曹娥江大閘液壓油智能凈化系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)

丁揚(yáng)威，鐘 俊，周國有

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.曹娥江大閘管理局，浙江 紹興 312073）

1 問題的提出

近年來隨著液壓啟閉技術(shù)在水利工程上的應(yīng)用日漸增多，油液污染度監(jiān)測及過濾的重要性逐漸突顯。對液壓系統(tǒng)而言，76%的故障是由于油液及其污染造成的，液壓油污染的主要來源有：機(jī)械內(nèi)部附有在工作中磨損產(chǎn)生的磨損顆粒；油液在使用過程中，隨著其功能下降而產(chǎn)生的膠結(jié)、油泥；工作環(huán)境的雜質(zhì)入侵[1]。液壓油污染物給液壓油和液壓系統(tǒng)帶來危害，例如空氣可能會造成液壓系統(tǒng)發(fā)生氣蝕并加速油液氧化，固體顆粒污染物可能會堵塞液壓閥閥芯、加速液壓元件磨損、影響比例閥組糾偏，水分會破壞潤滑油膜、加速油品氧化和添加劑降解。因此，液壓油在使用過程中應(yīng)經(jīng)常進(jìn)行性能檢測[2]。

目前水利行業(yè)液壓啟閉系統(tǒng)尚無液壓油智能凈化技術(shù)的應(yīng)用實例。各水利工程普遍采用液壓油定期離線檢測或定期更換的方式，減緩液壓油繼續(xù)退化或惡化措施通常采用人工凈油的方式。這些措施或方法，均無法實時掌握液壓油的健康狀況，造成浪費(fèi)，嚴(yán)重時影響閘門的安全運(yùn)行。

曹娥江大閘作為我國強(qiáng)涌潮河口地區(qū)第一大閘，閘門啟閉設(shè)備為28套2×1 600 kN的液壓啟閉機(jī)，均已實現(xiàn)閘門計算機(jī)遠(yuǎn)程控制，但如何準(zhǔn)確預(yù)判及檢測液壓油污染度狀況，并實現(xiàn)濾油過程的智能控制，是困擾管理人員的一大難題。本文首次將智能凈化技術(shù)運(yùn)用到啟閉機(jī)液壓油的濾油處理過程中，以解決曹娥江大閘的濾油問題。

2 現(xiàn)有濾油系統(tǒng)說明及分析

大閘現(xiàn)有液壓油過濾分為以下3個環(huán)節(jié)：

這3個環(huán)節(jié)需要人工現(xiàn)場操作轉(zhuǎn)換，其中第一環(huán)節(jié)在管道間操作，后2個環(huán)節(jié)在油處理室操作。油處理室現(xiàn)有過濾設(shè)備為1臺聚結(jié)式凈油機(jī)和1臺高精度多級濾油機(jī)。曹娥江大閘液壓油濾油系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 原濾油系統(tǒng)原理圖

目前，大閘完成1次凈油處理，需要3名經(jīng)驗豐富的工作人員在管道間和油處理室配合操作，且每孔閘門啟閉機(jī)濾油處理需要1 d時間。全部完成28孔閘門液壓油的過濾處理，至少需要1個月，而且是在油處理室濾油設(shè)備7×24 h不間斷工作。同時缺乏油品實時監(jiān)測系統(tǒng)，管理人員無法實時獲取液壓油的質(zhì)量情況，只能依靠運(yùn)行經(jīng)驗定期對油品進(jìn)行過濾，凈油結(jié)果無法保障，經(jīng)常造成糾偏閥組（比例閥組）頻繁工作。

這樣的運(yùn)行保障環(huán)境，對擋潮泄洪閘的運(yùn)行來說無疑存在安全隱患，且無法應(yīng)對突發(fā)事件。由于曹娥江大閘啟閉機(jī)處于強(qiáng)涌潮流的錢塘江邊上，每天啟閉頻繁，啟閉機(jī)大部分時間暴露在鹽霧環(huán)境中，液壓元器件在運(yùn)行過程中不斷產(chǎn)生固體顆粒和雜質(zhì)，液壓油的污染速度相較于其他液壓系統(tǒng)快很多。原有濾油系統(tǒng)存在的問題主要體現(xiàn)在兩方面：一方面是濾油任務(wù)繁重，操作人員工作強(qiáng)度大，長時間的運(yùn)行操作容易出現(xiàn)操作失誤，存在一定的安全隱患，且人力物力浪費(fèi)嚴(yán)重；另一方面是液壓油污染速度快且濾油周期長，各孔液壓油過濾需要嚴(yán)格按照事先制定好的濾油方案操作，突發(fā)性的污染事件容易打亂原有的濾油方案，造成污染超標(biāo)的液壓油不能及時過濾，從而磨損液壓元器件。

