電廠汽輪機(jī)油抗乳化性超標(biāo)問題分析及處理

郝亞楠，于乃海，李貴海，王紅衛(wèi)，商攀峰

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.華電國際技術(shù)服務(wù)分公司，山東 濟(jì)南 250014）

0 引言

汽輪機(jī)油在軸承與軸瓦之間形成一層油膜起到潤滑的作用。汽輪機(jī)油在其使用過程中常常不可避免地會混入水分?？谷榛阅苁窃u價汽輪機(jī)油抵抗與水形成乳化液的一項(xiàng)指標(biāo)。汽輪機(jī)油的抗乳化性能好時可以將混入其中的水分快速分離開，并可以通過主油箱底部閥門放出。否則，油水無法分開，則在軸承的旋轉(zhuǎn)攪拌下使之形成乳化液，無法使?jié)櫥托纬捎湍?。在高速旋轉(zhuǎn)下，會造成軸承溫度快速升高，油品酸值增加，加速油品劣化，腐蝕軸承等部件［1?6］。因此，汽輪機(jī)油良好的抗乳化性能是保證汽輪機(jī)組能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)。

某電廠1 000 MW 超超臨界機(jī)組在運(yùn)行6個月后出現(xiàn)抗乳化性指標(biāo)超標(biāo)，分離時間大于100 min。為保證機(jī)組正常運(yùn)行，通過添加新油的方式實(shí)現(xiàn)，在補(bǔ)油30桶后，破乳化時間降至11 min。在機(jī)組運(yùn)行兩天后破乳化檢測結(jié)果再次大于100 min。運(yùn)行油中抗乳化劑含量已經(jīng)明顯不足，向油中添加破乳化劑不能有效解決破乳化超標(biāo)問題，推測油中可能出現(xiàn)極性有機(jī)產(chǎn)物，為保證機(jī)組不停機(jī)正常運(yùn)行，只能通過在線凈化再生方式進(jìn)行處理。

1 原因分析

造成汽輪機(jī)油破乳化性能超標(biāo)的原因是油中存在表面活性物質(zhì)［7］。水分的存在給了汽輪機(jī)油出現(xiàn)乳化的條件。當(dāng)水分大量存在時會加速油中抗氧化劑的損失，使油的抗氧化性能大幅下降。通過向主油箱中補(bǔ)加新油的方式來增加汽輪機(jī)油的抗乳化性能，本質(zhì)上是向其中添加了破乳化劑，但是油品已經(jīng)劣化，所以維持破乳化性能的時間不長。

1.1 存在問題

抗乳化性超標(biāo)問題發(fā)生的同時，汽輪機(jī)油中水分含量較上一檢測周期出現(xiàn)大幅增加，運(yùn)行人員通過真空濾油機(jī)降低油中水分。在油中水分降低至合格范圍內(nèi)后，三天后水分升至126 mg/kg。由此可知油系統(tǒng)存在進(jìn)水口。經(jīng)過排查發(fā)現(xiàn)軸封壓力表出現(xiàn)故障，使之實(shí)際壓力大于6 MPa（設(shè)計壓力3.5 MPa），過熱蒸汽由軸封處進(jìn)入油系統(tǒng)。汽輪機(jī)油中添加劑具有表面活性的親水基團(tuán)，當(dāng)汽輪機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時，油水?dāng)嚢璩嗜闈嵋簳r，這些親水的極性基團(tuán)就有可能與水結(jié)合在一起，而又由于親油性的非極性基團(tuán)能溶于油，便使得結(jié)合力更強(qiáng)，油水更難分離，這時便出現(xiàn)乳化。

