平衡电荷式滤油机在水轮机调速系统的应用

于跃，万永发，臧卫杰，焦玉峰

(水利部小浪底水利枢纽管理中心，郑州　450099)



平衡电荷式滤油机在水轮机调速系统的应用

于跃，万永发，臧卫杰，焦玉峰

(水利部小浪底水利枢纽管理中心，郑州450099)

小浪底水电站水轮机调速器筒阀液压系统运行中形成了大量油泥，导致控制阀组出现操作滞后和卡涩现象，影响机组的安全稳定运行。对油泥的成分及产生的原因进行了分析，通过对比两种形式的静电滤油机，选取了平衡电荷式滤油机对油泥进行在线过滤，使用效果良好，机组未再发生阀组卡涩现象。

小浪底水电站；水轮机；调速器液压系统；油泥；平衡电荷式滤油机；在线滤油

1　小浪底水电站水轮机调速系统概况

小浪底水电站安装6台水轮发电机组,调速器为电液调速器[1]。水轮机调速系统包含调速器系统和筒阀液压系统，均由美国VOITH公司生产[2]，2个系统共用1套压油装置和液压油，调速器电液转换器为动圈阀结构，筒阀电液转换器为比例阀结构。每套压油装置设有1台压力油罐和1台回油箱，压力油罐容积为9.64 m3，额定操作油压为6.4 MPa。压油装置使用的液压油为美孚DTE中级#46汽轮机油(以下简称美孚油)[3]。

小浪底水电站机组投运后，6台水轮机调速器出现动圈阀调整滞后的问题，造成水轮机调速器抽动，运行负荷最大波动值达50 MW；水轮机开停机时筒阀比例阀出现卡涩现象，造成筒阀不能正常执行启闭指令。经现场检查发现，美孚油油质劣化是动圈阀调整滞后和筒阀电磁阀动作卡涩的主要原因。美孚油在调速器和筒阀液压系统运行过程中产生油质劣化产物，主要以油泥形式存在，这些油泥大部分沉积于调速器回油箱底部，少量附着在调速器和筒阀液压系统阀组阀芯上。

2　油泥成因分析

美孚油泥的主要成分包括：铁(Fe)，设备磨损生成；锌(Zn)，油中的添加剂二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)分解生成；碳硫氧化物或碳氧化物，ZDDP分解生成。

通过热稳定性试验(ASTM D2070)测定美孚新油，发现美孚新油在135 ℃下即可产生较多的油泥，超过200 mg/100 mL。油品添加剂ZDDP的热分解沉积是美孚油泥的最初来源[3]，这些油泥作为磨粒可能进一步引发金属的磨损，从而导致油泥中含有大量的Fe元素。油品的局部过热是导致油泥生成的根本原因。

小浪底水电站机组调速器筒阀液压油系统有40余个阀组，配置9.64 m3的压油罐，作为液压系统的蓄能装置，6.4 MPa工作压力为液压系统动作提供动力。运行状态下油罐内一半为压缩空气，压缩空气与润滑油直接接触，部分溶于油，在经过油泵时气泡发生绝热压缩，使得油温迅速升高，导致基础油和添加剂ZDDP发生热分解，产物为不溶于油的固体颗粒(油泥)。当含有空气的油在管道和电磁阀(尤其是小开度电磁阀)中流动突然被截流时[3]，油受到绝热压缩形成气泡，油温局部迅速升高，基础油和添加剂ZDDP同样会发生热分解，产生油泥。这些油泥颗粒附着在电磁阀阀芯表面，局部因摩擦产生大量热量，进一步加剧基础油和添加剂的热解[4]。

通过上述分析可知，大量空气压入液压系统润滑油中，会形成局部气泡绝热压缩，引发润滑油中基础油和添加剂发生热分解，导致油质劣化，生成油泥等产物，是润滑油产生油泥的根本原因。

3　解决方案

为解决小浪底水电站水轮发电机组调速器及筒阀液压系统润滑油的油泥生成问题，电站工作人员提供了3种方案：(1)方案1：通过设备改造，实现润滑油与压缩空气之间的隔离；(2)方案2：采取润滑油改性的方法，延缓油泥生成的速度；(3)方案3：采用过滤装置，通过在线过滤有效去除油质劣化生成的油泥。

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表1　两种形式静电滤油机的比对

经分析，方案1涉及的设备结构复杂，实施难度大，成本高，风险大；方案2只能在一定程度上延缓油泥的生成速度，但不能从根本上阻止油泥的产生；方案3技术成熟，容易实施，且不影响液压系统润滑油的主体性能。

