水電站透平油過濾系統(tǒng)設(shè)計與研制

蘇 雷，丁 強，楊 靜，王 濤

(國能大渡河檢修安裝有限責(zé)任公司，四川 樂山 614000)

水電站中的油系統(tǒng)是三大輔助設(shè)備系統(tǒng)之一，它起著潤滑、冷卻、提供能源動力等作用，對機電設(shè)備長期安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要。油質(zhì)的變質(zhì)有很多種，包括油質(zhì)的污染、混水、氧化、劣化等，油質(zhì)受到污染是比較常見的，嚴格意義上油質(zhì)隨時不斷受到細微污染的[1]。由于油質(zhì)的服務(wù)對象往往是旋轉(zhuǎn)或移動部件，設(shè)備在不斷地旋轉(zhuǎn)或者活塞在不斷地往復(fù)運行，尤其是機組軸承和各類油泵齒輪或螺桿在高速旋轉(zhuǎn)，難免產(chǎn)生機械雜質(zhì)、不溶物等的脫落，最終混入油系統(tǒng)。還有透平油在集油槽或者流動的過程中，如果接觸空氣或者水蒸氣的滲入，也會混入水分。所以，如何確保油系統(tǒng)油質(zhì)正常，保障各液壓運行設(shè)備正常運行且滿足各項性能指標，是水電站運維工作中的一個重點。油質(zhì)不合格主要為下述問題：

與油液污染有關(guān)的問題。油液含有水后，會引起油液的氧化使油液變質(zhì)，減小潤滑油膜厚度，降低潤滑性；引起油液聚合而形成大分子，使液體粘度改變，并形成有機酸，腐蝕金屬表面；降低或喪失油液介電強度。

固體顆粒引起的問題。油液中固體顆粒的存在會嚴重污染系統(tǒng)和磨損元件，而磨損在液壓系統(tǒng)中會引起許多問題。使元件磨蝕、失效；元件內(nèi)瀉增大、響應(yīng)不靈敏；伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制性降低；油液氧化速度加快，油液變質(zhì)。

根據(jù)對國內(nèi)各大電站的調(diào)研，為保持油液品質(zhì)，除了對油液的定期化驗外，基本各大中型水電站90%以上配有了油液過濾裝置，即濾油機設(shè)備。各水電站透平油過濾裝置有板式濾油機和真空濾油機兩種類型。檢修期間需將機組透平油排至油庫儲油罐，通過板式濾油機濾除透平油中雜質(zhì)，再使用真空濾油機濾除透平油中水分，最終將過濾雜質(zhì)和水分合格的透平油返回至機組，確保機組安全穩(wěn)定運行。

近年來，部分電站機組在汛期運行期間，有調(diào)速系統(tǒng)集油槽油混水情況發(fā)生，油混水裝置報警。因機組汛期發(fā)電任務(wù)重，只能在線濾除回油箱水分，所以迫切需要研發(fā)一種體積小巧、便于移動的過濾水濾油機，在不停機的情況下在線濾除透平油中的雜質(zhì)和水分。

對該種功能結(jié)構(gòu)的濾油機進行市場調(diào)研，調(diào)研了進口和國產(chǎn)機型，進口機型過濾水分指標能達到小于100PPM的機組透平油運行指標要求，但體積過于龐大，不便于移動，且控制系統(tǒng)單一簡單，國產(chǎn)機型控制系統(tǒng)已有PLC控制方式，體積也相對較小，但是過濾水分指標均不能達到小于100PPM要求，進口和國產(chǎn)機型都沒有在線監(jiān)測功能，因此為滿足生產(chǎn)現(xiàn)場實際情況，需要自主研發(fā)一種控制先進、能高性能過濾水份的新型移動式精密濾油機系統(tǒng)[2]。

