水電站透平油泄漏監(jiān)測方式改進研究

周 克，李 昂

(國電大渡河檢修安裝有限公司，四川 樂山 614900)

透平油作為潤滑、降溫、液壓用油，在各類水電站的發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)、軸承潤滑系統(tǒng)、閘門液壓啟閉系統(tǒng)中都大量使用，并發(fā)揮著目前為止幾乎無可替代的重要作用。隨著人民群眾對環(huán)保要求的日益提高，如何提早發(fā)現(xiàn)并有效降低透平油泄漏損失和因此而造成的水污染風險，也成為靠近江河水流的水電站日益需要關心的課題。

1 透平油傳統(tǒng)泄漏監(jiān)測方式及不足

傳統(tǒng)的透平油泄漏監(jiān)測一般是通過對透平油系統(tǒng)的主要儲油設備的油位進行超低限監(jiān)測和報警。下面就水電站幾類常見透平油系統(tǒng)的監(jiān)測報警方式和不足進行說明。

1.1 發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)

該系統(tǒng)的泄漏監(jiān)測一般是對回油箱油位進行監(jiān)測，當油位降低達到低限位報警值時進行報警。調(diào)速系統(tǒng)一般除回油箱外還設有壓力油罐、漏油箱、接力器等動態(tài)儲油設備，貫流式機組還設有輪轂高位油箱，具有筒閥或球閥的機組還需考慮相關操作接力器。因為各用油設備或存油設備油量變化幅度值比較大，為避免誤報警，回油箱油位的高低限閾值設計一般比較大。表1列出了四川大渡河流域4個電站調(diào)速系統(tǒng)回油箱的相關參數(shù)和定值，從中可以看出調(diào)速系統(tǒng)回油箱變動油量占系統(tǒng)總油量比重最小達到了約18%，具有雙調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)槳式機組普遍高達37%。

表1 部分電站調(diào)速系統(tǒng)回油箱變動油量占比表

1.2 發(fā)電機組軸承潤滑系統(tǒng)

水輪發(fā)電機組的軸承潤滑系統(tǒng)按照油冷卻循環(huán)方式分為軸承油槽內(nèi)循環(huán)和冷卻油箱外循環(huán)。內(nèi)循環(huán)軸承油槽油位變化幅值小，傳統(tǒng)監(jiān)測方式比較適合。但對于具有多個儲油設備的外循環(huán)軸承潤滑系統(tǒng)，一般僅通過監(jiān)測主儲油設備的油位是否越低限進行報警。以國內(nèi)單機容量最大的燈泡貫流式電站沙坪電站為例，軸承潤滑系統(tǒng)的低位油箱高低限差值達到系統(tǒng)總油量的約30%。

1.3 閘門液壓啟閉系統(tǒng)

隨著液壓設備制造水平的日益提高，越來越多的大型水電站開始采用液壓啟閉的泄洪閘門，其操作接力器體積大、用油量多，接力器活塞桿全部伸出時儲油量占到總油量的50%左右，由于同樣以儲油箱油位低限來觸發(fā)泄漏報警，因此泄漏報警也存在較大的盲區(qū)。

1.4 傳統(tǒng)方式的不足

通過以上3個常見系統(tǒng)的監(jiān)測方式分析，不難看出，水電站透平油系統(tǒng)傳統(tǒng)泄漏監(jiān)測方式主要存在以下三個不足。

1)采用單一儲油設備的油位變化來判斷系統(tǒng)油量變化。對于具有多個變?nèi)莘e儲油設備的系統(tǒng)，油位波動范圍大造成報警閾值不精確，發(fā)生泄漏后，不能在最短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)。

2)缺少實時的系統(tǒng)總油量檢測值，無法在時間軸上對系統(tǒng)油量進行縱向?qū)Ρ?，更無法與同類系統(tǒng)進行橫向?qū)Ρ龋瑢ο到y(tǒng)存在的緩慢泄漏情況無法及早發(fā)現(xiàn)。

