水電站透平油系統(tǒng)油混水監(jiān)測裝置分析及改進(jìn)

楊黎明，李利華，尹春元，杜雄春，張沖林(中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133)

透平油又稱汽輪機油，適合高速機械潤滑用，主要用于需要深度精致潤滑油的潤滑場合，具有潤滑、散熱、液壓操作的作用。透平油在水電站主要用于調(diào)速液壓系統(tǒng)液壓操作、水輪發(fā)電機導(dǎo)軸承潤滑和散熱。

水電站冷卻透平油的介質(zhì)主要是技術(shù)供水，因此水侵入透平油的現(xiàn)象是難以避免的。透平油含水嚴(yán)重時通常會對機組產(chǎn)生危害。一是，油中水分的存在會破壞透平油形成的油膜，使油品的潤滑效果變差，加速透平油各項性能的劣化，降低設(shè)備的使用壽命，導(dǎo)致導(dǎo)軸承瓦燒毀，對導(dǎo)軸承等設(shè)備的正常運行構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1]。二是，油系統(tǒng)部件產(chǎn)生腐蝕和銹斑。這是由于透平油添加劑中的某些元素與侵入油中的水分相結(jié)合產(chǎn)生酸的作用。特別是當(dāng)系統(tǒng)同時受水分和顆粒物污染時所造成的后果比水或污染物單獨存在時更為嚴(yán)重，因為顆粒污染物使磨損后露出的新的金屬表面不斷受到水和酸的腐蝕作用而加速了磨損過程[2-3]，使調(diào)速系統(tǒng)靈敏度下降。透平油中的水分也會使調(diào)速系統(tǒng)金屬部件的表面發(fā)生銹蝕，導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)的卡澀，機組出力波動，嚴(yán)重時還會使調(diào)速系統(tǒng)失靈[4]。

透平油系統(tǒng)的正常工作對水輪發(fā)電機組安全經(jīng)濟運行具有重要的作用。水分含量是透平油的關(guān)鍵性指標(biāo)之一，在油系統(tǒng)安裝油混水在線檢測裝置是常用手段。油中含水率超過設(shè)定值時，油混水監(jiān)測裝置發(fā)出報警信號。然而，由于油混水裝置的設(shè)計和安裝常常存在問題，沒有達(dá)到正常監(jiān)測油系統(tǒng)含水量的效果。

1 水電站常用油混水在線監(jiān)測裝置分析

油混水監(jiān)測裝置，即油混水信號器，又稱油混水開關(guān)或油混水控制器，可以在線監(jiān)測油槽容器中的含水量情況。油混水信號器用于監(jiān)測水電站、火電廠及大型泵站油系統(tǒng)中的混水或積水量。當(dāng)油箱、油管路中混水或積水即發(fā)出報警信號，提醒值班人員及時檢查系統(tǒng)，確保發(fā)電機組安全運行。水電站常用的油混水信號器采用電容式原理，如圖1。電容式油混水監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)簡單，適用范圍廣，成本和維護難度較低。電容式傳感器由內(nèi)、外電極(相當(dāng)于電容兩個極板)及電路部分組成。當(dāng)油中混水或積水后，由于二者介電常數(shù)相差很大，則由內(nèi)、外電極構(gòu)成的電容值發(fā)生顯著變化。傳感器電路產(chǎn)生一穩(wěn)幅高頻方波，當(dāng)電容值發(fā)生變化，則方波頻率發(fā)生變化，經(jīng)過對信號的處理放大比較，輸出相應(yīng)的報警信號。

圖1 電容式油混水在線監(jiān)測裝置圖

油混水信號器傳感器安裝時，應(yīng)保證電極長度(有效測量范圍)段完全沒入油中，安裝方式有內(nèi)置式和外置式兩種，但都存在一定不足。

內(nèi)置式安裝方式指在油槽側(cè)部或底部槽壁開孔，直接將油混水變送控制器安裝于油槽上，裝置電極伸入油槽內(nèi)部。由于變送控制器監(jiān)測元件位于油槽內(nèi)部，元件附件的油處于流動狀態(tài)，具有較強的時效性，但是一旦變送器損壞需更換時，要么排空油槽費時費力，要么直接擰下變送器再擰上新的變送器，過程中必然造成油槽在安裝孔處漏油。

外置式安裝方式指裝置電極不伸入油槽內(nèi)部，而是通過管道將油液導(dǎo)出油槽，同時把監(jiān)測電極裝在管道中。通過開斷管道上的閥門，可解決監(jiān)測裝置更換時的漏油問題，油槽不需要排油。外置式油混水監(jiān)測裝置由于裝置進(jìn)油口和出油口處油液流速和壓力基本一致，沒有使裝置中油流動的動力，裝置中的油和油槽中的油僅靠油的分子運動進(jìn)行交換，速度非常慢，即使油槽中含水率超標(biāo)，但由于變送控制器監(jiān)測元件接觸的油更新需要時間較長，裝置在這段時間內(nèi)不會發(fā)出報警信號，失去對油槽中油內(nèi)含水率監(jiān)測的時效性和靈敏性。在實際生產(chǎn)中，容易出現(xiàn)油中含水量超過裝置報警值，透平油已乳化，油色變白，但裝置卻無報警信號的情況，給透平油系統(tǒng)的安全運行帶來重大隱患。

