“离心闪蒸脱水”新技术阻断真空滤油机跑油事故分析

赵志祥，王文兵

(1.江苏方天电力技术有限公司，南京 211102；2.北京瞬节科技有限公司，北京 100085)

0 引言

真空滤油机广泛应用于介质油的脱气(水)、过滤处理，在电力行业中，很多企业都选用真空滤油机进行润滑油、抗燃油、绝缘油等油品的处理。

油中含水危害很大，为减少油中含水的危害，GB/T 7596—2008《电厂运行中汽轮机油质量》[1]规定，运行中润滑油水的质量浓度要小于100 mg/L；DL/T 571—2007《电厂用磷酸酯抗燃油运行与维护导则》[2]规定，运行中磷酸酯抗燃油中水的质量浓度要小于1 000 mg/L；GB/T 7595—2008《运行中变压器油质量》[3]规定，运行中变压器水的质量浓度，根据电压等级，300～1 000 kV要≤15 mg/L，220 kV要≤25 mg/L，110 kV及以下要≤35 mg/L。在实际生产运行中，由于系统设计、选材以及长期磨损、操作不当等原因，上述油品中会漏入水分，需要进行脱水处理。

油中水分通常有2种可能的存在形态：溶解水与游离水。以汽轮机油中的水分为例，溶解水是均匀分布在油中的水分，在电厂运行条件下，溶解在油中水的最大质量浓度约150 mg/L(具体数值与油的成分、温度、添加剂等有关)；游离水是以微小水珠的形式存在于油中的水分，这些小水珠由于带有杂质，颗粒粒径很小，有时很难从油中分离出来。含有游离水的润滑油外观浑浊，而只含溶解水的润滑油外观是透明的。由于电厂汽轮机油箱系统混合比较强烈，只有超过溶解度的水分才会以游离水的形式存在。也就是说，如果油中含有游离水，外观浑浊，则水的质量浓度都在150 mg/L 以上。目前，真空滤油机是唯一可使少量含水润滑油系统含水量达标的设备。真空滤油机能去除游离水，也能去除溶解水，因此能够将油中水的质量浓度降到很低的水平，实际可以达到10 mg/L 左右。一般来说，润滑油系统将油中水的质量浓度控制在80 mg/L以下即可。

1 现有真空滤油机的跑油隐患

1.1 真空滤油机脱水的基本原理

真空滤油机由真空脱气单元与过滤单元组成，关键单元是真空脱气单元，真空度越高，脱水(气)越彻底。

目前普遍使用的真空滤油机，大都采用真空罐来脱水，其原理是把需处理的油引入真空罐，油中水蒸气(包括易挥发气体)挥发到真空罐中，脱气处理后的油在重力作用下聚集到真空罐的底部。真空滤油机一般都连续运行，用真空泵从真空罐上端不断抽出气体，通过排气口排出；用泵从真空罐底部抽出脱气处理后的油。真空罐内的真空度越高，脱气处理的速度越快，效果越好。

1.2 油中泡沫产生的原因

气体分散在液体中的状态称为气泡，许多气泡相互结合在一起，彼此之间以很薄的液膜隔开，这种状态称为泡沫。其中，气体是泡沫生成的动力和必要条件，液膜的强度决定它的稳定性[4]。

在常压下，矿物油中溶解有约占其体积9%的空气和水。空气在油中的溶解量随压力增高而增大，当压力降低时，多余的空气和水蒸气就会从油中分离，以达到新的平衡。但分离出来的空气和水蒸气被油膜包围，且油膜又不易破裂时，就会形成泡沫。油在实际使用中由于受到振荡、搅动等作用，空气会进入润滑油而形成气泡。泡沫产生的另一个原

