超超臨界機(jī)組汽輪機(jī)油性能評(píng)價(jià)及其劣化原因分析

劉建民，張繼平，戴媛靜，郭丹

(1.清潔高效燃煤發(fā)電與污染控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210031；2.清華大學(xué)天津高端裝備研究院，天津 300300;3.清華大學(xué)，北京 100084)

0 引言

超超臨界二次再熱發(fā)電技術(shù)是高效清潔的發(fā)電技術(shù)[1-2]，燃煤機(jī)組采用二次再熱可使熱經(jīng)濟(jì)性相對(duì)一次再熱提高2%左右[3]，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)電力可持續(xù)發(fā)展的重要保證，同時(shí)也是國(guó)際上研究的熱點(diǎn)[4-5]。在超超臨界機(jī)組中，汽輪機(jī)是執(zhí)行發(fā)電任務(wù)的原動(dòng)機(jī)，而汽輪機(jī)油質(zhì)量則直接影響汽輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。隨著汽輪機(jī)蒸汽參數(shù)的提高，使得汽輪機(jī)油的運(yùn)行環(huán)境更為苛刻，超超臨界機(jī)組蒸汽壓力和溫度的提高，使汽輪機(jī)輸出功率/油箱體積不斷增加，即汽輪機(jī)油循環(huán)系數(shù)不斷提高，從而使汽輪機(jī)油的溫度更高，對(duì)油的氧化穩(wěn)定性提出了更高的要求。此外，由于超超臨界機(jī)組運(yùn)行于高蒸汽參數(shù)下，軸系更長(zhǎng)，流體密封間隙更小，軸上熱應(yīng)力更突出，汽輪機(jī)更容易發(fā)生動(dòng)力學(xué)故障，如碰摩、油膜渦動(dòng)等，這些給潤(rùn)滑系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了更多的挑戰(zhàn)。

汽輪機(jī)油主要用于發(fā)電機(jī)組的潤(rùn)滑系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)，起著潤(rùn)滑、冷卻散熱、傳壓調(diào)速等作用。運(yùn)行機(jī)組汽輪機(jī)油中若含有大的、堅(jiān)硬的固體顆粒，可引起調(diào)速系統(tǒng)卡澀，嚴(yán)重時(shí)可引起機(jī)組飛車等事故，嚴(yán)重威脅機(jī)組安全運(yùn)行。水分是汽輪機(jī)潤(rùn)滑油品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，同時(shí)也是運(yùn)行中最容易超標(biāo)的指標(biāo)。水分超標(biāo)會(huì)降低潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能，造成金屬腐蝕、設(shè)備損壞。油品水分超標(biāo)導(dǎo)致的故障是緩慢累積的，不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。油品老化也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，由于汽輪機(jī)油運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)，易與空氣、蒸汽和金屬接觸發(fā)生氧化反應(yīng)，生成的酸性物質(zhì)和沉淀物易腐蝕零件，并且改變了汽輪機(jī)油的各項(xiàng)指標(biāo)，造成潤(rùn)滑失效。因此，檢測(cè)和控制運(yùn)行中汽輪機(jī)油的各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)提高電廠潤(rùn)滑、調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量和保證機(jī)組的安全運(yùn)行有重要意義。

文中針對(duì)某電廠超超臨界二次再熱機(jī)組使用的汽輪機(jī)油(使用1.5年)進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)，初步分析了油品性能劣化的原因，提出了改進(jìn)方法，為機(jī)組安全平穩(wěn)運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)方法

1.1 在用油常規(guī)理化分析

參照GB/T 7596-2017《電廠運(yùn)行中礦物渦輪機(jī)油質(zhì)量》對(duì)在用油進(jìn)行性能分析，評(píng)價(jià)其使用狀態(tài)。

1.2 摩擦性能分析

使用SRV試驗(yàn)機(jī)考察不同條件下新油和在用油的摩擦性能。SRV摩擦磨損試驗(yàn)在德國(guó)OPTIMOL公司的SRV 4型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。儀器參數(shù)：加載范圍(0～1200 N)，振幅范圍(0～4 mm)，頻率范圍(10～200 Hz)，運(yùn)動(dòng)形式(往復(fù)式)，溫度范圍(25～500 ℃，500～900 ℃)。

1.3 SEM分析

使用ZEISS Sigma 300場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)SRV摩擦試驗(yàn)的磨斑進(jìn)行分析。儀器參數(shù)：加速電壓(0.02～30 kV)，放大倍數(shù)(10～2000000 X)，分辨率(二次電子、高真空，1.2 nm@15 kV、2.2 nm@1 kV)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 在用油常規(guī)理化分析

參照GB/T 7596-2017要求，分析了在用油的主要理化性能，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 在用油主要理化性能分析