1 技術(shù)標準及要求

1.1 標準和規(guī)范

本項目需適用的標準和規(guī)范主要為以下幾項：

1)GB2537 汽輪機油；

2)GB11120 渦輪機油；

3)GB/T 電廠用運行中汽輪機油質(zhì)量標準；

4)GB7597-2007 電力用油(變壓器油、汽輪機油)取樣方法；

5)GB/T 石油產(chǎn)品運動粘度測定法；

6)GB/T 石油產(chǎn)品閃點測定法(閉口杯法)；

7)GB/T 石油產(chǎn)品酸值測定法；

8)GB/T 運行中變壓器油、汽輪機油水分測定法；

9)GB/T 石油產(chǎn)品閃點測定法(開口杯法)；

10)GB/T 運行中汽輪機油破乳化度測定法；

11)DL/T 電力用油體積電阻率測定法；

12)GB/T 石油產(chǎn)品添加劑機械雜質(zhì)測定法(重量法)。

1.2 主要技術(shù)要求

1)精密濾油機系統(tǒng)的研究方向采用“精密過濾”和“聚結(jié)分離”技術(shù)，能高效濾除透平油中的雜質(zhì)和水分，達到理想的凈油效果。

2)控制系統(tǒng)采用變頻調(diào)節(jié)，能夠精確調(diào)整濾油機流量，滿足現(xiàn)場各種工況流量需求。

3)采用PLC監(jiān)控和觸摸屏控制技術(shù)，通過觸摸屏可對濾油機運行工況進行全面監(jiān)控。

4)精密濾油機具備在線監(jiān)測功能。

5)濾油機功耗低、體積小、重量輕，專用于現(xiàn)場移動凈油。

2 技術(shù)方案

透平油精密濾油機系統(tǒng)主要設(shè)備包括過濾裝置、控制裝置、動力單元、管路以及在線監(jiān)測裝置等[3]。過濾裝置包括顆粒過濾器和水分過濾器，顆粒過濾器和水分過濾器分別通過支撐板支撐在移動底座上。動力單元由變頻電機和油泵組成，變頻電機安裝在顆粒過濾器側(cè)的支撐板上，其動力軸連接油泵；油泵安裝在系統(tǒng)進油管道上，進油管道通過系統(tǒng)進油閥、大顆粒過濾器和真空壓力傳感器連接油泵。油泵出口端通過管路進入顆粒過濾器上部，顆粒過濾器的底部與水分過濾器的底部用管路連接。水分過濾器的上部經(jīng)管路連接流量計和系統(tǒng)出油閥?？刂蒲b置由電源、人機界面、PLC和變頻器組成，其與流量計和電機連接，控制進出過濾裝置的流量。顆粒過濾器和水分過濾器的上部，分別安裝有第一壓差傳感器和第二壓差傳感器；控制裝置連接第一壓差傳感器和第二壓差傳感器，當(dāng)?shù)谝粔翰顐鞲衅鲏翰钸^高時，控制裝置提示更換顆粒過濾器濾芯，當(dāng)?shù)诙翰顐鞲衅鲏翰钸^高時，控制裝置提示更換水分過濾器濾芯；控制裝置連接真空壓力傳感器，當(dāng)真空壓力傳感器負壓過大時，控制裝置提示清理大顆粒過濾器。顆粒過濾器和水分過濾器的頂部，均安裝有排氣閥，用于排除顆粒過濾器和水分過濾器中的空氣，空氣排盡后排氣閥關(guān)閉。在線監(jiān)測裝置安裝在油路出口，實時監(jiān)測過濾油質(zhì)的顆粒和水分參數(shù)指標。設(shè)備的要點是：

1)控制裝置與真空壓力傳感器連接；

2)油泵并聯(lián)安裝有安全閥，用以保護電機油泵；

3)水分過濾器的下部側(cè)面，安裝有油水觀察窗；

4)水分過濾器的底部安裝有排水閥，排水閥可實現(xiàn)自動排水功能；

5)過濾裝置內(nèi)部分別安裝有顆粒過濾濾芯和聚結(jié)分離濾芯，顆粒過濾濾芯一次性可濾除油中顆粒性能達到SAE AS4059F標準中的6級水平，聚結(jié)分離濾芯一次性可濾除油中水分性能達到小于50 ppm。

通過上述各功能單元的集成，最終可實現(xiàn)體積小巧、便于移動的高度集成的濾油機，其可以在機組不停機不排油的情況下在線濾除透平油中的雜質(zhì)和水分。也解決了板式濾油機濾除透平油中水分效果較差和真空濾油機體積較大不便于移動的問題，用于電廠在運機組或油庫透平油的精濾除水，提高油料過濾的質(zhì)量和效率。

