平衡電荷式濾油機(jī)在水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用

于躍，萬永發(fā)，臧衛(wèi)杰，焦玉峰

(水利部小浪底水利樞紐管理中心，鄭州　450099)

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平衡電荷式濾油機(jī)在水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用

于躍，萬永發(fā)，臧衛(wèi)杰，焦玉峰

(水利部小浪底水利樞紐管理中心，鄭州450099)

小浪底水電站水輪機(jī)調(diào)速器筒閥液壓系統(tǒng)運行中形成了大量油泥，導(dǎo)致控制閥組出現(xiàn)操作滯后和卡澀現(xiàn)象，影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運行。對油泥的成分及產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，通過對比兩種形式的靜電濾油機(jī)，選取了平衡電荷式濾油機(jī)對油泥進(jìn)行在線過濾，使用效果良好，機(jī)組未再發(fā)生閥組卡澀現(xiàn)象。

小浪底水電站；水輪機(jī)；調(diào)速器液壓系統(tǒng)；油泥；平衡電荷式濾油機(jī)；在線濾油

1　小浪底水電站水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)概況

小浪底水電站安裝6臺水輪發(fā)電機(jī)組,調(diào)速器為電液調(diào)速器[1]。水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)包含調(diào)速器系統(tǒng)和筒閥液壓系統(tǒng)，均由美國VOITH公司生產(chǎn)[2]，2個系統(tǒng)共用1套壓油裝置和液壓油，調(diào)速器電液轉(zhuǎn)換器為動圈閥結(jié)構(gòu)，筒閥電液轉(zhuǎn)換器為比例閥結(jié)構(gòu)。每套壓油裝置設(shè)有1臺壓力油罐和1臺回油箱，壓力油罐容積為9.64 m3，額定操作油壓為6.4 MPa。壓油裝置使用的液壓油為美孚DTE中級#46汽輪機(jī)油(以下簡稱美孚油)[3]。

小浪底水電站機(jī)組投運后，6臺水輪機(jī)調(diào)速器出現(xiàn)動圈閥調(diào)整滯后的問題，造成水輪機(jī)調(diào)速器抽動，運行負(fù)荷最大波動值達(dá)50 MW；水輪機(jī)開停機(jī)時筒閥比例閥出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，造成筒閥不能正常執(zhí)行啟閉指令。經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，美孚油油質(zhì)劣化是動圈閥調(diào)整滯后和筒閥電磁閥動作卡澀的主要原因。美孚油在調(diào)速器和筒閥液壓系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生油質(zhì)劣化產(chǎn)物，主要以油泥形式存在，這些油泥大部分沉積于調(diào)速器回油箱底部，少量附著在調(diào)速器和筒閥液壓系統(tǒng)閥組閥芯上。

2　油泥成因分析

美孚油泥的主要成分包括：鐵(Fe)，設(shè)備磨損生成；鋅(Zn)，油中的添加劑二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP)分解生成；碳硫氧化物或碳氧化物，ZDDP分解生成。

通過熱穩(wěn)定性試驗(ASTM D2070)測定美孚新油，發(fā)現(xiàn)美孚新油在135 ℃下即可產(chǎn)生較多的油泥，超過200 mg/100 mL。油品添加劑ZDDP的熱分解沉積是美孚油泥的最初來源[3]，這些油泥作為磨?？赡苓M(jìn)一步引發(fā)金屬的磨損，從而導(dǎo)致油泥中含有大量的Fe元素。油品的局部過熱是導(dǎo)致油泥生成的根本原因。

小浪底水電站機(jī)組調(diào)速器筒閥液壓油系統(tǒng)有40余個閥組，配置9.64 m3的壓油罐，作為液壓系統(tǒng)的蓄能裝置，6.4 MPa工作壓力為液壓系統(tǒng)動作提供動力。運行狀態(tài)下油罐內(nèi)一半為壓縮空氣，壓縮空氣與潤滑油直接接觸，部分溶于油，在經(jīng)過油泵時氣泡發(fā)生絕熱壓縮，使得油溫迅速升高，導(dǎo)致基礎(chǔ)油和添加劑ZDDP發(fā)生熱分解，產(chǎn)物為不溶于油的固體顆粒(油泥)。當(dāng)含有空氣的油在管道和電磁閥(尤其是小開度電磁閥)中流動突然被截流時[3]，油受到絕熱壓縮形成氣泡，油溫局部迅速升高，基礎(chǔ)油和添加劑ZDDP同樣會發(fā)生熱分解，產(chǎn)生油泥。這些油泥顆粒附著在電磁閥閥芯表面，局部因摩擦產(chǎn)生大量熱量，進(jìn)一步加劇基礎(chǔ)油和添加劑的熱解[4]。

