[美國]J.S.米切迪克

水輪機(jī)換用新透平油運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)

[美國]J.S.米切迪克

用新透平油更換水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組內(nèi)的舊油時,美國陸軍工程兵團(tuán)(USACE)遇到了運(yùn)行方面的問題,包括卡閥和過濾器堵塞。USACE承擔(dān)了一個研究項目,以確定新油和舊油的相容性并就這些運(yùn)行方面遇到的問題提出了解決方案。為了改善機(jī)組的工作性能,USACE對幾座電站的過濾裝置以及一些其他設(shè)備進(jìn)行了改良。

水輪機(jī)組運(yùn)行;過濾裝置;技術(shù)改良;美國

從 1998年到 2002年,USACE在對幾座水電站用新透平油更換舊油和/或?qū)⑿峦钙接图尤胧褂弥械挠秃?這幾座水電站在運(yùn)行方面都出現(xiàn)了一些問題,包括透平油起泡過多并有摻氣現(xiàn)象、調(diào)速器比例閥發(fā)生卡閥現(xiàn)象、調(diào)速器在線引導(dǎo)過濾器堵塞等,這些問題導(dǎo)致水輪機(jī)運(yùn)行困難并使維修費(fèi)用和計劃外的停機(jī)時間增加。

USACE所屬的華盛頓州布里奇波特(Bridgeport)市裝機(jī) 2 620 MW的契夫·約瑟夫(Chief Joseph)水電站就遇到了這一棘手的水輪機(jī)運(yùn)行方面的問題。1999年和 2000年期間,工作人員用新透平油更換了舊油。大約在換油 4個月以后,經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn),與用舊油時的運(yùn)行相比,調(diào)速器回油箱中的摻氣和泡沫明顯增多。發(fā)電機(jī)組開始遇到調(diào)速器比例閥卡閥的現(xiàn)象以及調(diào)速器在線引導(dǎo)過濾器發(fā)生堵塞等問題,導(dǎo)致需要隨時停機(jī)來更換全部 27臺發(fā)電機(jī)組的被堵過濾器,從而增加了維修工作量并使機(jī)組被迫中斷運(yùn)行。于是在 2000年,USACE水電設(shè)計中心(HDC)開始了一項大規(guī)模的調(diào)查研究工作,目的是查明所觀察到的問題的原因并確定切實(shí)可行的解決方案。

主要對以下各項進(jìn)行了調(diào)查:

(1)檢測設(shè)備和/或運(yùn)行工況的可能變化;

(2)確定新油和舊油成份及特性的可能變化;

(3)評估新油和舊油的相容性;

(4)評價現(xiàn)有的油污染控制措施,如果需要,會推薦改善防污措施。

1 設(shè)備和/或運(yùn)行工況的可能變化

如果設(shè)備及其運(yùn)行工況有變化,首先應(yīng)確定有哪些情況(例如密封、軸承和水泵的變化)可能是使用了新透平油引起的運(yùn)行問題。走訪維修人員并調(diào)閱維修日志后,調(diào)查人員確定沒有此類維修活動。

2 油成份及特性的可能變化

為更多地了解新透平油的特性及其可能助長的性能缺陷,聯(lián)系了幾家油料公司(?？松梨?、雪佛龍、殼牌和加拿大石油)的代表。根據(jù)反饋,得出了以下 3個結(jié)論:

(1)市面上現(xiàn)售的新透平油一般由 2類基礎(chǔ)油和非金屬或“無塵”添加劑配制而成,而 USACE電站以往使用的透平油是由 1類基礎(chǔ)油和金屬基添加劑配制而成;

(2)這 2種添加劑混合后相互間可能不完全相容;