1.2 油質(zhì)劣化分析

1.2.1 油質(zhì)質(zhì)量分析

通過從主油箱取樣，分析油質(zhì)情況。汽輪機(jī)油樣品檢測結(jié)果見表1。

表1 汽輪機(jī)油檢測結(jié)果

潤滑油的老化可以通過基礎(chǔ)油的變質(zhì)、添加劑的變質(zhì)、消耗以及其他物質(zhì)的積累三個方面來評價?；A(chǔ)油的變質(zhì)主要體現(xiàn)在黏度的變化以及酸性物質(zhì)的生成，可以通過黏度、酸值以及色度等指標(biāo)來考察，而添加劑的消耗、變質(zhì)等在多數(shù)情況下不能對其進(jìn)行直接評價，但抗氧劑的消耗會引起酸值的變化，抗乳化劑的消耗會引起抗乳化性能的變化，防腐抗磨劑的變質(zhì)會使?jié)櫥椭杏心酄钗镂龀觥Ｒ虼藢τ谔砑觿┑南?、變質(zhì)可以通過酸值、銅片腐蝕以及戊烷不溶物等指標(biāo)進(jìn)行考察。戊烷不溶物是使用過的油溶于戊烷后，所分離出來的物質(zhì)，用于判斷在用潤滑油受污染和老化的程度［8］。

從表1 的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該汽輪機(jī)油的水分、抗乳化性已經(jīng)超標(biāo)，油中的戊烷不溶物在6%左右?？芍推肥艿搅宋廴疽约坝椭械奶砑觿┍幌暮头纸狻Ｋ殖瑯?biāo)是軸封壓力過大水汽進(jìn)入由系統(tǒng)造成。

對汽輪機(jī)油樣品進(jìn)行金屬元素分析，檢測結(jié)果見表2。

表2 汽輪機(jī)油金屬元素檢測結(jié)果 單位：mg/kg

表2 元素分析中的P 和Zn 含量較高，則是通過添加劑引入，例如粘度指數(shù)改進(jìn)劑和防銹劑等含有一定量的P 和Zn 金屬元素。粘度指數(shù)改進(jìn)劑作為添加劑可改善潤滑油的粘溫性能，以獲得低溫啟動性能好、在高溫下又能保持適當(dāng)黏度的潤滑油使之具有較高的粘度指數(shù)和平滑的粘溫曲線。

從上述油質(zhì)質(zhì)量分析可知，油品劣化是由于汽輪機(jī)油中混入了高溫水蒸氣，造成油品水分超標(biāo)，運(yùn)行過程中混入了雜質(zhì)使汽輪機(jī)油受到了污染，且添加劑發(fā)生了變質(zhì)等原因造成了汽輪機(jī)油的劣化。

1.2.2 紅外光譜分析

紅外光譜分析可以通過主要基團(tuán)的出峰位置確定汽輪機(jī)油中的主要有機(jī)物的種類。汽輪機(jī)油紅外光譜見圖1。

圖1 汽輪機(jī)油紅外光譜

由圖1 中的紅外光譜圖結(jié)果可以看出：汽輪機(jī)油在波數(shù)1 733/cm 處出現(xiàn)較大波峰，根據(jù)紅外主要基團(tuán)特征峰的吸收波數(shù)可以確定在該處波數(shù)處的基團(tuán)在醛類、酯類和羧酸類的C＝O處會有很強(qiáng)的吸收峰。說明油中含有較多的有機(jī)氧化產(chǎn)物，根據(jù)油質(zhì)質(zhì)量的數(shù)據(jù)可知，汽輪機(jī)油的酸值并不大，則有機(jī)羧酸和醛類物質(zhì)并不多，主要為有機(jī)酯類。當(dāng)油中的水分較大時，酯可以發(fā)生水解反應(yīng)，生成有機(jī)酸和有機(jī)醇。在酸性條件下，汽輪機(jī)油的劣化速度會大大加快。

從圖1中可以看出，汽輪機(jī)油在波數(shù)3 650/cm處無吸收峰，可知油中無T501 抗氧化劑。油品的抗氧化劑能力基本靠油的基礎(chǔ)油品質(zhì)來提供。加氫精制基礎(chǔ)油具有較好的抗氧化能力，但是對于混入的雜質(zhì)有較差的溶解能力，而不飽和烴類卻有溶解有機(jī)雜質(zhì)的能力，如芳香烴類。如果汽輪機(jī)油中含有芳香烴類則會在紅外波數(shù)1 600/cm 附近出現(xiàn)波峰，汽輪機(jī)油中不含芳香烴或者芳香烴的含量很少。