3 精密濾油機過濾系統(tǒng)液壓設(shè)計

對于油液質(zhì)量的監(jiān)測主要發(fā)生在兩個階段，第一個階段是機械透平油的選型采購時，在這一過程，多是采用實驗室監(jiān)測方式來進行，主要的油品監(jiān)測技術(shù)包含有紅外光譜技術(shù)、原子發(fā)射光譜技術(shù)、鐵譜技術(shù)以及顆粒計數(shù)技術(shù)等方式對油液的質(zhì)量進行鑒定。第二個階段是在設(shè)備運行時，對油液進行取樣監(jiān)測，主要包含水分、粘度、介電常數(shù)檢測等[4]。

結(jié)合電廠對油質(zhì)更高的要求，本文提出一套全新的油質(zhì)過濾、監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案。圖1為一種新型過濾設(shè)備的液壓系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)的動力單元由電機和油泵組成，過濾單元由三級不同原理的濾芯組成。首先在油泵的吸油口，設(shè)置一個粗濾芯，其次在油液循環(huán)系統(tǒng)中設(shè)置一只精濾芯，最后在末端設(shè)置一只聚結(jié)分離濾芯。通過三級過濾，可以有效地將油液中的雜質(zhì)顆粒、水分進行過濾分離。精濾芯和聚結(jié)濾芯均設(shè)置差壓發(fā)訊器，用作在濾芯堵塞報警，以示更換濾芯。

圖1 新型過濾系統(tǒng)的液壓原理圖

新型過濾系統(tǒng)除了具備常規(guī)的手動排水閥功能外，也可以自動排水。其原理為：聚結(jié)濾油器設(shè)置水分監(jiān)測儀，在液位高于設(shè)定位置后，控制系統(tǒng)通過PLC開出驅(qū)動繼電器，繼電器驅(qū)動自動排水電磁閥，進行排水處理。同時在透平油過濾過程中，針對循環(huán)的油液系統(tǒng)的油質(zhì)增加了顆粒度計數(shù)儀和水分測量儀。該裝置可以直觀和數(shù)字化地將過濾系統(tǒng)的最終油質(zhì)情況進行顯示，以告知用戶目前的透平油的過濾效果。

4 精密濾油機過濾系統(tǒng)電氣設(shè)計

油質(zhì)過濾系統(tǒng)的電氣控制原理如圖2所示，系統(tǒng)的控制信號電源為DC24V，主要給人機界面、繼電器、變頻器等提供電源。電機油泵組采用變頻控制，變頻器可以有效降低啟動電源對電機和濾油器的沖擊，啟動平穩(wěn)，運行效率更高效。在濾油機實際運行中，也表明了其運行噪音小，啟動平滑等優(yōu)點。

圖2 新型過濾系統(tǒng)的電氣控制原理圖

系統(tǒng)的核心控制單元為一款西門子S200的PLC，其采集外部開關(guān)量控制信號和模擬量信號；控制輸出通過中間繼電器進行擴展，進行對象操作。該西門子PLC配有串口通信，可以實現(xiàn)將采集數(shù)據(jù)處理、并與人機界面進行數(shù)據(jù)交互。圖3為PLC控制系統(tǒng)原理圖。

圖3 新型過濾系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)原理圖

過濾系統(tǒng)的人機界面采用MCGS觸摸屏，軟件采用其嵌入式版本7.7版本；該軟件編程友好，圖庫豐富，無需太多腳本程序即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、計算、錄波等功能。界面編程為運行界面、設(shè)置界面和報警界面等。圖4為該過濾系統(tǒng)觸摸屏的運行界面。