(3)添加劑不相容的混合油可能會引起運(yùn)行困難。

因?yàn)闋可娴綄＠?所以無法獲得更多的有關(guān)添加劑化學(xué)成分的詳細(xì)情況。

以前,USACE水電站的水電設(shè)備使用的透平油是用原油精煉的基礎(chǔ)油混合而成(用萃取溶劑萃取)。這些油的潤滑性能良好,它們含有各種芳香烴化合物(在潤滑學(xué)文獻(xiàn)中被稱為“非飽和化合物”),占體積的 10%～30%,直接影響油內(nèi)飽和化合物(不起反應(yīng)的部分)的百分比。油內(nèi)芳香烴(非飽和)的總量決定了基礎(chǔ)油固有溶解度的大小。美國石油學(xué)院(API)用這一信息作為基礎(chǔ)油分類的一項基本參數(shù)(見表 1)。根據(jù) API分類(見飽和化合物 -非飽和化合物比值的范圍),可以得出一個可靠的結(jié)論,即以往使用的透平油屬于 1類油。

表1 美國石油學(xué)院對基礎(chǔ)油的分類

本質(zhì)上,芳香烴是活性的,它們遇氧(通過泡沫和夾雜的空氣進(jìn)入油內(nèi))會氧化,從而會減少油的使用壽命。運(yùn)行溫度升高時,氧化過程的速度也會加快。運(yùn)行溫度高于 80℃時,油開始熱老化,這將導(dǎo)致油粘度上升到容許極限(通常設(shè)定為比原粘度大 20%)之上,且影響油的使用壽命。但是,有氧或無氧都會發(fā)生熱老化。

大約 15～20 a前,北美洲的主要石油公司(如雪佛龍、加拿大石油、美孚和殼牌)引進(jìn)并開始利用新的煉油技術(shù)。煉油工藝由下述一項或多項技術(shù)組合而成:氫化裂解、氫化精制、脫蠟、異構(gòu)脫蠟和異構(gòu)化反應(yīng)。利用這些新的精煉油技術(shù)的主要目的之一是減少或消除這種精煉基礎(chǔ)油中的芳香烴。減少油內(nèi)的芳香烴數(shù)量可以使油本身的抗氧化性能增強(qiáng),從而其熱穩(wěn)定性也將使之更適合在運(yùn)行溫度較高的地方使用,且比以前使用的 1類油更耐用。但是減少油內(nèi)的芳香烴含量的同時,也會明顯降低 2類油的溶解特性。2類油幾乎獨(dú)占了市面上現(xiàn)售配方透平油的份額。

1類透平油中最常見的添加劑包括鋅基抗生銹和抗氧化添加劑(例如,二烷基二硫代磷酸鋅或 ZDDP)以及硅基消泡劑。由于 1類油的可溶性好,鋅基添加劑極易在油中溶解。

一般來說,現(xiàn)有的 2類透平油沒有調(diào)配同類的添加劑。從被調(diào)查的各石油公司代表那里獲取的有限信息表明:

(1)添加劑是非金屬基(也稱為“無塵”添加劑);

(2)可能存在一些添加劑與使用中油內(nèi)添加劑不相容的情況;

(3)添加劑不相容的混合油也許會導(dǎo)致絮狀物和油泥的形成、析出油內(nèi)的添加劑、加快起泡和摻氣,因此使得機(jī)組運(yùn)行困難。

因?yàn)樯婕暗綄＠矫娴膯栴},所以有關(guān)在 2類透平油調(diào)配過程中使用的添加劑以及其化學(xué)成分的一些具體信息無法獲得更多。

3 新油和舊油的相容性

了解添加劑潛在的不相容性及其可能導(dǎo)致的后果之后,我們研究了一個可靠的方法,以便為新油和舊油的獨(dú)立相容性進(jìn)行試驗(yàn)。在該項試驗(yàn)研究中,有 2項主要發(fā)現(xiàn):

(1)上述石油公司有測試相容性的內(nèi)部規(guī)程,通過對這些規(guī)程進(jìn)行分析研究,發(fā)現(xiàn)在其測試方法和試驗(yàn)技術(shù)上存在差異,這令我們對規(guī)程的可靠性產(chǎn)生憂慮。

(2)正規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)測試組織如美國測試和材料學(xué)會(ASTM)以及國際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)并沒有制定這種測試方法,這使得最終用戶難以利用這些獨(dú)立的商業(yè)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證新油和使用中的油的相容性。