通過上述分析可知，大量空氣壓入液壓系統(tǒng)潤滑油中，會形成局部氣泡絕熱壓縮，引發(fā)潤滑油中基礎(chǔ)油和添加劑發(fā)生熱分解，導(dǎo)致油質(zhì)劣化，生成油泥等產(chǎn)物，是潤滑油產(chǎn)生油泥的根本原因。

3　解決方案

為解決小浪底水電站水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速器及筒閥液壓系統(tǒng)潤滑油的油泥生成問題，電站工作人員提供了3種方案：(1)方案1：通過設(shè)備改造，實現(xiàn)潤滑油與壓縮空氣之間的隔離；(2)方案2：采取潤滑油改性的方法，延緩油泥生成的速度；(3)方案3：采用過濾裝置，通過在線過濾有效去除油質(zhì)劣化生成的油泥。

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表1　兩種形式靜電濾油機(jī)的比對

經(jīng)分析，方案1涉及的設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實施難度大，成本高，風(fēng)險大；方案2只能在一定程度上延緩油泥的生成速度，但不能從根本上阻止油泥的產(chǎn)生；方案3技術(shù)成熟，容易實施，且不影響液壓系統(tǒng)潤滑油的主體性能。

4　在線濾油裝置的選擇

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的濾芯式過濾方式無法有效解決小浪底水電站油泥問題，原因如下。

(1)傳統(tǒng)過濾方式采用濾芯進(jìn)行過濾，濾芯的孔徑大小決定了過濾的精度。隨著污染物的增加，油液的壓力也不斷增大，濾芯孔徑被沖擊擠壓變大，導(dǎo)致過濾精度降低。

(2)濾芯上附著的污染物不斷增加，油液通過的阻力隨之增加，功耗和油溫也相應(yīng)提高，設(shè)備耗電量增加。為解決濾材過濾精度問題，不斷開發(fā)出高精度的濾材，但隨著精度的提高，系統(tǒng)壓力也隨之升高，大大制約了過濾的效率。

(3)不論是板框式的紙過濾還是采用濾芯的傳統(tǒng)機(jī)械過濾，都無法過濾掉軟質(zhì)的、粒徑小于1 μm的顆粒物，而這正是形成油泥和膠質(zhì)污垢的根源。

(4)化驗表明，粒徑<1 μm的油泥顆粒占油泥總量的60%，這些細(xì)小的顆粒可以通過濾芯后在閥組內(nèi)積聚，導(dǎo)致閥組卡澀。

(5)目前已積聚在系統(tǒng)管路上的油泥無法通過過濾去除。

小浪底水電站工作人員經(jīng)過調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)靜電濾油機(jī)比較適合小浪底水電站的情況，靜電濾油機(jī)主要有以下優(yōu)勢。

(1)采用向油泥通電的方式，使油泥在正、負(fù)極吸引下被過濾，過濾效果較好。

(2)可完全去除傳統(tǒng)機(jī)械過濾方式不能除去的油液內(nèi)的氧化物，防止不溶于油液的膠狀氧化物堆積而形成油泥。

(3)可有效清除油液內(nèi)的金屬、非金屬、有機(jī)物等不溶于油的雜質(zhì)。

(4)結(jié)構(gòu)緊湊、移動自如、使用方便、易實現(xiàn)在線過濾。

(5)靜電濾油機(jī)凈化后的油品帶有弱極性，通過系統(tǒng)管路時可以繼續(xù)吸附管路內(nèi)的油泥，不斷清潔管路系統(tǒng)，使油系統(tǒng)歷久常新。