3)測量緯度單一，系統(tǒng)油量的計算與各儲油設備油溫、油位以及各類接力器開度等都密切相關，單一的測量緯度造成測量精度低，判斷依據(jù)粗放。

2 改進方案

2.1 建立系統(tǒng)油量數(shù)學計算模型

水電站各個透平油系統(tǒng)相對都比較獨立，系統(tǒng)內(nèi)儲油設備的種類及數(shù)量固定，且系統(tǒng)油損耗極小，因此總油量相對固定。以具有n個儲油設備的系統(tǒng)來講，其系統(tǒng)實時油量計算公式為

式中：Vi為i號儲油設備內(nèi)不變油量的體積，是指該設備內(nèi)長期充油的體積，這些部位的油量一般長期固定不變，且未安裝油位傳感器或在油位傳感器測量范圍以外；Si與Li分別為i號儲油設備內(nèi)變化油量的截面積和與該截面垂直方向的液面變化長(高)度，儲油設備內(nèi)變化油量是指隨設備運行工況的不同而隨時發(fā)生變化的體積，這部分一般都在液位測量裝置或活塞行程測量裝置的測量范圍內(nèi)；Ti為i號儲油設備內(nèi)當前油溫下的體積修正系數(shù)，可以參考GB/T1885石油計量表，該標準采用20℃為標準溫度，主要包括標準密度表和體積修正系數(shù)表兩部分[1]，對于未安裝油溫傳感器的儲油設備可根據(jù)實際情況在油溫變化范圍內(nèi)進行中位數(shù)取值；K為透平油的體積彈性模量，液壓油的體積彈性模量與溫度、壓力以及含在油液中的空氣有關，不含氣液壓油約為(1.2～2)×103MPa，油液混雜氣體時體積模量變化較大，工程中取(0.7～1.4)×103MPa[2]；ΔPi為i號儲油設備內(nèi)透平油的相對壓力，即壓力表或傳感器顯示壓力。

2.2 確定系統(tǒng)各儲油設備的相關參數(shù)

水電站各系統(tǒng)的儲油設備的容積一般都可以通過分割為圓柱體、球體或長方體進行計算，因此對于測量和計算相關尺寸比較容易。但由于各個系統(tǒng)的儲油設備具有一定差異性和復雜性，為確保計算的簡便性及結果的準確性，應注意以下幾點。

1)系統(tǒng)內(nèi)的儲油設備應盡可能排查全面，并列出設備清單，便于進行表格化計算。

2)在充分考慮測量傳感器測量范圍的情況下，各設備的不變油量部分應盡量最大化，進而減少變化油量部分的占比。

3)在計算模型中各容器的不變油量Vi和變動油量截面積Si一般作為常數(shù)，且對總油量計算結果影響較大，因此應盡量測量精確。

4)計算模型中的Li作為實時監(jiān)測量，對計算影響很大，因此應按要求定期對各類油位和行程傳感器進行校驗，確保計算的準確性。

5)針對貫流式機組一般采用高低位重力油箱進行外循環(huán)的軸承潤滑系統(tǒng)，其管路設計較長[3]，且存在停機與開機態(tài)管路中油量不一的情況，應單獨對油管路按工況不同進行分別計算。同時可以結合管路配有的流量計對參數(shù)進行檢驗和修正。

6)在液壓系統(tǒng)中一般都存在大量小型液壓元件及控制油路，具有數(shù)量多、工況復雜、尺寸不便計算的特點，考慮到其占系統(tǒng)總油量極小，因此可以不做考慮或進行適當估算。

7)針對溫度修正系數(shù)Ti和體積彈性模量K，對于額定壓力低和溫度變化量小的系統(tǒng)，可以根據(jù)實際情況進行簡化處理，以減小計算工作量。

2.3 在監(jiān)控系統(tǒng)建立油量實時監(jiān)測報警和對比分析模塊

計算機監(jiān)控系統(tǒng)是油量實時監(jiān)測系統(tǒng)的主要載體，現(xiàn)有的大部分水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)都已經(jīng)覆蓋了透平油系統(tǒng)中各儲油設備的油位、油壓、油溫、接力器開度等參數(shù)，因此按照油量計算模型在系統(tǒng)中建立相關程式，通過實時調(diào)取、整合這些數(shù)據(jù)，就可以計算出該系統(tǒng)的實時油量，并在相應的監(jiān)控模塊上進行反映。