從紅外譜圖的分析中可以得知，汽輪機(jī)油中含有一定量的有機(jī)酯類，抗氧化劑T501 含量未能檢出，汽輪機(jī)油的抗氧化能力較差。

2 處理措施

軸封漏氣是造成汽輪機(jī)油乳化的主要原因，檢查軸封壓力表，對有問題的儀表立刻進(jìn)行更換。同時打開真空濾油機(jī)，除去主油箱中混入的大量水分。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，汽輪機(jī)油的老化并不嚴(yán)重，而是混入了雜質(zhì)造成有機(jī)極性物質(zhì)增加，抗乳化性超標(biāo)。需要進(jìn)行吸附處理，將軟性有機(jī)物通過吸附過濾的方式除去。

2.1 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

采用再生吸附劑在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。吸附劑的使用量與油中的劣化產(chǎn)物的量有關(guān)。取油樣進(jìn)行吸附處理，為提高吸附劑吸附效率，將油樣加熱至60 ℃加入4%的吸附劑，用磁子旋轉(zhuǎn)攪拌30 min。靜置室溫后用濾紙進(jìn)行過濾，得到處理后油樣。測試100 ℃時運(yùn)動黏度和抗乳化性，并與新油結(jié)果對比，結(jié)果見表3。

表3 處理后樣品和新油結(jié)果

由表3 的結(jié)果可以看出，在由吸附處理后，運(yùn)動粘度有所下降，抗乳化性得到了明顯改善?？芍推分械奶砑觿┮呀?jīng)影響了油品質(zhì)量，且油中的劣化產(chǎn)物也被吸附除掉。吸附處理前后的汽輪機(jī)油對比效果見圖2。

圖2 汽輪機(jī)油吸附處理前后

由圖2 可見汽輪機(jī)油在吸附前呈暗黃色，吸附后油質(zhì)淺黃透明。吸附再生效果十分明顯，可以有效處理該問題油品。

2.2 在線濾油和泡沫增多處理措施

通過在實(shí)驗(yàn)室添加不同比例的吸附劑進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)。使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的吸附劑處理汽輪機(jī)油，油品顏色明顯變淺但抗乳化性時間仍大于100 min，在將吸附劑的使用量增加至5%后，油品顏色澄清明亮，測得抗乳化性時間為1.9 min，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（≤30 min）［9］。強(qiáng)極性吸附劑可以有效除去油中的極性雜質(zhì)，但與此同時，油中的極性添加劑也會被吸附除去。因此在濾油結(jié)束后要補(bǔ)加相關(guān)的添加劑。

在濾油過程中發(fā)現(xiàn)，主油箱中泡沫量過大。運(yùn)行時，出現(xiàn)主油泵出力不足的現(xiàn)象，運(yùn)行人員為保證機(jī)組運(yùn)行，加入新油10桶，穩(wěn)定了主油泵的油量。

分析可知，汽輪機(jī)油受到污染，油中有機(jī)極性物質(zhì)較多，其泡沫特性和空氣釋放值也會受到一定影響。吸附過濾過程中，會相應(yīng)除掉消泡劑等添加劑，因此在濾油時回油管進(jìn)入主油箱時會攪起大量泡沫。泡沫量大又會導(dǎo)致注油泵出力不夠而發(fā)生跳機(jī)。因此為不影響機(jī)組正常運(yùn)行，將主油箱中部分汽輪機(jī)油導(dǎo)入儲油箱中，先對該部分汽輪機(jī)油進(jìn)行吸附再生，再生完畢后導(dǎo)入主油箱。如此往復(fù)進(jìn)行吸附再生，可保證主油泵正常工作，且機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