因是运行油油质劣化变质产生了容易起泡的表面活性物质，而消泡剂在运行中会逐渐消耗掉，不能抑制表面活性物质起泡。

在真空条件下，产生泡沫的主要原因是油中水大量变成水蒸气，消泡剂主要抑制活性起泡物质，对水蒸气不起作用。

下面主要讨论水变成水蒸气，水蒸气产生泡沫引起真空滤油机跑油的问题。

1.3 跑油隐患

理论上说，真空度越高脱水速度越快，然而高真空运行时，如果进油中水的质量浓度突然变大，水变成水蒸气，真空罐内会产生大量泡沫，很容易从真空罐的顶部通过真空管道跑进真空泵，造成跑油事故。为避免出现跑油现象，一般的真空滤油机有2个措施：第一，设有自动控制装置，在泡沫多时往真空罐内释放空气，降低真空度，减少泡沫；第二，调节进油、排油量，控制真空罐内油位，防止泡沫逸出跑油。

虽然在真空罐内安装泡沫探测传感器可以发现并避免跑油，但泡沫探测传感器有时会产生错误信号；调节进油、排油量有滞后现象，不能根本解决泡沫跑油问题。跑油事故是生产运行的重大安全隐患，应尽量避免。

1.4 降低真空度导致脱水速度慢

在真空负压下，水蒸气含量容易饱和，一般真空泵对高浓度的水蒸气很难抽出，故加入空气有利于真空泵工作，而1.3章节中所采用防跑油措施也需要加入空气，所以，普通润滑油真空滤油机工作时需要向真空室引进空气，致使真空室的工作真空度普遍较低，一般绝对压力在10～40 kPa。实际工作时，油在真空室内不是沸腾蒸发状态，而是以表面蒸发为主，所以脱水速度很慢。

1.5 低真空度下提高脱水速度的措施

(1)真空分离塔的改进：选用合适材料，设置合理的进气口，增加捕沫装置以及增大分离塔接触面积等；变频调节滤油机吸、排油泵流量[4]。

(2)配备大功率加热器，把油的温度升到55 ℃以上，提高水的蒸发量。

(3)增加聚结器。滤油脱水效率与真空度、油温度、油中水的界面张力有关,聚结技术使油充分分割并重新组合，使微小水珠冲破界面张力结合成较大体积的水珠，使界面张力降低。根据这一原理在真空室中装有聚结器，它使油中水分进入真空室之前组合成较大体积的水珠，并且它们的界面张力在真空环境下小于汽化后气体的膨胀压力，当油流过聚结器进入真空室的瞬间，水分被汽化从油中脱离暴露在真空中，干燥的油汇集在真空室下部，气体被真空设备抽出。

(4)向真空罐充气。在一定温度和真空度条件下，脱水脱气效果取决于气液二相界面面积大小、蒸发时间长短以及该界面更新速度快慢。连续在油中引入大量细微气泡，增加二相界面面积和蒸发时间，气泡的上升扩大又造成二相界面快速更新，从而使脱水、脱气效率得到提高。

虽然上述措施或多或少能提高脱水速度，但这些措施都没有从提高真空度、沸腾蒸发着手，不能大幅度提高脱水速度。有些措施还会带来别的安全隐患，例如在加热油时，大功率加热器由于发热功率大，长期工作的可靠性较差，存在安全隐患，也可能使油超温碳化。

2 “离心闪蒸脱水”新技术

从以上分析情况看，最大限度脱除油中的游离水和溶解水，水蒸气迅速和液体分离，可以消除泡沫产生的条件，防止因泡沫引起跑油事故。采用“离心闪蒸脱水”新技术，可以彻底解决真空滤油机运行中泡沫跑油问题。

2.1 “离心闪蒸脱水”技术原理

(1)闪蒸。物质的沸点随压力减小而降低，高温高压流体经过减压，沸点降低，进入闪蒸罐。这时，流体温度高于该压力下的沸点，流体在闪蒸罐中迅速沸腾汽化，并进行两相分离。闪蒸是从一个热力学平衡态到下一个热力学平衡态的变化，因此，2个热力学状态的变化只有压力的降低，并无内外功和热的交换。根据亨利定律，不同温度与分压下气相溶质在液相溶剂中溶解度不同。当溶剂压力降低时，溶剂中的溶质就会迅速解吸而自动放出，形成闪蒸，所以，闪蒸的控制指标只有一个，那就是闪蒸的压力。亨利定律指出：“在一定温度下，某种气体在溶液中的浓度与液面上该气体的平衡压力成正比”。此时的气体实际上是稀溶液中的挥发性溶质，气体压力则是溶质的蒸气压。