4　在线滤油装置的选择

经调研发现，传统的滤芯式过滤方式无法有效解决小浪底水电站油泥问题，原因如下。

(1)传统过滤方式采用滤芯进行过滤，滤芯的孔径大小决定了过滤的精度。随着污染物的增加，油液的压力也不断增大，滤芯孔径被冲击挤压变大，导致过滤精度降低。

(2)滤芯上附着的污染物不断增加，油液通过的阻力随之增加，功耗和油温也相应提高，设备耗电量增加。为解决滤材过滤精度问题，不断开发出高精度的滤材，但随着精度的提高，系统压力也随之升高，大大制约了过滤的效率。

(3)不论是板框式的纸过滤还是采用滤芯的传统机械过滤，都无法过滤掉软质的、粒径小于1 μm的颗粒物，而这正是形成油泥和胶质污垢的根源。

(4)化验表明，粒径<1 μm的油泥颗粒占油泥总量的60%，这些细小的颗粒可以通过滤芯后在阀组内积聚，导致阀组卡涩。

(5)目前已积聚在系统管路上的油泥无法通过过滤去除。

小浪底水电站工作人员经过调查分析，发现静电滤油机比较适合小浪底水电站的情况，静电滤油机主要有以下优势。

(1)采用向油泥通电的方式，使油泥在正、负极吸引下被过滤，过滤效果较好。

(2)可完全去除传统机械过滤方式不能除去的油液内的氧化物，防止不溶于油液的胶状氧化物堆积而形成油泥。

(3)可有效清除油液内的金属、非金属、有机物等不溶于油的杂质。

(4)结构紧凑、移动自如、使用方便、易实现在线过滤。

(5)静电滤油机净化后的油品带有弱极性，通过系统管路时可以继续吸附管路内的油泥，不断清洁管路系统，使油系统历久常新。

静电滤油机主要分静电吸附式滤油机和平衡电荷式滤油机。静电吸附式滤油机的工作原理是：在滤芯两侧设计平行的正、负电极，在电极上加直流高压电，电极之间产生较强的电场，利用电泳工作原理，使污染物附着在滤芯上，达到除去油液中不溶性污染物的目的。平衡电荷式滤油机的工作原理是：滤油机自动、连续检测流体中的平均剩余电荷，以判断污染颗粒物的形式和分布状况，然后对2个对等的支流分别加载可控电流，所有类型的污染颗粒物都带上接近平衡的正、负电荷；让2个支流进行充分混流，利用正、负相吸引的原理，使分别携带正、负电荷的颗粒物相互吸附，尺寸增大的同时完成大部分电荷的平衡；通过一定的循环，即使是十分微小的颗粒物也“长大”到可被常规精度的过滤器收集清除，尚未完成平衡的超细小颗粒(亚微米级)则通过过滤器进入流体系统，动态地、强制性地拔除油箱、油路、阀门、设备内部过流通道、轴承、轴套及轴颈上的各类污染垢和沉积物。两种形式静电滤油机的比对见表1。

根据综合比对，考虑到水电站压缩空气中一般含有水分且油量较大，最终选择平衡电荷式滤油机作为在线滤油机。

5　应用效果

小浪底水电站选取#4机组进行试验，根据生产管理信息系统2009—2012年的运行记录，试验前的数据如下。

(1)近4年间，#4机组调速器、筒阀电液转换装置发生卡涩14次。

(2)调速系统自带的油过滤器经常堵塞，近4年来报警190次以上，平均每月更换滤芯4次。

(3)每次C级检修，都会在集油箱底部清理出大量的胶质油泥，增加了检修工作量。

(4)油品清洁度为NAS12级。

平衡电荷式滤油机运行3个月后，油品清洁度对比见表2。

根据小浪底水利枢纽运行记录，自平衡电荷式滤油机投入使用之后， 2年内#4机组未再发生过动圈阀和筒阀卡涩现象，系统过滤器也未出现过堵塞，系统运行平稳。机组C级检修发现，油箱底部油泥已全部消失，油箱洁净如新。

平衡电荷式滤油机使用初期1个月更换1次滤芯，1个月后可达到半年更换1次滤芯，损耗在正常范围内。全部采用固定不锈钢管路连接，可以实现24 h无人值守滤油，出现问题会自动停机，极大地提高了过滤效率，节省了人工，非常适合自动化程度较高、人员较少的水电站。

表2　#4机组过滤前、后污染物颗粒分段计数对比

6　结束语

目前，小浪底水电站6台机组已全部使用平衡电荷式滤油机进行在线过滤，使用效果良好，未再发生阀组卡涩现象。

[1]金淑，张宁，张琳瑄.大电机水轮机标准汇编[M].北京：中国标准出版社，1996.

[2]胡宝玉，钟光华.小浪底水利枢纽工程[M].北京：中国水利水电出版社，2004.

[3]张立平.液压控制系统及设计[M].北京：化学工业出版社，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.

(本文责编：刘芳)

2016-05-30；

2016-07-01

TV 734.4

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1674-1951(2016)07-0051-03

于跃(1982—)，男，吉林桦甸人，工程师，从事水轮发电机组检修维护工作(E-mail:13523794846@163.com)。