2000年,USACE獲悉赫古思(Herguth)實(shí)驗(yàn)室用其內(nèi)部研發(fā)的試驗(yàn)方法可提供這種服務(wù)。兩家討論了相容性試驗(yàn)的有關(guān)事宜,略微改變了實(shí)驗(yàn)室原有的實(shí)驗(yàn)方法,實(shí)驗(yàn)室將采用改進(jìn)后的方法為 USACE所有的電站測試油的相容性。原有的試驗(yàn)方法為:被測試的兩種油以不同的比例(例如,100∶0、85∶15、50∶50、15∶85和 0∶100)混合后 ,在 150℉的烘箱中存儲一周(168 h),然后目視評定不相容性的表象(如濁度、渾濁性、絮狀體和 /或油泥的滋長)。在此基礎(chǔ)上,增加了部分測試步驟,將評定后的混合油通過事先稱重的0.45μm過濾器?；旌嫌屯ㄟ^后的過濾器重量差證實(shí)了不相容性造成了濾渣的存在。因此,USACE的員工為訂購?fù)钙接托薷牧藘?nèi)部規(guī)范,即購置新油前要做相容性試驗(yàn)。

從 2001年到 2006年,USACE電站的員工借助于赫古思實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相容性試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室工作人員檢測出了新油的不相容性,使得 525 MW的利比(Libby)電站、810 MW的下花崗巖(Lower Granite)電站、115MW的歐扎克(Ozark)電站和 980 MW的麥克納里等電站取消了購買新油的計劃,阻止了將會出現(xiàn)的運(yùn)行問題。

2006年末,ASTM發(fā)布了新的透平油相容性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(ASTM D7155,評價透平潤滑油混合物相容性的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程)。USACE將其納入了內(nèi)部規(guī)范并用于指導(dǎo)透平油的定貨,ASTM D7155取代了以往有關(guān)相容性試驗(yàn)的參考標(biāo)準(zhǔn)。

4 油污染控制措施

我們的調(diào)查研究包括評價契夫約瑟夫水電站調(diào)速器油污染控制技術(shù)的效率。調(diào)查發(fā)現(xiàn),只有一臺位于油處理室的離心機(jī)起作用,用于給大量的油去濕(清除油中的水分和雜質(zhì)顆粒)。實(shí)際操作是將油從指定水輪機(jī)的油槽排入主貯油箱,通過離心機(jī)除去水分和去污,然后將處理后的油送回到水輪機(jī)油槽。主貯油箱的油樣分析顯示凈度為 ISO23/19/16(c)。隨機(jī)選取了幾個調(diào)速器回油箱進(jìn)行分析,結(jié)果表明,其凈度在 ISO22/18/14(c)到 ISO23/18/15(c)之間,作為潤滑油或調(diào)速器應(yīng)用的液壓油,該凈度范圍遠(yuǎn)不符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

對阻塞調(diào)速器在線引導(dǎo)過濾器的油泥成分分析表明,膠質(zhì)沉淀物占 86%,磨損的金屬占 7%,其他碎屑占 6%,水占 1%。

必需弄清調(diào)速器在線引導(dǎo)濾油器內(nèi)為何有異常多的膠質(zhì)沉積物。為此進(jìn)行了研究,對膠質(zhì)沉淀物的產(chǎn)生有了更深的了解。