濾油系統(tǒng)的設(shè)計重心不僅在實現(xiàn)液壓油濾油的智能控制上，而且還需要解決啟閉機(jī)液壓油污染速度過快的問題。

3 液壓油智能凈化系統(tǒng)設(shè)計

3.1 污染速度控制方案

為控制液壓油污染速度，整套液壓油凈化系統(tǒng)設(shè)計采用油處理室集中凈化為主，管道間啟閉機(jī)旁路凈化為輔的運(yùn)行方案。在各孔液壓啟閉設(shè)備加設(shè)1套液壓油旁路凈化系統(tǒng)，主要去除油中的較大顆粒污染物，以減緩各孔液壓系統(tǒng)啟閉機(jī)回油箱內(nèi)液壓油的污染速度。

啟閉機(jī)旁路凈化系統(tǒng)獨(dú)立于啟閉機(jī)系統(tǒng)，不受系統(tǒng)流量和壓力特性支配，而且不承受沖擊和震動。液壓啟閉系統(tǒng)停機(jī)時，旁路凈化系統(tǒng)仍可進(jìn)行過濾，更換過濾器時液壓啟閉系統(tǒng)不必停機(jī)。啟閉機(jī)旁路凈化系統(tǒng)改造見圖2。

圖2 管道間啟閉機(jī)旁路凈化系統(tǒng)原理圖

3.2 智能凈化系統(tǒng)設(shè)計

本液壓油智能凈化系統(tǒng)按“無人值班，少人值守”的理念進(jìn)行設(shè)計，采用以可編程邏輯控制器PLC為核心的分層分布式計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)控各機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀況、管道狀態(tài)、液壓油污染度等。同時輔以功能強(qiáng)大的控制程序，協(xié)調(diào)和統(tǒng)一各設(shè)備的運(yùn)行，為凈化操作提供有序的控制邏輯，避免人工誤操作，并為突發(fā)狀況提供多種保護(hù)程序，確保系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行，同時為管理人員提供清晰的操作提示和運(yùn)行依據(jù)。液壓油智能凈化系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫接口，實現(xiàn)與曹娥江大閘計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、大閘標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享。

3.2.1 系統(tǒng)改造

3.2.1.1 油處理室凈化系統(tǒng)改造

根據(jù)油處理室現(xiàn)場實際情況和最新技術(shù)發(fā)展趨勢，油處理室閥門自動化改造采用一體化集成閥塊的方式，很好地解決了現(xiàn)有濾油系統(tǒng)管路復(fù)雜、接口處滲漏、停工檢修時間長等問題，并簡化油路管道，實現(xiàn)對閥門的集中式控制管理。電控閥采用插裝式電磁閥，直接安裝在集成閥塊上。閥塊在屏柜內(nèi)統(tǒng)一安裝，保證美觀和整潔，只留有與運(yùn)行油罐、凈油罐、濾油機(jī)和凈油機(jī)液壓油循環(huán)的出入口和管道間回油口。

在濾油機(jī)和凈油機(jī)出油管口各加裝1套齒輪流量計。流量計實時監(jiān)測管道中液壓油的流動狀態(tài)及流量，同時可輸出4 ～ 20 mA的電流信號至PLC模擬量輸入模塊，作為向油罐及啟閉機(jī)回油箱輸送液壓油的依據(jù)。在濾油機(jī)和凈油機(jī)的進(jìn)油管、出油管和新油進(jìn)口管加裝壓力變送器，實時監(jiān)測管道壓力。在循環(huán)油路出現(xiàn)故障時通過壓力信號及時發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)并及時排除，確保系統(tǒng)運(yùn)行安全。在運(yùn)行油罐、凈油罐和污油罐上加裝翻板式油位計，方便管理人員現(xiàn)場查看油罐的油位狀況，同時實時監(jiān)測各油罐的液位高度，輸出4 ～ 20 mA的電流信號和油位高中低3個開關(guān)量信號，作為自動控制系統(tǒng)的液位依據(jù)。

對濾油機(jī)、凈油機(jī)手動控制箱進(jìn)行遠(yuǎn)控改造。在增加遠(yuǎn)控回路的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展回路各元器件的狀態(tài)量信號（如遠(yuǎn)近控狀態(tài)、泵運(yùn)行狀態(tài)、超限報警、壓差報警等）輸出至現(xiàn)地LCU柜；數(shù)據(jù)實時采集至LCU柜，為系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制提供必要的運(yùn)行前提。油處理室凈化系統(tǒng)改造原理見圖3。