以润滑油为例，一般情况下，控制真空度绝对压力在2 kPa以下，润滑油在真空室内可以沸腾，形成闪蒸。

(2)离心分离。离心分离是借助于离心力，使密度不同的物质进行分离的方法。离心力是一种惯性力，物体在做非直线运动(圆周运动或转弯运动)时，因物体有自身的质量存在，其惯性会强迫物体继续朝着运动轨迹的切线方向前进，而且离心力与物体的质量成正比。

(3)“离心闪蒸脱水”技术原理。把闪蒸技术和离心分离技术结合，把需要处理的油品在高真空条件下闪蒸，控制闪蒸的压力，水变成水蒸气。闪蒸在离心力场中进行，水蒸气和油的质量相差很大，离心力相差很大，实现油和水蒸气的分离。分离出的气体被真空泵抽走，油被送出。“离心闪蒸脱水”技术构造示意图如图1所示。

图1 “离心闪蒸脱水”装置示意图

2.2 “离心闪蒸脱水”技术特点

(1)脱除油中水分效率高。现有脱除水分的技术主要是表面蒸发和聚结分离，表面蒸发只是在油膜表面实现水的蒸发，水蒸发的比例小；聚结分离只是把小水珠聚结成大水珠，易于分离，但只能处理游离水，不能处理溶解水。运用闪蒸技术，在高真空度下工作，实现沸腾蒸发，可以迅速脱除油中游离水、溶解水，脱除水蒸气效果好。

现有技术的真空度绝对压力比较大，一般为几十千帕，某真空滤油机的绝对压力达到40 kPa而“离心闪蒸脱水”技术绝对压力中控制在0.5～5.0 kPa。

(2)分离油气的时间短。现有油气分离技术，只是利用重力使油下落到真空罐的底部，分离时间长。“离心闪蒸脱水”技术，除了利用重力作用，还对油品增加了离心力，提高了分离效率，缩短了分离时间。

(3)不需要真空分离罐。现有真空脱水分离技术，需要真空分离罐作为油和水蒸气的分离装置，下面是液体，上部是气体，油中含水量变化会引起气体和液体体积变化，容易起泡。采用“离心闪蒸脱水”技术，油和水蒸气接触的时间短，脱水处理时油层很薄，消除了泡沫生成的必要条件。

(4)不需要向真空系统补入空气。现有技术条件下，为维持设备运行需要补空气降低真空度，会出现人为操作不当而使运行不稳定的情况。

(5)不需要加热。

2.3 应用实例

“离心闪蒸脱水”技术，在生产中试用取得了满意的效果。某电厂660 MW机组，大机润滑油体积70 m3，水的质量浓度300 mg/L，用原有技术一直没有把水的质量浓度降到小于100 mg/L的合格范围内。使用“离心闪蒸脱水”技术进行脱水处理，油温30 ℃左右，真空室绝对压力2 kPa，体积流量10 m3/h，运行50 h后，取样分析发现水的质量浓度降到70 mg/L。运行期间，无需调整进油量，无跑油事故。

3 结束语

“离心闪蒸脱水”新技术，结合了闪蒸技术和离心分离技术的优点，可最大限度地脱除介质油中的水分，与现有技术相比，脱水速度提高了好几倍；水蒸气和油液在离心场中被分离成为液体和气体，消除了泡沫产生的条件；不需要传统真空分离技术的真空分离罐，避免了泡沫存在的条件；彻底解决了真空滤油时，由于泡沫问题引起跑油的事故隐患。

参考文献：

[1]GB/T 7596—2008 电厂运行中汽轮机油质量[S].

[2]DL/T 571—2007 电厂用磷酸酯抗燃油运行与维护导则[S].

[3]GB/T 7595—2008 运行中变压器油质量[S].

[4]冯罡.透平油真空滤油机泡沫解决方案[J].过滤与分离，2008,18(1)：27-30.