到 0.15 g/s 且可保持 1 min;且经该分子筛干燥后的气体空白水分测定结果和同一样品水分测定结果均相近,表明上述 4 种分子筛均可作为联用法的干燥剂。图 2
22、 不同分子筛干燥剂对齿轮油水分测定的影响 Fig.2 Effect of different molecular sieve desiccants on determination of water content in gear oil 3.3 水分转移方式选择试验 3.3.1 直接加热转移水分 样品中水分的测定过程是将样品直接处于密闭体系的测量瓶中,保持在一定温度下,连续不断地通入干燥的载气,将样品中的水分转移到水分分析仪的滴定池中,对样品进行水分测定。不同温度下各样品的测定结果如图 3 所示。由图 3 可见,通过直接加热法测定齿轮油中水分时,测定结果随温度升高而增大。这是由于合成齿轮油基
23、础油的主要成分为聚 烯烃和聚醚,其分子相对比较大,同时含有多种添加剂,对齿轮油中处于不同位置的水分子的迁移影响不同,进而导致从油中汽化转移需要的温度不同。当加热温度升高到 170 时,载气管路中出现微量齿轮油分解产生的油蒸汽,继续升高温度会导致油品分解产物进入滴定池,污染电极,污染载气管路。故齿轮油水分测定采用直接加热转移水分的方法不可行。图 3 水分转移加热温度对齿轮油水分测定的影响 Fig.3 Influence of water transfer heating temperature on determination of water content in gear oil 3.3.2
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- 齿轮油 中水 测定 方法 研究
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