從表1的結(jié)果可知，與新油相比，在用油的40 ℃運(yùn)動(dòng)黏度比新油下降了3.77%，酸值、開(kāi)口閃點(diǎn)變化較小，抗泡沫、抗氧化、抗乳化、空氣釋放性等劣化較為明顯。在用油的顆粒污染等級(jí)和水分超標(biāo)，一方面可能是油樣采集過(guò)程引入了污染物，另一方面可能是潤(rùn)滑系統(tǒng)過(guò)濾裝置無(wú)法有效去除顆粒雜質(zhì)和水分。在用油T501和酚類抗氧劑含量下降明顯，其中受阻酚類含量已經(jīng)不滿足指標(biāo)要求，這是導(dǎo)致在用油抗氧化(旋轉(zhuǎn)氧彈)性能下降(在用油旋轉(zhuǎn)氧彈值為新油原始測(cè)定值的73.1%，低于新油原始測(cè)定值的25%，已經(jīng)不滿足指標(biāo)要求)的主要因素。在用油銅、鐵、錫、銻含量極低，一方面表明系統(tǒng)磨損較輕，另一方面表明潤(rùn)滑系統(tǒng)較好的過(guò)濾了金屬顆粒。

上述結(jié)果表明，除水分、顆粒污染等級(jí)和受阻酚類抗氧劑含量、旋轉(zhuǎn)氧彈外，在用油整體能滿足GB/T 7596-2017要求。但抗泡沫、空氣釋放性、抗乳化出現(xiàn)劣化趨勢(shì)。需要及時(shí)補(bǔ)加酚類抗氧劑以提高油品抗氧化性能，提高潤(rùn)滑系統(tǒng)過(guò)濾性能降低顆粒污染等級(jí)并去除水分，同時(shí)在用油抗氧化性能及清潔程度提高將避免抗乳化、抗泡沫及空氣釋放性的劣化[6-13](汽輪機(jī)油使用過(guò)程受到污染，或老化會(huì)造成汽輪機(jī)油抗乳化性能和抗泡沫性能下降，水分的混入是造成油品起泡的原因)。

2.2 摩擦性能分析

使用SRV試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)了在用油的SRV摩擦系數(shù)和磨斑寬/深度/體積，并對(duì)磨斑表面進(jìn)行分析(SEM)[14]。結(jié)果見(jiàn)圖1～3和表2。

表2 新/在用汽輪機(jī)油的SRV磨斑(100 N，60 ℃，50 Hz，2 mm)

圖1 新/在用汽輪機(jī)油的SRV摩擦系數(shù)(100 N，60 ℃，50 Hz，2 mm)

由圖1的結(jié)果可知，在用油摩擦系數(shù)較大且不穩(wěn)定，表明其摩擦性能較差。

由表2的結(jié)果可知，在用油磨損體積明顯大于新油，表明在用油在該試驗(yàn)條件下抗磨損性能較差。

2.3 試件SEM-EDS分析

為了分析在用油抗磨損性能變差的機(jī)理，對(duì)新油和在用油潤(rùn)滑的試件磨斑表面進(jìn)行了SEM-EDS分析。結(jié)果見(jiàn)圖2～3和表3。

表3 新油和在用油的SRV摩擦試驗(yàn)試件磨斑表面EDS分析 %

圖2 新汽輪機(jī)油SRV摩擦試驗(yàn)試件

對(duì)比圖2和圖3可知，在用油潤(rùn)滑的磨斑表面犁溝現(xiàn)象更明顯，這是其磨斑深度和磨損體積較大的原因。造成磨斑表面犁溝現(xiàn)象明顯與在用油顆粒污染等級(jí)高有關(guān)。

圖3 在用汽輪機(jī)油SRV摩擦試驗(yàn)試件

由表3的結(jié)果可知，在用油SRV摩擦試驗(yàn)試件磨斑表面氧含量較高，表面發(fā)生了較為劇烈的摩擦氧化反應(yīng)，這與在用油抗氧劑含量下降，抗氧化性能降低有關(guān)。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過(guò)一年半的使用，除水分、顆粒污染等級(jí)和旋轉(zhuǎn)氧彈外，在用油整體性能可以滿足設(shè)備潤(rùn)滑需求；

(2)由于抗氧劑消耗較多，在用油抗氧化(旋轉(zhuǎn)氧彈)性能出現(xiàn)劣化趨勢(shì)，不能滿足在用油質(zhì)量要求；

(3)水分超標(biāo)，導(dǎo)致在用油抗泡沫、空氣釋放性、抗乳化等理化性能劣化；

(4)顆粒污染等級(jí)超標(biāo)，抗氧化性能下降，在用油SRV試驗(yàn)抗磨損性能下降。

4 建議

(1)補(bǔ)加T501及酚類抗氧劑，提高油品抗氧化性能；

(2)提高潤(rùn)滑系統(tǒng)過(guò)濾裝置效率，去除水分及顆粒污染物。