“離心閃蒸脫水”新技術(shù)阻斷真空濾油機跑油事故分析

趙志祥，王文兵

(1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，南京 211102；2.北京瞬節(jié)科技有限公司，北京 100085)

0 引言

真空濾油機廣泛應(yīng)用于介質(zhì)油的脫氣(水)、過濾處理，在電力行業(yè)中，很多企業(yè)都選用真空濾油機進行潤滑油、抗燃油、絕緣油等油品的處理。

油中含水危害很大，為減少油中含水的危害，GB/T 7596—2008《電廠運行中汽輪機油質(zhì)量》[1]規(guī)定，運行中潤滑油水的質(zhì)量濃度要小于100 mg/L；DL/T 571—2007《電廠用磷酸酯抗燃油運行與維護導(dǎo)則》[2]規(guī)定，運行中磷酸酯抗燃油中水的質(zhì)量濃度要小于1 000 mg/L；GB/T 7595—2008《運行中變壓器油質(zhì)量》[3]規(guī)定，運行中變壓器水的質(zhì)量濃度，根據(jù)電壓等級，300～1 000 kV要≤15 mg/L，220 kV要≤25 mg/L，110 kV及以下要≤35 mg/L。在實際生產(chǎn)運行中，由于系統(tǒng)設(shè)計、選材以及長期磨損、操作不當(dāng)?shù)仍?，上述油品中會漏入水分，需要進行脫水處理。

油中水分通常有2種可能的存在形態(tài)：溶解水與游離水。以汽輪機油中的水分為例，溶解水是均勻分布在油中的水分，在電廠運行條件下，溶解在油中水的最大質(zhì)量濃度約150 mg/L(具體數(shù)值與油的成分、溫度、添加劑等有關(guān))；游離水是以微小水珠的形式存在于油中的水分，這些小水珠由于帶有雜質(zhì)，顆粒粒徑很小，有時很難從油中分離出來。含有游離水的潤滑油外觀渾濁，而只含溶解水的潤滑油外觀是透明的。由于電廠汽輪機油箱系統(tǒng)混合比較強烈，只有超過溶解度的水分才會以游離水的形式存在。也就是說，如果油中含有游離水，外觀渾濁，則水的質(zhì)量濃度都在150 mg/L 以上。目前，真空濾油機是唯一可使少量含水潤滑油系統(tǒng)含水量達標(biāo)的設(shè)備。真空濾油機能去除游離水，也能去除溶解水，因此能夠?qū)⒂椭兴馁|(zhì)量濃度降到很低的水平，實際可以達到10 mg/L 左右。一般來說，潤滑油系統(tǒng)將油中水的質(zhì)量濃度控制在80 mg/L以下即可。

1 現(xiàn)有真空濾油機的跑油隱患

1.1 真空濾油機脫水的基本原理

真空濾油機由真空脫氣單元與過濾單元組成，關(guān)鍵單元是真空脫氣單元，真空度越高，脫水(氣)越徹底。

目前普遍使用的真空濾油機，大都采用真空罐來脫水，其原理是把需處理的油引入真空罐，油中水蒸氣(包括易揮發(fā)氣體)揮發(fā)到真空罐中，脫氣處理后的油在重力作用下聚集到真空罐的底部。真空濾油機一般都連續(xù)運行，用真空泵從真空罐上端不斷抽出氣體，通過排氣口排出；用泵從真空罐底部抽出脫氣處理后的油。真空罐內(nèi)的真空度越高，脫氣處理的速度越快，效果越好。

1.2 油中泡沫產(chǎn)生的原因

氣體分散在液體中的狀態(tài)稱為氣泡，許多氣泡相互結(jié)合在一起，彼此之間以很薄的液膜隔開，這種狀態(tài)稱為泡沫。其中，氣體是泡沫生成的動力和必要條件，液膜的強度決定它的穩(wěn)定性[4]。

在常壓下，礦物油中溶解有約占其體積9%的空氣和水?？諝庠谟椭械娜芙饬侩S壓力增高而增大，當(dāng)壓力降低時，多余的空氣和水蒸氣就會從油中分離，以達到新的平衡。但分離出來的空氣和水蒸氣被油膜包圍，且油膜又不易破裂時，就會形成泡沫。油在實際使用中由于受到振蕩、攪動等作用，空氣會進入潤滑油而形成氣泡。泡沫產(chǎn)生的另一個原