有鑒于此，需要設(shè)計新型油混水監(jiān)測裝置，優(yōu)化安裝方式，克服上述缺點。

2 思路一：加裝微型油泵實現(xiàn)強迫循環(huán)效果

設(shè)計一種裝有微型油泵的油混水監(jiān)測裝置，具有時效性、靈敏性，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和自動報警，并可輕松更換油混水變送控制器。其原理見圖2。裝置由金屬油管、進(jìn)油截止閥、四通腔體、出油截止閥、油混水變送控制器、排油閥、排油管、微型油泵組成。金屬油管、進(jìn)油截止閥、四通腔體、出油截止閥、油混水變送控制器、排油閥、排油管、微型油泵連接裝配并保證密封，金屬油管與油槽取油管連接，油混水變送控制器監(jiān)測元件安裝在四通腔體中，工作原理如下。

圖2 強迫循環(huán)型油混水在線監(jiān)測裝置圖

1)正常監(jiān)測時，進(jìn)油截止閥、出油截止閥開啟，排油閥關(guān)閉，監(jiān)測裝置內(nèi)的油與油槽內(nèi)的油連通。微型油泵運轉(zhuǎn)，強迫油槽中的油從裝置進(jìn)油口流入、出油口流出，監(jiān)測裝置中的油與油槽中的油液始終快速循環(huán)交換，通過油混水變送控制器發(fā)送4～20 mA模擬量信號和開關(guān)量報警信號給監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)自動、遠(yuǎn)程監(jiān)控油的含水率。

2)需更換油混水變送控制器或微型油泵時，關(guān)閉進(jìn)油截止閥、出油截止閥即可施工，方便易行。

3)需要排除監(jiān)測裝置中的異常油液時，可關(guān)閉出油截止閥，打開進(jìn)油截止閥、排油閥，啟動微型油泵強迫油液通過排油管排出，實現(xiàn)方便更換裝置內(nèi)異常油液且不會污染油槽。

3 思路二：利用特殊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)流體自泵循環(huán)效果

水輪發(fā)電機組運行時，導(dǎo)軸承高速旋轉(zhuǎn)，帶動透平油在油槽內(nèi)轉(zhuǎn)動。因此，可以利用流體力學(xué)原理，設(shè)計一種特殊結(jié)構(gòu)的油混水監(jiān)測裝置，使流動的油液產(chǎn)生自泵效果。原理結(jié)構(gòu)如圖3，裝置由喇叭形進(jìn)油口、金屬油管、油路截止閥、四通腔體、排油閥門、油混水變送控制器、凸形減壓出油口組成。喇叭形進(jìn)口、凸形減壓出油口緊貼油槽內(nèi)壁安裝，通過油槽側(cè)壁上的進(jìn)出油孔與金屬油管相聯(lián)通，金屬油管、油路截止閥、四通腔體、排油閥門裝于油槽外部，各部件裝配連接并保證密封。金屬油管彎曲部位形狀為弧形，以減少油液流動阻力，工作原理如下。

圖3 自泵循環(huán)型油混水在線監(jiān)測裝置圖

1)正常監(jiān)測時，油路截止閥開啟、排油閥門關(guān)閉，監(jiān)測裝置內(nèi)的油與油槽內(nèi)的油連通。油槽內(nèi)的油在旋轉(zhuǎn)設(shè)備(例如軸承)的帶動旋轉(zhuǎn)流動，遇到喇叭形進(jìn)油口的收縮結(jié)構(gòu)流動速度降低，壓強增大；油槽油流在凸形減壓出油口由于流線增大，流速加快，油液壓強降低。因此，喇叭形進(jìn)油口和凸形減壓出油口兩者附近產(chǎn)生壓差，成為監(jiān)測裝置內(nèi)油的流動動力。只要油槽的油旋轉(zhuǎn)運動，無需額外動力，監(jiān)測裝置中的油就可實現(xiàn)自動流動，持續(xù)與油槽中的油液循環(huán)交換，通過油混水變送控制器發(fā)送4～20 mA模擬量信號和開關(guān)量報警信號給監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)自動、遠(yuǎn)程監(jiān)控油的含水率。

2)在需要排除監(jiān)測裝置中的異常油液時，可打開油路截止閥、排油閥門，裝置中的油在油槽油的壓力驅(qū)動下自動排除。

3)需更換或取出油混水變送控制器時，關(guān)閉油路截止閥即可施工，方便易行。

4 兩種思路對比分析

兩種思路對比如下。

1)思路一：多了一個微型電機油泵，需要為電機提供動力和控制，并增加狀態(tài)監(jiān)測功能，裝置電氣回路相對復(fù)雜，一定程度增加了維護工作量；應(yīng)用范圍廣泛，即使油槽中的油靜止，油混水監(jiān)測裝置中的油也能持續(xù)與油槽中的油液循環(huán)交換，油混水變送控制器檢測元件接觸的油快速更換，保證油混水監(jiān)測裝置的時效性。

2)思路二：技術(shù)方案結(jié)構(gòu)簡單可靠，成本和維護難度較低，具有較高的可靠性和靈敏性；但透平油的運動是油液在裝置中油循環(huán)的動力，適合用在導(dǎo)軸承油槽等油液高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，不適合用在油液不持續(xù)穩(wěn)定流動或流速較低的環(huán)境；如果安裝在調(diào)速器液壓裝置上，則需要選擇油液有較強運動的位置。

5 結(jié) 語

綜上所述，可得出以下結(jié)論：

1)兩種新方法均可解決水電站常用的電容式油混水監(jiān)測裝置更換難或動作不靈敏的問題，同時保留了其成本低的優(yōu)點，具有實用價值；

2)微型油泵強迫循環(huán)式安裝范圍較廣，導(dǎo)軸承油槽、調(diào)速器液壓系統(tǒng)油槽等均可使用；

3)自泵式可安裝在機組運行是油液流動較強的導(dǎo)軸承油槽。