通過對一段時間內(nèi)系統(tǒng)總油量波動范圍的分析，可以確定出系統(tǒng)油量的下限值和上限值，并據(jù)此在監(jiān)控模塊中設定油量異常的報警閾值。

監(jiān)控軟件是電站工作人員直接操作的軟件，隨著大數(shù)據(jù)技術的不斷發(fā)展和設備智慧化程度的日益提高，通過計算機數(shù)據(jù)采集和通訊服務軟件，還可以實現(xiàn)監(jiān)控軟件與智能設備之間的數(shù)據(jù)上傳和下發(fā)[4]，并在相應的智慧化管理平臺上對油量數(shù)據(jù)進行縱向和橫向的實時對比與趨勢分析，當總油量變化趨勢異常時及時進行報警。

3 瀑布溝電站1F機組調(diào)速系統(tǒng)總油量簡化計算

以瀑布溝電站1F調(diào)速系統(tǒng)為研究對象，主要考慮回油箱、漏油箱、壓力油罐和接力器4個儲油設備。由于本例中接力器布置方式為雙接力器同向布置，因此接力器內(nèi)無變動油量?？紤]到油溫變化范圍較小、對總油量影響不大，因此本次計算中Ti值取1；考慮到調(diào)速系統(tǒng)中油液混雜一定氣體，因此本次計算中K值取1 000 MPa；調(diào)速系統(tǒng)額定油壓為6.3 MPa，因此壓力油罐和接力器的ΔPi取6.3 MPa，回油箱和漏油箱ΔPi取0 MPa。算法中各儲油設備具體參數(shù)見表2。

表2 各儲油設備參數(shù)表

由此，可以簡化瀑布溝電站1F調(diào)速系統(tǒng)總油量計算公式為：

V=(5.1+10.2×L回油箱)+(0.03+0.3×L漏油箱)+(0.6+3.4×L壓油罐)×1.006+(1.8+0)×1.006=

10.2×L回油箱+0.3×L漏油箱+3.42×L壓油罐+7.54

此公式中，影響系統(tǒng)總油量的變動參數(shù)為回油箱、漏油箱及壓油罐的實時油位值。這3個數(shù)值在水電站監(jiān)控系統(tǒng)中已經(jīng)進行實時采集，通過在監(jiān)控系統(tǒng)中增加油量監(jiān)測分析模塊，就可以實現(xiàn)系統(tǒng)總油量的監(jiān)測。

4 結 語

本改進方案與傳統(tǒng)泄漏監(jiān)測報警系統(tǒng)相比，增加了實時油量這一監(jiān)測量，從一維監(jiān)測變?yōu)槎嗑S監(jiān)測，大大提高了油量監(jiān)測的精確度，降低泄漏報警閾值范圍，從而極大地降低因為泄漏發(fā)現(xiàn)不及時而造成的損失和環(huán)境破壞。除此之外，當系統(tǒng)中出現(xiàn)傳統(tǒng)方式難以發(fā)覺的輕微滲漏時，也可以通過實時的油位變化趨勢分析而提前發(fā)現(xiàn)，避免隱患的進一步惡化。

目前，我國水電站正在向“無人值班(少人值守)、遠方集控”的運行模式轉(zhuǎn)變[5]，隨著環(huán)境保護要求的提高，傳統(tǒng)的一些事故監(jiān)測預警方式也必將發(fā)生相適應的改變。本文以水電站最長見的透平油泄漏污染為切入點，就提高水電站油量監(jiān)測精確度提出了切實可行的改進方法，可為各類水電站進一步降低透平油泄漏危害提供一定的參考。