因是運行油油質(zhì)劣化變質(zhì)產(chǎn)生了容易起泡的表面活性物質(zhì)，而消泡劑在運行中會逐漸消耗掉，不能抑制表面活性物質(zhì)起泡。

在真空條件下，產(chǎn)生泡沫的主要原因是油中水大量變成水蒸氣，消泡劑主要抑制活性起泡物質(zhì)，對水蒸氣不起作用。

下面主要討論水變成水蒸氣，水蒸氣產(chǎn)生泡沫引起真空濾油機跑油的問題。

1.3 跑油隱患

理論上說，真空度越高脫水速度越快，然而高真空運行時，如果進油中水的質(zhì)量濃度突然變大，水變成水蒸氣，真空罐內(nèi)會產(chǎn)生大量泡沫，很容易從真空罐的頂部通過真空管道跑進真空泵，造成跑油事故。為避免出現(xiàn)跑油現(xiàn)象，一般的真空濾油機有2個措施：第一，設(shè)有自動控制裝置，在泡沫多時往真空罐內(nèi)釋放空氣，降低真空度，減少泡沫；第二，調(diào)節(jié)進油、排油量，控制真空罐內(nèi)油位，防止泡沫逸出跑油。

雖然在真空罐內(nèi)安裝泡沫探測傳感器可以發(fā)現(xiàn)并避免跑油，但泡沫探測傳感器有時會產(chǎn)生錯誤信號；調(diào)節(jié)進油、排油量有滯后現(xiàn)象，不能根本解決泡沫跑油問題。跑油事故是生產(chǎn)運行的重大安全隱患，應(yīng)盡量避免。

1.4 降低真空度導(dǎo)致脫水速度慢

在真空負壓下，水蒸氣含量容易飽和，一般真空泵對高濃度的水蒸氣很難抽出，故加入空氣有利于真空泵工作，而1.3章節(jié)中所采用防跑油措施也需要加入空氣，所以，普通潤滑油真空濾油機工作時需要向真空室引進空氣，致使真空室的工作真空度普遍較低，一般絕對壓力在10～40 kPa。實際工作時，油在真空室內(nèi)不是沸騰蒸發(fā)狀態(tài)，而是以表面蒸發(fā)為主，所以脫水速度很慢。

1.5 低真空度下提高脫水速度的措施

(1)真空分離塔的改進：選用合適材料，設(shè)置合理的進氣口，增加捕沫裝置以及增大分離塔接觸面積等；變頻調(diào)節(jié)濾油機吸、排油泵流量[4]。

(2)配備大功率加熱器，把油的溫度升到55 ℃以上，提高水的蒸發(fā)量。

(3)增加聚結(jié)器。濾油脫水效率與真空度、油溫度、油中水的界面張力有關(guān),聚結(jié)技術(shù)使油充分分割并重新組合，使微小水珠沖破界面張力結(jié)合成較大體積的水珠，使界面張力降低。根據(jù)這一原理在真空室中裝有聚結(jié)器，它使油中水分進入真空室之前組合成較大體積的水珠，并且它們的界面張力在真空環(huán)境下小于汽化后氣體的膨脹壓力，當(dāng)油流過聚結(jié)器進入真空室的瞬間，水分被汽化從油中脫離暴露在真空中，干燥的油匯集在真空室下部，氣體被真空設(shè)備抽出。

(4)向真空罐充氣。在一定溫度和真空度條件下，脫水脫氣效果取決于氣液二相界面面積大小、蒸發(fā)時間長短以及該界面更新速度快慢。連續(xù)在油中引入大量細微氣泡，增加二相界面面積和蒸發(fā)時間，氣泡的上升擴大又造成二相界面快速更新，從而使脫水、脫氣效率得到提高。

雖然上述措施或多或少能提高脫水速度，但這些措施都沒有從提高真空度、沸騰蒸發(fā)著手，不能大幅度提高脫水速度。有些措施還會帶來別的安全隱患，例如在加熱油時，大功率加熱器由于發(fā)熱功率大，長期工作的可靠性較差，存在安全隱患，也可能使油超溫碳化。

2 “離心閃蒸脫水”新技術(shù)

從以上分析情況看，最大限度脫除油中的游離水和溶解水，水蒸氣迅速和液體分離，可以消除泡沫產(chǎn)生的條件，防止因泡沫引起跑油事故。采用“離心閃蒸脫水”新技術(shù)，可以徹底解決真空濾油機運行中泡沫跑油問題。

2.1 “離心閃蒸脫水”技術(shù)原理

(1)閃蒸。物質(zhì)的沸點隨壓力減小而降低，高溫高壓流體經(jīng)過減壓，沸點降低，進入閃蒸罐。這時，流體溫度高于該壓力下的沸點，流體在閃蒸罐中迅速沸騰汽化，并進行兩相分離。閃蒸是從一個熱力學(xué)平衡態(tài)到下一個熱力學(xué)平衡態(tài)的變化，因此，2個熱力學(xué)狀態(tài)的變化只有壓力的降低，并無內(nèi)外功和熱的交換。根據(jù)亨利定律，不同溫度與分壓下氣相溶質(zhì)在液相溶劑中溶解度不同。當(dāng)溶劑壓力降低時，溶劑中的溶質(zhì)就會迅速解吸而自動放出，形成閃蒸，所以，閃蒸的控制指標(biāo)只有一個，那就是閃蒸的壓力。亨利定律指出：“在一定溫度下，某種氣體在溶液中的濃度與液面上該氣體的平衡壓力成正比”。此時的氣體實際上是稀溶液中的揮發(fā)性溶質(zhì)，氣體壓力則是溶質(zhì)的蒸氣壓。

