高廣清，趙曉林

(安徽華電宿州發(fā)電有限公司，安徽 宿州 234101)

主機潤滑油油質(zhì)在線監(jiān)測技術(shù)的研究

高廣清，趙曉林

(安徽華電宿州發(fā)電有限公司，安徽 宿州 234101)

介紹了主機潤滑油油質(zhì)對于機組安全運行的重要性，分析了現(xiàn)有潤滑油監(jiān)測手段存在的問題以及國內(nèi)外油液分析技術(shù)的發(fā)展趨勢，論證了應用油質(zhì)在線監(jiān)測技術(shù)對于主機潤滑油系統(tǒng)的日常維護、狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的必要性和潛在價值，闡述了應用的基本思路和方案，為提高汽輪機油品和故障分析的精細化管理水平指明了方向。

潤滑油；油液分析技術(shù)；在線油質(zhì)監(jiān)測；故障診斷

0 引言

近年來，隨著發(fā)電企業(yè)的發(fā)電設備迅速向大容量、高參數(shù)、自動化、成套化、環(huán)保節(jié)能型方向發(fā)展，設備的維修成本和停機損失也急劇增加，對設備運行的可靠性和經(jīng)濟性提出了更高要求。

主機潤滑油在汽輪機中起著潤滑、冷卻和密封的作用，是旋轉(zhuǎn)設備的“血液循環(huán)系統(tǒng)”，影響著設備的運行安全和使用壽命。通過對設備潤滑狀態(tài)的實時監(jiān)測，可以大幅降低因油品劣化造成的機械磨損，有效延長設備使用壽命，減少停機損失。

1 主機潤滑油被污染的危害

為了確保軸承得到良好的潤滑和冷卻，汽輪機潤滑油必須具備良好的抗氧化性、潤滑性、抗乳化性以及防銹性。如果潤滑油被污染，將會導致其性能下降，嚴重威脅軸承的運行安全。

水分是汽輪機潤滑油品質(zhì)的重要指標之一，同時也是運行中最容易超標的指標。水分超標會降低潤滑油的潤滑性能，造成金屬腐蝕、設備損壞。潤滑油水分超標導致的故障是緩慢累積的，不易被及時發(fā)現(xiàn)。

油質(zhì)清潔度直接影響著汽輪機潤滑油系統(tǒng)能否正常工作。油中的污染物包括灰塵、土粒、砂粒、鐵屑、金屬微粒、漆皮、纖維物、空氣及水分等。潤滑油中的固體顆粒在滑動軸承承載表面上會加快軸頸與瓦面磨損，導致電廠汽輪機組軸頸拉毛磨損、車削成槽的現(xiàn)象頻繁發(fā)生。

相對于小容量機組，大容量機組軸頸尺寸更大，軸頸表面的線速度更大，這就更容易使軸頸被固體顆粒拉毛磨損。同時，隨著轉(zhuǎn)子質(zhì)量增大，油膜變薄。小容量機組運行中油膜厚度一般約為0.20 mm，而大機組的油膜厚度通過實測只有0.05 mm左右，當機組啟動或惰走時油膜會更薄，汽輪機組軸頸更易受到微小顆粒的磨損。

2 目前潤滑油污染監(jiān)測存在的問題

對汽輪機潤滑油污染的監(jiān)測是電廠一項相對薄弱的工作，目前仍存在許多問題。

2.1 監(jiān)測管理水平不高

目前，一些電廠對油污染的危害認識不足。電廠主要依靠人工離線化驗和在線振動對主汽機旋轉(zhuǎn)部位進行監(jiān)測，當監(jiān)測到振動或油液異常時往往已經(jīng)造成損失。由于無法進行在線油液分析，導致設備運行中的大量異常信息在離線分析過程中全部喪失，只能根據(jù)油液本身的劣化信息進行分析。

2.2 缺乏必要的在線監(jiān)測設備

大多數(shù)電廠都沒有自己的油質(zhì)在線監(jiān)測設備，且國外的檢測儀價格較昂貴，也不一定適用于汽輪機油質(zhì)的在線監(jiān)測。目前的監(jiān)測方式不能及時發(fā)現(xiàn)汽輪機油清潔度超標現(xiàn)象，通常只有在油污染對系統(tǒng)產(chǎn)生危害后才采取措施。國內(nèi)某電廠由于沒有及時發(fā)現(xiàn)汽輪機油中含有大量的固體顆粒污染物，曾發(fā)生過汽輪機轉(zhuǎn)子軸徑、軸瓦嚴重損傷的事件。因此，使用符合要求的監(jiān)測設備，并對長期運行的機組實行油質(zhì)清潔度在線監(jiān)測，是及時控制油污染度、減少油污染危害的重要途徑。