圖3 油處理室凈化系統(tǒng)改造原理圖

3.2.1.2 啟閉機(jī)旁路凈化系統(tǒng)改造

為實現(xiàn)對啟閉機(jī)旁路凈化系統(tǒng)的智能控制，需對齒輪泵控制箱進(jìn)行遠(yuǎn)控改造（擴(kuò)展電源監(jiān)視、遠(yuǎn)近控狀態(tài)、齒輪泵運(yùn)行狀態(tài)、故障報警、閥門啟閉狀態(tài)等信號輸出）；同時在啟閉機(jī)回油箱加裝液位變送器，實時監(jiān)測啟閉機(jī)回油箱液位數(shù)據(jù)，變送器輸出4 ～ 20 mA電流信號至PLC模擬量輸入模塊。旁路過濾器自帶過濾器堵塞報警輸出信號SP1，并通過在凈化循環(huán)管路加裝的壓力變送器SP2，在凈化過程中，實時監(jiān)測系統(tǒng)壓力變化，確保液壓油凈化的效果和安全。控制信號接入現(xiàn)地凈化系統(tǒng)控制PLC單元中，通過控制電磁換向閥YV1/YV2的開閉，完成液壓油旁路凈化循環(huán)、油處理室注油和啟閉機(jī)回油箱回油功能之間的切換。

3.2.2 污染度在線監(jiān)測

影響液壓油品質(zhì)的參數(shù)主要有溶解水含量、液壓油溫度、鐵磁性顆粒、非鐵磁性顆、介電常數(shù)、運(yùn)動黏度、油液污染度等。根據(jù)曹娥江大閘啟閉機(jī)多年來的實際運(yùn)行情況，溶解水含量和油液污染度是影響其可靠運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，因此本次在線監(jiān)測系統(tǒng)檢測的參數(shù)為顆粒污染物和溶解水含量。

液壓油智能凈化系統(tǒng)采用液壓油在線監(jiān)測和定期離線檢測方法相結(jié)合的方式進(jìn)行。液壓油在線監(jiān)測系統(tǒng)使用的污染度傳感器采用LED消光自動光學(xué)顆粒技術(shù)，自動測量并顯示液壓流體中的顆粒污染物、溶解水含量和溫度水平。傳感器通過MODBUS 485協(xié)議與現(xiàn)地LCU柜內(nèi)PLC實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，并在控制中心監(jiān)控軟件的人機(jī)界面實時展現(xiàn)給管理人員，自動將數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)服務(wù)器以備查詢、分析。管理人員定期對所有監(jiān)測液壓油進(jìn)行一次化驗檢查，以校核污染度傳感器的測量精度，及時發(fā)現(xiàn)故障設(shè)備。

根據(jù)現(xiàn)場考察情況，在每套液壓站閥組柜泵源閥組出口處、高精度多級濾油機(jī)進(jìn)油管上加裝污染度傳感器。以下以油處理室在線監(jiān)測改造系統(tǒng)實例說明（見圖4）：當(dāng)濾油機(jī)濾油時，液壓油在監(jiān)測入口形成分流，一部分直接通過油管流入濾油機(jī)；另一部分流入至污染度傳感器。液壓油在傳感器內(nèi)部完成污染度檢測后，經(jīng)監(jiān)測出口回流至濾油機(jī)進(jìn)油管進(jìn)行過濾。傳感器檢測結(jié)果通過RS485接口實時傳輸至PLC，為液壓油智能凈化提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖4 油處理室在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2.3 智能循環(huán)凈化處理

液壓油智能凈化系統(tǒng)可以實現(xiàn)液壓油在啟閉機(jī)回油箱、油處理室之間的智能在線循環(huán)凈化處理，無需管理人員離線人工搬運(yùn)液壓油。

污染度傳感器實時監(jiān)測液壓油污染度，當(dāng)污染度偏高時，系統(tǒng)自動運(yùn)行旁路凈化系統(tǒng)來維持回油箱內(nèi)的低顆粒濃度。經(jīng)過多次旁路凈化循環(huán)仍不能將污染度降低至設(shè)定安全水平時，在啟閉機(jī)的非運(yùn)行時間，系統(tǒng)自動控制齒輪泵和電磁換向閥將回油箱中的液壓油注入到油處理室的運(yùn)行油罐，并啟動油處理室凈化系統(tǒng)，對污油進(jìn)行深度全面的凈化處理。凈化完成后的清潔液壓油，利用電磁換向閥和凈油機(jī)自動流回啟閉機(jī)回油箱。為了防止油罐、回油箱、管路內(nèi)壁、控制閥等元件上殘留的污油對凈化后的凈油造成二次污染，系統(tǒng)采用二次循環(huán)的方式消除，即通過凈油沖刷管壁，再將沖洗后的油送入油處理室凈化系統(tǒng)再次凈化，以保證液壓油的的清潔度和液壓系統(tǒng)的可靠性。整個操作流程均由上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)完成。