以潤滑油為例，一般情況下，控制真空度絕對壓力在2 kPa以下，潤滑油在真空室內(nèi)可以沸騰，形成閃蒸。

(2)離心分離。離心分離是借助于離心力，使密度不同的物質(zhì)進行分離的方法。離心力是一種慣性力，物體在做非直線運動(圓周運動或轉(zhuǎn)彎運動)時，因物體有自身的質(zhì)量存在，其慣性會強迫物體繼續(xù)朝著運動軌跡的切線方向前進，而且離心力與物體的質(zhì)量成正比。

(3)“離心閃蒸脫水”技術(shù)原理。把閃蒸技術(shù)和離心分離技術(shù)結(jié)合，把需要處理的油品在高真空條件下閃蒸，控制閃蒸的壓力，水變成水蒸氣。閃蒸在離心力場中進行，水蒸氣和油的質(zhì)量相差很大，離心力相差很大，實現(xiàn)油和水蒸氣的分離。分離出的氣體被真空泵抽走，油被送出。“離心閃蒸脫水”技術(shù)構(gòu)造示意圖如圖1所示。

圖1 “離心閃蒸脫水”裝置示意圖

2.2 “離心閃蒸脫水”技術(shù)特點

(1)脫除油中水分效率高。現(xiàn)有脫除水分的技術(shù)主要是表面蒸發(fā)和聚結(jié)分離，表面蒸發(fā)只是在油膜表面實現(xiàn)水的蒸發(fā)，水蒸發(fā)的比例??；聚結(jié)分離只是把小水珠聚結(jié)成大水珠，易于分離，但只能處理游離水，不能處理溶解水。運用閃蒸技術(shù)，在高真空度下工作，實現(xiàn)沸騰蒸發(fā)，可以迅速脫除油中游離水、溶解水，脫除水蒸氣效果好。

現(xiàn)有技術(shù)的真空度絕對壓力比較大，一般為幾十千帕，某真空濾油機的絕對壓力達到40 kPa而“離心閃蒸脫水”技術(shù)絕對壓力中控制在0.5～5.0 kPa。

(2)分離油氣的時間短?，F(xiàn)有油氣分離技術(shù)，只是利用重力使油下落到真空罐的底部，分離時間長?！半x心閃蒸脫水”技術(shù)，除了利用重力作用，還對油品增加了離心力，提高了分離效率，縮短了分離時間。

(3)不需要真空分離罐?，F(xiàn)有真空脫水分離技術(shù)，需要真空分離罐作為油和水蒸氣的分離裝置，下面是液體，上部是氣體，油中含水量變化會引起氣體和液體體積變化，容易起泡。采用“離心閃蒸脫水”技術(shù)，油和水蒸氣接觸的時間短，脫水處理時油層很薄，消除了泡沫生成的必要條件。

(4)不需要向真空系統(tǒng)補入空氣?，F(xiàn)有技術(shù)條件下，為維持設(shè)備運行需要補空氣降低真空度，會出現(xiàn)人為操作不當(dāng)而使運行不穩(wěn)定的情況。

(5)不需要加熱。

2.3 應(yīng)用實例

“離心閃蒸脫水”技術(shù)，在生產(chǎn)中試用取得了滿意的效果。某電廠660 MW機組，大機潤滑油體積70 m3，水的質(zhì)量濃度300 mg/L，用原有技術(shù)一直沒有把水的質(zhì)量濃度降到小于100 mg/L的合格范圍內(nèi)。使用“離心閃蒸脫水”技術(shù)進行脫水處理，油溫30 ℃左右，真空室絕對壓力2 kPa，體積流量10 m3/h，運行50 h后，取樣分析發(fā)現(xiàn)水的質(zhì)量濃度降到70 mg/L。運行期間，無需調(diào)整進油量，無跑油事故。

3 結(jié)束語

“離心閃蒸脫水”新技術(shù)，結(jié)合了閃蒸技術(shù)和離心分離技術(shù)的優(yōu)點，可最大限度地脫除介質(zhì)油中的水分，與現(xiàn)有技術(shù)相比，脫水速度提高了好幾倍；水蒸氣和油液在離心場中被分離成為液體和氣體，消除了泡沫產(chǎn)生的條件；不需要傳統(tǒng)真空分離技術(shù)的真空分離罐，避免了泡沫存在的條件；徹底解決了真空濾油時，由于泡沫問題引起跑油的事故隱患。

參考文獻：

[1]GB/T 7596—2008 電廠運行中汽輪機油質(zhì)量[S].

[2]DL/T 571—2007 電廠用磷酸酯抗燃油運行與維護導(dǎo)則[S].

[3]GB/T 7595—2008 運行中變壓器油質(zhì)量[S].

[4]馮罡.透平油真空濾油機泡沫解決方案[J].過濾與分離，2008,18(1)：27-30.