水电站透平油系统油混水监测装置分析及改进

杨黎明，李利华，尹春元，杜雄春，张冲林(中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133)

透平油又称汽轮机油，适合高速机械润滑用，主要用于需要深度精致润滑油的润滑场合，具有润滑、散热、液压操作的作用。透平油在水电站主要用于调速液压系统液压操作、水轮发电机导轴承润滑和散热。

水电站冷却透平油的介质主要是技术供水，因此水侵入透平油的现象是难以避免的。透平油含水严重时通常会对机组产生危害。一是，油中水分的存在会破坏透平油形成的油膜，使油品的润滑效果变差，加速透平油各项性能的劣化，降低设备的使用寿命，导致导轴承瓦烧毁，对导轴承等设备的正常运行构成严重威胁[1]。二是，油系统部件产生腐蚀和锈斑。这是由于透平油添加剂中的某些元素与侵入油中的水分相结合产生酸的作用。特别是当系统同时受水分和颗粒物污染时所造成的后果比水或污染物单独存在时更为严重，因为颗粒污染物使磨损后露出的新的金属表面不断受到水和酸的腐蚀作用而加速了磨损过程[2-3]，使调速系统灵敏度下降。透平油中的水分也会使调速系统金属部件的表面发生锈蚀，导致调速系统的卡涩，机组出力波动，严重时还会使调速系统失灵[4]。

透平油系统的正常工作对水轮发电机组安全经济运行具有重要的作用。水分含量是透平油的关键性指标之一，在油系统安装油混水在线检测装置是常用手段。油中含水率超过设定值时，油混水监测装置发出报警信号。然而，由于油混水装置的设计和安装常常存在问题，没有达到正常监测油系统含水量的效果。

1 水电站常用油混水在线监测装置分析

油混水监测装置，即油混水信号器，又称油混水开关或油混水控制器，可以在线监测油槽容器中的含水量情况。油混水信号器用于监测水电站、火电厂及大型泵站油系统中的混水或积水量。当油箱、油管路中混水或积水即发出报警信号，提醒值班人员及时检查系统，确保发电机组安全运行。水电站常用的油混水信号器采用电容式原理，如图1。电容式油混水监测装置结构简单，适用范围广，成本和维护难度较低。电容式传感器由内、外电极(相当于电容两个极板)及电路部分组成。当油中混水或积水后，由于二者介电常数相差很大，则由内、外电极构成的电容值发生显著变化。传感器电路产生一稳幅高频方波，当电容值发生变化，则方波频率发生变化，经过对信号的处理放大比较，输出相应的报警信号。

图1 电容式油混水在线监测装置图

油混水信号器传感器安装时，应保证电极长度(有效测量范围)段完全没入油中，安装方式有内置式和外置式两种，但都存在一定不足。

内置式安装方式指在油槽侧部或底部槽壁开孔，直接将油混水变送控制器安装于油槽上，装置电极伸入油槽内部。由于变送控制器监测元件位于油槽内部，元件附件的油处于流动状态，具有较强的时效性，但是一旦变送器损坏需更换时，要么排空油槽费时费力，要么直接拧下变送器再拧上新的变送器，过程中必然造成油槽在安装孔处漏油。

外置式安装方式指装置电极不伸入油槽内部，而是通过管道将油液导出油槽，同时把监测电极装在管道中。通过开断管道上的阀门，可解决监测装置更换时的漏油问题，油槽不需要排油。外置式油混水监测装置由于装置进油口和出油口处油液流速和压力基本一致，没有使装置中油流动的动力，装置中的油和油槽中的油仅靠油的分子运动进行交换，速度非常慢，即使油槽中含水率超标，但由于变送控制器监测元件接触的油更新需要时间较长，装置在这段时间内不会发出报警信号，失去对油槽中油内含水率监测的时效性和灵敏性。在实际生产中，容易出现油中含水量超过装置报警值，透平油已乳化，油色变白，但装置却无报警信号的情况，给透平油系统的安全运行带来重大隐患。