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對液壓油的工作時間和污染度變化進(jìn)行全程記錄。通過對啟閉機(jī)液壓油大量運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，預(yù)測液壓油油質(zhì)變化情況，并形成經(jīng)驗曲線，提前制定供參考的凈化方案，作為液壓油智能凈化系統(tǒng)運(yùn)行的依據(jù)，實現(xiàn)液壓油的循環(huán)凈化處理。

3.2.3.1 油處理室凈化流程

啟閉機(jī)回油箱的廢油由齒輪泵注入污油罐回收處理；新油直接加入運(yùn)行油罐，檢驗合格后導(dǎo)入凈油罐，經(jīng)聚結(jié)式凈油機(jī)送回啟閉機(jī)回油箱；啟閉機(jī)回油箱需過濾的污油由齒輪泵注入運(yùn)行油罐后進(jìn)行管內(nèi)循環(huán)；顆粒過濾完成后，流回凈油罐再進(jìn)行除水分操作。過濾好的液壓油由聚結(jié)式凈油機(jī)送回至管道間啟閉機(jī)回油箱。凈化過程見圖5。

圖5 油處理室凈化系統(tǒng)流程圖

3.2.3.2 啟閉機(jī)旁路凈化流程

當(dāng)系統(tǒng)檢測到啟閉機(jī)回油箱液壓油污染度超過設(shè)定的指標(biāo)時，自動運(yùn)行旁路凈化系統(tǒng)，將液壓油污染度維持在一個較低的水平。根據(jù)事先制定的液壓油過濾方案需要凈化或液壓油污染度過高時，由齒輪泵將回油箱內(nèi)的液壓油注入油處理室的運(yùn)行油罐進(jìn)行處理。油處理室處理完的液壓油經(jīng)過旁路過濾器，送回至回油箱。旁路凈化流程見圖6。

圖6 管道間旁路凈化系統(tǒng)流程圖

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行效果

根據(jù)曹娥江大閘以往的運(yùn)行數(shù)據(jù)，液壓站液壓油品等級從NAS5級上升至NAS12級，所需時間為1 a左右。智能凈化系統(tǒng)建成運(yùn)行已有9個月，各孔液壓油品等級在NAS5 — NAS7級穩(wěn)定波動，液壓油污染速度得到有效控制。

系統(tǒng)實時檢測油品等級，一旦超過油品NAS等級的預(yù)警值，即自動啟動旁路過濾凈化。液壓油循環(huán)凈化處理全過程，均在中控室上位機(jī)軟件監(jiān)控平臺遠(yuǎn)程操作。大閘只需1人即可完成液壓油凈化處理，且處理時間比手動控制節(jié)省1/2左右，操場人員的工作強(qiáng)度大大降低，凈化效率得到提高。

通過系統(tǒng)實際運(yùn)行檢驗，曹娥江大閘液壓油智能凈化系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，有效解決大閘繁瑣的濾油任務(wù)，保證液壓啟閉系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。

4 結(jié) 語

在對現(xiàn)有曹娥江大閘液壓油濾油操作方式分析研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用最新的油液檢測和自動控制技術(shù)，構(gòu)建了一套切實可行的液壓油智能凈化系統(tǒng)，實現(xiàn)了液壓油污染度的在線實時監(jiān)測和凈油過程的自動化運(yùn)行。

曹娥江大閘液壓油智能凈化系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)，使大閘管理運(yùn)行方式得到改變，大大減輕操作人員繁重的濾油工作，提高大閘快速應(yīng)急能力、管理效能和智能化管理水平；確保液壓系統(tǒng)液壓油的油品質(zhì)量，改善擋潮泄洪閘液壓系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，為曹娥江大閘運(yùn)行的可靠性、安全性提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐；同時也為其他水利工程液壓系統(tǒng)保障環(huán)境的改善提供切實可行的參考方案。

[1] 張慶良.液壓油污染度的在線監(jiān)測技術(shù)[J].液壓與氣動，2011(12)：87 - 88.

[2] 董志磊，潘燕，王月行，等.液壓油污染度和水分含量在線檢測研究[J].潤滑與密封，2015，40(7)：129 - 132.