2.3 油質(zhì)評判方法不實用

目前大部分電廠沿用美國汽車工程協(xié)會的SAE749D標準或美國航天協(xié)會的NAS1638標準。這些標準有1個共同特點，即建立在1個固定的尺寸分布的基礎上。以電廠使用較多的NAS1638標準為例，某電廠汽輪機油的2次污染度檢測結(jié)果如表1所示，按NAS1638評判方法，其污染度等級皆為12級。

2次檢測結(jié)果中，尺寸分布處于25—50 μm的顆粒數(shù)相差將近3倍，50—100 μm的顆粒數(shù)則相差近7倍，雖然清潔度等級評定結(jié)果皆為12級，但潤滑油對機組的危害程度顯然不同。因此，按當前油質(zhì)評定方法確定的評判結(jié)果不能很好地反映汽輪機油質(zhì)對油系統(tǒng)的危害程度。

表1 某電廠汽輪機油清潔度檢測結(jié)果

為彌補這些不足，國際標準化組織ISO通過了清潔度標準ISO4406，以2個顆粒濃度的等級之比來描述流體的清潔度。此標準重點是將5—15 μm顆粒數(shù)分成若干級，較好地解決了NAS1638標準中當實際系統(tǒng)中顆粒尺寸分布難以同時滿足5個尺寸段的規(guī)定，無法用一個等級代號來描述實際流體清潔度的問題。

但這種方法不夠精確，級與級之間分級過大，無法像NAS1638標準那樣清楚地了解對系統(tǒng)危害最大的尺寸段污染顆粒的分布情況等問題。目前，已經(jīng)研制的實時油液分析儀可以提供在線顆粒度測量，提供多達6個尺寸段的顆粒數(shù)，極大彌補簡單評級的不足。

3 國內(nèi)外油液分析技術(shù)的研究進展

美國帕洛弗迪核電站通過研究發(fā)現(xiàn)：各種轉(zhuǎn)動軸承故障的早期發(fā)現(xiàn)和預警可大幅度降低設備故障頻率和惡性故障后果的發(fā)生數(shù)量，而軸承故障主要是因微米級別的雜質(zhì)顆粒和潤滑油缺陷加劇軸承磨損和振動進而發(fā)生的。

該電站通過對750臺旋轉(zhuǎn)設備的振動參數(shù)和油液參數(shù)的復合監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)：67 %的軸承故障可以通過實時油液分析發(fā)現(xiàn)；57 %的軸承故障可以通過實時振動分析發(fā)現(xiàn)；27 %的軸承故障可以通過2者的復合分析發(fā)現(xiàn)。通過復合監(jiān)測產(chǎn)生的效益每年超過370萬美元，帕洛弗迪核電站的主管Johnson指出，在油液監(jiān)測方面每投入1美元，就可以節(jié)省6.5美元的維修費用。

雖然我國的油液分析技術(shù)相較于國外起步較晚，但是也取得了一些重要成果。目前，國內(nèi)一些大型企業(yè)通過對各類設備的潤滑油樣進行常規(guī)的理化分析、磨損金屬光譜分析、油污染變質(zhì)的紅外光譜分析等保證設備潤滑系統(tǒng)具有良好的潤滑作用。

4 潤滑油在線監(jiān)測技術(shù)在汽輪機上的應用

4.1 汽輪機潤滑油在線監(jiān)測的技術(shù)優(yōu)勢

在日常維護檢查時，傳統(tǒng)的潤滑油監(jiān)測需要先抽取油樣再送往實驗室進行化學分析，最后等待實驗室的分析結(jié)果。這種監(jiān)測方式存在以下幾個弊端。

(1) 管道中的污染物往往以油團形式存在，因取樣監(jiān)測結(jié)果具有遲滯性，無法即時體現(xiàn)污染物油團的頻次和油團中各尺寸段顆粒的污染狀況，對機組運轉(zhuǎn)狀態(tài)診斷和設備故障預判存在嚴重滯后。