該機(jī)組所使用的汽輪機(jī)油為加氫精制的基礎(chǔ)油調(diào)和而成。加氫精制的基礎(chǔ)油可以大大提高油品的抗氧化能力，但是會降低油品對極性有機(jī)物的溶解能力。因此當(dāng)油品出現(xiàn)劣化產(chǎn)物時，會很快從油中析出，逐漸聚集成極性有機(jī)顆粒。汽輪機(jī)油在使用過程中添加劑會不斷消耗，添加劑的使用也會引入金屬元素等極性物質(zhì)。當(dāng)產(chǎn)生的劣化產(chǎn)物或極性物質(zhì)不能及時除去時，則會造成油品的加速劣化［10］。建議選擇汽輪機(jī)油時，盡量減少添加劑的使用，與此同時油品凈化裝置可持續(xù)運(yùn)行。

3 汽輪機(jī)油防乳化措施

汽輪機(jī)油的防乳化措施，可以從新油驗(yàn)收、基建調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)管理三個方面來實(shí)施［11］。

電廠所使用的32 號和46 號汽輪機(jī)油應(yīng)嚴(yán)格按照GB 11120—2011《渦輪機(jī)油》執(zhí)行新油驗(yàn)收。標(biāo)準(zhǔn)中抗乳化性（乳化液達(dá)到3 ml 的時間）對32 號和46號汽輪機(jī)油要求不大于15 min［12］。某些汽輪機(jī)油在驗(yàn)收時滿足抗乳化性時間短的要求，但是試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)水層量筒壁出現(xiàn)油珠掛壁的現(xiàn)象。有研究表明該現(xiàn)象是由于汽輪機(jī)油的組分和量筒的材質(zhì)發(fā)生吸附所產(chǎn)生。在后期使用過程中應(yīng)進(jìn)行關(guān)注，預(yù)防后期運(yùn)行中汽輪機(jī)油快速劣化。

基建調(diào)試過程中，要著重做好汽輪機(jī)油的維護(hù)工作，為后期的汽輪機(jī)油運(yùn)行維護(hù)打下良好的基礎(chǔ)。在整個系統(tǒng)安裝完成后要進(jìn)行充分的沖洗，并在沖洗的同時進(jìn)行取樣化驗(yàn)，在機(jī)組投運(yùn)前，需要對顆粒度、泡沫特性、破乳化時間、酸值、黏度、水分、閃點(diǎn)等指標(biāo)進(jìn)行檢測，若發(fā)現(xiàn)破乳化時間和泡沫特性與新油指標(biāo)相差較大時，則是由于汽輪機(jī)油被表面活性物質(zhì)污染造成［13?14］。

運(yùn)行的機(jī)組要注意汽輪機(jī)油避免混入水分、灰塵等雜質(zhì)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)油中水分超標(biāo)時要迅速檢查是否軸封漏氣等原因造成，切斷水源的同時打開濾油機(jī)及時除去水分。機(jī)組運(yùn)行過程中不可避免機(jī)械磨損而引入顆粒物，因此凈化裝置盡可能投運(yùn)。當(dāng)破乳化超標(biāo)時，通過真空抽提、過濾和吸附可以除去油中的水分、顆粒物和極性表面物質(zhì)，通常能夠改善破乳化性指標(biāo)。

4 結(jié)語

保證汽輪機(jī)油具有良好的抗乳化性，對汽輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。需要從運(yùn)行、維護(hù)以及油品的產(chǎn)品選型和質(zhì)量方面嚴(yán)格進(jìn)行控制。汽輪機(jī)油由于混入大量水分而超標(biāo)后，宜進(jìn)行抗氧化劑含量檢測，當(dāng)抗氧劑含量低于標(biāo)準(zhǔn)要求時及時補(bǔ)加。汽輪機(jī)抗氧化性能較弱時，會使油品速劣化，氧化至一定程度后會形成油泥，其酸值、破乳化度等指標(biāo)超標(biāo)。保證汽輪機(jī)油保持較好的抗氧化性，防止油品快速劣化，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。