研究顯示,水電設(shè)備使用的透平油中的大多數(shù)膠質(zhì)沉淀物顆粒是油老化的副產(chǎn)品,是基礎(chǔ)油氧化、添加劑成分或這兩者產(chǎn)生的。這樣形成的膠質(zhì)沉淀物顆粒最初為柔軟、有極性、粘性且很小(大約0.01μm)的顆粒。運(yùn)行系統(tǒng)在各種溫度下會形成膠質(zhì)沉淀物。溫度較高時,由于透平油的熱老化性(例如,在水輪機(jī)軸承內(nèi)動態(tài)形成的一薄層油膜)會產(chǎn)生膠質(zhì)沉淀物。由于它所具有的極性,因此膠質(zhì)沉淀物顆粒會移動并附著在整個系統(tǒng)的金屬表面上。如果金屬表面是熱的,則膠質(zhì)沉淀物顆粒會硬化并覆蓋在表面上,成為一層光亮的、薄薄的、淡褐色到淡黃色的不溶覆蓋層。運(yùn)行溫度較低時,如調(diào)速器回油箱內(nèi),由于暴露在空氣里的氧中,油氧化后即生成膠質(zhì)沉淀物。油持續(xù)起泡和長期摻氣時,膠質(zhì)沉淀物會在油內(nèi)加速形成,那些粘性小顆粒會隨著油流動并附著在金屬表面上,包括密封油道,如比例閥,會導(dǎo)致閥“粘滯”。如果不控制低溫運(yùn)行時油內(nèi)膠質(zhì)沉淀物的增長,顆粒易于結(jié)塊成 1μm或更大。由于其具有粘性,結(jié)塊的顆粒容易在在線過濾器內(nèi)沉積并引起堵塞。潤滑學(xué)會的報告認(rèn)為,由于溶解能力較低,新的 2類或許還有 3類透平油比老的 1類透平油更易產(chǎn)生膠質(zhì)沉淀物。

調(diào)速器油內(nèi)可觀察到上述所有問題,但缺乏持續(xù)控制調(diào)速器油內(nèi)膠質(zhì)沉淀物增長的手段,這使得調(diào)查人員確信,很有可能就是這些情況導(dǎo)致小型調(diào)速器過濾器堵塞的速度比換油前明顯加快(分別是每月 1次和 1 a 2次)。因此,決定給調(diào)速器回油箱增加一個大小合適的離線過濾裝置,以有效地將油內(nèi)膠質(zhì)沉淀物維持在一定水平,且不會中斷水輪機(jī)的運(yùn)行。通過該電站的現(xiàn)場過濾試驗(yàn),證實(shí)了 USACE水電設(shè)計中心的這一結(jié)論。

現(xiàn)場試驗(yàn)情況介紹如下。

2001年,契夫約瑟夫水電站的工作人員進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn),評估了調(diào)速器用以調(diào)節(jié)油潔凈狀況的油過濾裝置的效率。試驗(yàn)中,在 2臺隔開的調(diào)速器回油箱中測試了 2個 C.C.詹森(Jensen)公司的過濾裝置,9號機(jī)組裝上一個具有低功率密度加熱器的過濾裝置,25號機(jī)組裝一個不帶加熱器的過濾裝置。調(diào)速器油只過濾一個月后的試驗(yàn)結(jié)果表明,2個回油箱內(nèi)油的凈度有改善:9號機(jī)組的油凈度從開始的 ISO20/17/13上升到 ISO16/15/12;25號機(jī)組的油凈度從開始的 ISO19/17/14提高到 ISO17/16/12。

受 C.C.詹森過濾裝置初期試驗(yàn)成功的鼓舞,工作人員將現(xiàn)場試驗(yàn)推廣到其他制造商的相似裝置中。從不同制造商(太平洋流體設(shè)備有限公司(Pacific Fluid Systems luc.)和高純凈化有限公司(High Purity luc.))那里另選用了 2臺機(jī)械式離線過濾裝置和由過濾器科技公司生產(chǎn)的 1支靜電過濾器放入4個不同的調(diào)速器回油箱內(nèi)。這次現(xiàn)場試驗(yàn)連續(xù)不斷地進(jìn)行了 3個月。

機(jī)械分離式過濾裝置的特性滿足了 USACE在試驗(yàn)之前設(shè)定的技術(shù)要求。技術(shù)要求大體上類似于為 C.C.詹森裝置設(shè)定的初始要求,包括以下技術(shù)指標(biāo):