有鉴于此，需要设计新型油混水监测装置，优化安装方式，克服上述缺点。

2 思路一：加装微型油泵实现强迫循环效果

设计一种装有微型油泵的油混水监测装置，具有时效性、灵敏性，可实现远程监视和自动报警，并可轻松更换油混水变送控制器。其原理见图2。装置由金属油管、进油截止阀、四通腔体、出油截止阀、油混水变送控制器、排油阀、排油管、微型油泵组成。金属油管、进油截止阀、四通腔体、出油截止阀、油混水变送控制器、排油阀、排油管、微型油泵连接装配并保证密封，金属油管与油槽取油管连接，油混水变送控制器监测元件安装在四通腔体中，工作原理如下。

图2 强迫循环型油混水在线监测装置图

1)正常监测时，进油截止阀、出油截止阀开启，排油阀关闭，监测装置内的油与油槽内的油连通。微型油泵运转，强迫油槽中的油从装置进油口流入、出油口流出，监测装置中的油与油槽中的油液始终快速循环交换，通过油混水变送控制器发送4～20 mA模拟量信号和开关量报警信号给监控系统，实现自动、远程监控油的含水率。

2)需更换油混水变送控制器或微型油泵时，关闭进油截止阀、出油截止阀即可施工，方便易行。

3)需要排除监测装置中的异常油液时，可关闭出油截止阀，打开进油截止阀、排油阀，启动微型油泵强迫油液通过排油管排出，实现方便更换装置内异常油液且不会污染油槽。

3 思路二：利用特殊结构实现流体自泵循环效果

水轮发电机组运行时，导轴承高速旋转，带动透平油在油槽内转动。因此，可以利用流体力学原理，设计一种特殊结构的油混水监测装置，使流动的油液产生自泵效果。原理结构如图3，装置由喇叭形进油口、金属油管、油路截止阀、四通腔体、排油阀门、油混水变送控制器、凸形减压出油口组成。喇叭形进口、凸形减压出油口紧贴油槽内壁安装，通过油槽侧壁上的进出油孔与金属油管相联通，金属油管、油路截止阀、四通腔体、排油阀门装于油槽外部，各部件装配连接并保证密封。金属油管弯曲部位形状为弧形，以减少油液流动阻力，工作原理如下。

图3 自泵循环型油混水在线监测装置图

1)正常监测时，油路截止阀开启、排油阀门关闭，监测装置内的油与油槽内的油连通。油槽内的油在旋转设备(例如轴承)的带动旋转流动，遇到喇叭形进油口的收缩结构流动速度降低，压强增大；油槽油流在凸形减压出油口由于流线增大，流速加快，油液压强降低。因此，喇叭形进油口和凸形减压出油口两者附近产生压差，成为监测装置内油的流动动力。只要油槽的油旋转运动，无需额外动力，监测装置中的油就可实现自动流动，持续与油槽中的油液循环交换，通过油混水变送控制器发送4～20 mA模拟量信号和开关量报警信号给监控系统，实现自动、远程监控油的含水率。

2)在需要排除监测装置中的异常油液时，可打开油路截止阀、排油阀门，装置中的油在油槽油的压力驱动下自动排除。

3)需更换或取出油混水变送控制器时，关闭油路截止阀即可施工，方便易行。

4 两种思路对比分析

两种思路对比如下。

1)思路一：多了一个微型电机油泵，需要为电机提供动力和控制，并增加状态监测功能，装置电气回路相对复杂，一定程度增加了维护工作量；应用范围广泛，即使油槽中的油静止，油混水监测装置中的油也能持续与油槽中的油液循环交换，油混水变送控制器检测元件接触的油快速更换，保证油混水监测装置的时效性。

2)思路二：技术方案结构简单可靠，成本和维护难度较低，具有较高的可靠性和灵敏性；但透平油的运动是油液在装置中油循环的动力，适合用在导轴承油槽等油液高速旋转的设备，不适合用在油液不持续稳定流动或流速较低的环境；如果安装在调速器液压装置上，则需要选择油液有较强运动的位置。

5 结 语

综上所述，可得出以下结论：

1)两种新方法均可解决水电站常用的电容式油混水监测装置更换难或动作不灵敏的问题，同时保留了其成本低的优点，具有实用价值；

2)微型油泵强迫循环式安装范围较广，导轴承油槽、调速器液压系统油槽等均可使用；

3)自泵式可安装在机组运行是油液流动较强的导轴承油槽。