靜電濾油機(jī)主要分靜電吸附式濾油機(jī)和平衡電荷式濾油機(jī)。靜電吸附式濾油機(jī)的工作原理是：在濾芯兩側(cè)設(shè)計平行的正、負(fù)電極，在電極上加直流高壓電，電極之間產(chǎn)生較強(qiáng)的電場，利用電泳工作原理，使污染物附著在濾芯上，達(dá)到除去油液中不溶性污染物的目的。平衡電荷式濾油機(jī)的工作原理是：濾油機(jī)自動、連續(xù)檢測流體中的平均剩余電荷，以判斷污染顆粒物的形式和分布狀況，然后對2個對等的支流分別加載可控電流，所有類型的污染顆粒物都帶上接近平衡的正、負(fù)電荷；讓2個支流進(jìn)行充分混流，利用正、負(fù)相吸引的原理，使分別攜帶正、負(fù)電荷的顆粒物相互吸附，尺寸增大的同時完成大部分電荷的平衡；通過一定的循環(huán)，即使是十分微小的顆粒物也“長大”到可被常規(guī)精度的過濾器收集清除，尚未完成平衡的超細(xì)小顆粒(亞微米級)則通過過濾器進(jìn)入流體系統(tǒng)，動態(tài)地、強(qiáng)制性地拔除油箱、油路、閥門、設(shè)備內(nèi)部過流通道、軸承、軸套及軸頸上的各類污染垢和沉積物。兩種形式靜電濾油機(jī)的比對見表1。

根據(jù)綜合比對，考慮到水電站壓縮空氣中一般含有水分且油量較大，最終選擇平衡電荷式濾油機(jī)作為在線濾油機(jī)。

5　應(yīng)用效果

小浪底水電站選取#4機(jī)組進(jìn)行試驗，根據(jù)生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)2009—2012年的運行記錄，試驗前的數(shù)據(jù)如下。

(1)近4年間，#4機(jī)組調(diào)速器、筒閥電液轉(zhuǎn)換裝置發(fā)生卡澀14次。

(2)調(diào)速系統(tǒng)自帶的油過濾器經(jīng)常堵塞，近4年來報警190次以上，平均每月更換濾芯4次。

(3)每次C級檢修，都會在集油箱底部清理出大量的膠質(zhì)油泥，增加了檢修工作量。

(4)油品清潔度為NAS12級。

平衡電荷式濾油機(jī)運行3個月后，油品清潔度對比見表2。

根據(jù)小浪底水利樞紐運行記錄，自平衡電荷式濾油機(jī)投入使用之后， 2年內(nèi)#4機(jī)組未再發(fā)生過動圈閥和筒閥卡澀現(xiàn)象，系統(tǒng)過濾器也未出現(xiàn)過堵塞，系統(tǒng)運行平穩(wěn)。機(jī)組C級檢修發(fā)現(xiàn)，油箱底部油泥已全部消失，油箱潔凈如新。

平衡電荷式濾油機(jī)使用初期1個月更換1次濾芯，1個月后可達(dá)到半年更換1次濾芯，損耗在正常范圍內(nèi)。全部采用固定不銹鋼管路連接，可以實現(xiàn)24 h無人值守濾油，出現(xiàn)問題會自動停機(jī)，極大地提高了過濾效率，節(jié)省了人工，非常適合自動化程度較高、人員較少的水電站。

表2　#4機(jī)組過濾前、后污染物顆粒分段計數(shù)對比

6　結(jié)束語

目前，小浪底水電站6臺機(jī)組已全部使用平衡電荷式濾油機(jī)進(jìn)行在線過濾，使用效果良好，未再發(fā)生閥組卡澀現(xiàn)象。

[1]金淑，張寧，張琳瑄.大電機(jī)水輪機(jī)標(biāo)準(zhǔn)匯編[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.

[2]胡寶玉，鐘光華.小浪底水利樞紐工程[M].北京：中國水利水電出版社，2004.

[3]張立平.液壓控制系統(tǒng)及設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[4]FITCH J C，GEBARIN S，DEAN S W.Review of degradation mechanisms leading to sludge and varnish in modern turbine oil formations[J].Journal of ASTM international，2006，3(8)：54-63.

(本文責(zé)編：劉芳)

2016-05-30；

2016-07-01

TV 734.4

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1674-1951(2016)07-0051-03

于躍(1982—)，男，吉林樺甸人，工程師，從事水輪發(fā)電機(jī)組檢修維護(hù)工作(E-mail:13523794846@163.com)。