(1)最大流量 8.0加侖 /分(GPM)。

(2)適合 900加侖回油箱的過濾裝置。

(3)恒溫控制的加熱器附著在過濾器上,能維持回油箱內(nèi)油溫 40℃(104℉)。

(4)加熱元件為低功率密度型;每平方英寸不超過 12W。當(dāng)系統(tǒng)因任何原因停機(jī)時,加熱器會自動關(guān)閉。

(5)深度型纖維素過濾元件率定絕對值為 3 μm,最小 Betaβmin≥75。

(6)過濾系統(tǒng)存儲污物的最小容積應(yīng)為1.1加侖。

過濾系統(tǒng)在過濾器前、后裝有油閥,以便能在濾前和濾后采取油樣。

帶有加熱器的靜電型過濾系統(tǒng)和纖維型的水分清除器裝在一起,在油進(jìn)入靜電分離室前除去油中的水分。

契夫約瑟夫水電站工作人員每月測試濾過的油,然后記錄并跟蹤結(jié)果。整理的首次 3個月的試驗(yàn)結(jié)果表明,2種類型的過濾裝置(機(jī)械式和靜電型),都能有效除去透平油中的膠質(zhì)沉淀物及其他雜質(zhì)。初始凈度范圍為 ISO22/18/14(c)到 ISO23/18/15(c),達(dá)到和保持的凈度在 ISO15/13/10(c)到ISO15/12/9(c)之間。此外,維修人員每月檢查被試驗(yàn)調(diào)速器的在線濾油器,均未發(fā)現(xiàn)任何沉淀跡象。

根據(jù)研究成果,水電設(shè)計中心建議所有的 USACE電站給所有的調(diào)速器回油箱加裝離線過濾系統(tǒng)。過濾器應(yīng)符合上述規(guī)則——離線過濾系統(tǒng)過濾調(diào)速器用油。但是,具體過濾系統(tǒng)的實(shí)際尺寸將取決于要處理的油量。

水電設(shè)計中心還建議拆除只能進(jìn)行物理分離油、水(自由水和乳狀水)的設(shè)備(離心機(jī)),代之以化學(xué)分離油、水(自由水、乳狀水和溶解水)的設(shè)備(真空脫水器)。建議還包括購置大小合適的離線、小流量、深度型吸附纖維過濾器或靜電油過濾器,過濾主貯油箱中的油。

契夫約瑟夫水電站最先采納并實(shí)施這些建議。他們添置了 1臺新的真空脫水器,并增加了 1臺能夠處理油室存儲量多達(dá) 12 000加侖油量的離線過濾裝置。

利用這種設(shè)置和新設(shè)備大大提高了契夫約瑟夫水電站大量油的總體凈度,一般凈度范圍為 ISO15/14/11到 ISO12/11/10之間。目前,契夫約瑟夫水電站在所有 27臺水輪機(jī)中使用新油運(yùn)行至今沒有遇到任何運(yùn)行問題。

5 結(jié) 語

新一代的透平油配有“無塵”型添加劑,含有的芳香烴比以前用的油含有的芳香烴的量少,使其不易氧化且對環(huán)境更加無害。

契夫約瑟夫水電站現(xiàn)場試驗(yàn)的結(jié)果和推薦措施的實(shí)施,證明了新一代透平油適于水電設(shè)備的運(yùn)行。

USACE承認(rèn),在采購新油之前,評估任何待選新油與使用中油的相容性十分重要。ASTM D7155是最可靠的相容性試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程。

USACE建議對水電站進(jìn)行一次性投資,以升級設(shè)備和防污染控制,包括:

(1)給每臺調(diào)速器回油箱加裝一個專用的離線、小流量、深式吸附型過濾器或低功率密度加熱器靜電油過濾器;

(2)給主貯油箱加裝大小合適的同類離線過濾器(不帶過熱器);

(3)采購真空干燥設(shè)備,以更好地清除油中的水分;

(4)編制定期對各水輪機(jī)所有的油進(jìn)行處理和除濕的計劃。

油內(nèi)的磨損物和膠質(zhì)顆粒會進(jìn)一步促進(jìn)磨損和膠質(zhì)的產(chǎn)生,應(yīng)盡可能地保持油的潔凈、干燥,這樣可以延長設(shè)備和潤滑油的使用壽命,使維修工作量減至最少并消除計劃外停機(jī)時間。

劉澤文 譯自美刊《水電評論》2009年第 9期

黃守宣 校

TV 730.4

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1006-0081(2010)12-0033-04

2010-09-28

(編輯:趙秋云)