圖4 新型過濾系統(tǒng)的觸摸屏運行界面

界面的第一欄主要顯示設(shè)備的運行狀態(tài)，排水閥的運行狀態(tài)，以及壓力、壓差是否正常的顯示；第二欄顯示系統(tǒng)當(dāng)前的壓力、溫度和當(dāng)前水位；第三欄：顯示系統(tǒng)當(dāng)前瞬時流量和累積流量，也可以通過累積流量清零按鈕，對累積流量進行清零復(fù)位。第四欄為排水閥的控制方式，分為手動和自動兩種模式，手動狀態(tài)下，通過手動啟動、停止按鈕進行啟停操作。自動狀態(tài)下，通過液位自動控制排水閥的啟停。第五欄，設(shè)備的啟停方式可以通過面板按鈕，操作，也可以通過觸摸屏啟動、停止按鈕控制設(shè)備啟停。第六欄為故障復(fù)位按鈕，以及參數(shù)設(shè)置界面的切換。

5 精密濾油機過濾系統(tǒng)裝置特點及研制

新型濾油系統(tǒng)采用移動式結(jié)構(gòu)，具備脫水和顆粒過濾兩種功能，使用者可通過一個三通閥切換該兩種功能。可以全自動工作，正常工作時無須操作人員進行干預(yù)。當(dāng)設(shè)備工作狀態(tài)出現(xiàn)異?；蛘咝枰S護時，設(shè)備將會發(fā)出報警信號。其他因素導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)危險情況時，內(nèi)部安全系統(tǒng)將會強制設(shè)備自動停機，以保護電機油泵組。

該裝置由循環(huán)系統(tǒng)、聚結(jié)分離系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、排油系統(tǒng)、自控儀表系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成。其中過濾顆粒和脫水，反映在結(jié)構(gòu)上為兩個單獨回路：循環(huán)過濾回路和脫水回路。兩者在操作上相互獨立，在使用中又相互關(guān)聯(lián)。

如果對含水量要求很嚴格的場合，裝置優(yōu)勢在于脫水效率很高，相同時間內(nèi)含水量下降快，且能獲得很低的最終含水量。但是其缺點在于：要求油液的清潔度很高，濾芯的更換頻度會加大，如客戶對油液的清潔度沒有要求，由此帶來的過濾代價會太高。

驅(qū)動部分的電源通過內(nèi)置的變壓器將電壓變?yōu)?20 V用于PLC(也可選用24 V電源供電的PLC)、界面儀和指示燈；變?yōu)?4 V用于PLC控制的其余電路，如按鈕及壓力傳感器等。

精密濾油機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 精密濾油機主要技術(shù)參數(shù)表

設(shè)備整體外觀、操作面板及器件外部和內(nèi)部配置如圖5、6所示。

圖5 濾油機電氣控制部分

圖6 濾油機整體結(jié)構(gòu)圖

6 結(jié) 語

水電機組的油系統(tǒng)在潤滑、傳動、冷卻等方面發(fā)揮著重要作用，機組安全穩(wěn)定運行與之休戚相關(guān)[5-6]。國內(nèi)各大中型水電站對透平油油質(zhì)的監(jiān)測、維護等工作也極為重視。透平油的維護目前常見的措施主要為二點：一是通過自身的化驗室專門人員定期對油質(zhì)進行化驗分析，人工監(jiān)測；二是采用濾油機定期或不定期對透平油進行過濾。尤其是后者，濾油機多為真空濾油機和板式壓力濾油機，手段和功能較為單一。本文提出的過濾方案是基于高質(zhì)量傳感器、自動控制、數(shù)據(jù)信息化和聚結(jié)分離式過濾器為一體新型精密濾油機過濾系統(tǒng)，既具備了傳統(tǒng)的過濾功能，又有先進的數(shù)字化的性能。本文研制的新型精密濾油機可廣泛應(yīng)用于水電、火電、礦業(yè)等行業(yè)的透平油過濾系統(tǒng)，也可以代替國外同類產(chǎn)品，大幅降低成本，這部分成本的壓縮，可以部分轉(zhuǎn)換成合理的利潤，并提高了產(chǎn)品競爭力。同時，該新型精密濾油機也可作為水電廠智能化建設(shè)的一部分，預(yù)留了充分的電氣和通信接口，便于后期用戶進行智能化拓展。新型精密濾油機擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，在產(chǎn)品的應(yīng)用中，可以大幅節(jié)省人力，高效、穩(wěn)定、智能，為用戶提供了高附加值的產(chǎn)品技術(shù)體驗和價值貢獻。