(2) 在取樣運送過程中，容易造成二次污染，影響油液顆粒監(jiān)測精度，使實驗室分析結(jié)果準確性不足。

(3) 油液監(jiān)測的取樣和運送過程需要耗費人力、物力，加大了油液污染監(jiān)測環(huán)節(jié)的成本。

與離線實驗室化驗分析相比，實施汽輪機潤滑油油質(zhì)在線監(jiān)測具有以下幾點技術(shù)優(yōu)勢。

(1) 有助于提高設備安全運行水平，減少意外停機時間；還可以預防油品污染，防止惡性磨軸事故。

(2) 實現(xiàn)按質(zhì)換油，延長油品使用周期。由原來的定期換油變更為按質(zhì)換油，根據(jù)實時監(jiān)測油質(zhì)結(jié)果確定換油周期，降低換油成本；同時減少廢油數(shù)量，有利于環(huán)境保護。

(3) 有助于提高油品監(jiān)督效率，有效避免二次污染。通過在線連續(xù)測量保證了最有效的中段取樣，同時避免了人工采樣誤差，流動中的連續(xù)采樣保證了測量結(jié)果更趨近真值。

(4) 提升油品系統(tǒng)的精細化管理水平，減少人工成本和時間成本。

新型監(jiān)測技術(shù)是產(chǎn)業(yè)升級和物聯(lián)網(wǎng)建設的基礎，將離線監(jiān)測逐步轉(zhuǎn)移到在線監(jiān)測已是大勢所趨。

4.2 汽輪機潤滑油在線監(jiān)測的具體方案

4.2.1 所需監(jiān)測參數(shù)

由于大部分潤滑油測量參數(shù)都具有關聯(lián)性，為保證監(jiān)測結(jié)果真實有效、參數(shù)分析依據(jù)統(tǒng)一，監(jiān)測設備最好采用多參量單傳感器一體化結(jié)構(gòu)設計。這樣不僅能夠保證多個測量參數(shù)同點、同時監(jiān)測，還可以有效避免測油液被二次污染。

(1) 粘度和溫度。粘度是潤滑油最重要的一項理化指標，也是選擇潤滑油牌號的主要依據(jù)。之前在化驗室進行離線檢測油品粘度時，通常是將油加熱到40 ℃，測量油在該溫度下的粘度指標，再與國標對比，最后判定油品粘度指標是否合格。但在實際使用中，油品溫度往往不斷變化，油品粘度也會隨之波動，這種做法無法準確預計實際使用中的油品粘度，更無法判斷油膜形成厚度及潤滑效果。

通過汽輪機潤滑油在線監(jiān)測裝置，可以實時測量油品的溫度和粘度，根據(jù)不同溫度下的油品粘度指標，描繪出當前油品的粘溫特性，準確判斷油品粘度以及油質(zhì)劣化情況。實時監(jiān)測潤滑油的粘溫特性對保護設備旋轉(zhuǎn)運動部件和保障機組運行安全有著十分重要的意義。

(2) 水分。汽輪機潤滑油中水含量過高時，會造成潤滑油的潤滑性能變差、調(diào)速降低和冷卻散熱等問題，甚至破壞油膜、增大摩擦，引起軸承過熱，嚴重時會造成軸承烏金燒毀、軸頸磨損、腐蝕金屬設備，使危急遮斷器裝置生銹、卡澀，進而導致調(diào)速系統(tǒng)失靈等后果，嚴重威脅機組的安全運行。

傳統(tǒng)離線監(jiān)測油中水含量往往會因為人工經(jīng)驗和取樣誤差等因素導致監(jiān)測數(shù)據(jù)差異較大，無法準確反映實際運行油系統(tǒng)中的水分含量。

在被測油路中安裝在線監(jiān)測設備，在密閉的循環(huán)油系統(tǒng)中實時監(jiān)測水分數(shù)據(jù)，這一和監(jiān)測方式得到的分析結(jié)果更能說明實際的運行情況，更加具有說服力。

(3) 顆粒度。管道中的污染物多以油團的形式存在，每次的人工取樣并不一定都能取到污染物集中的油團，這些污染油團進入油箱與清潔油品混合后往往均能達標，但該污染油團本身的顆粒度則可能遠高于NAS的8級標準。污染油團中的顆粒一旦進入軸承油膜必然導致軸瓦非正常磨損，因此有必要在線監(jiān)測污染物油團的頻次和顆粒度等級。這樣，一方面可以完成對濾芯劣化趨勢的狀態(tài)監(jiān)測；另一方面通過污染物油團出現(xiàn)頻次或不同尺寸段顆粒物的增加趨勢判斷可能形成的軸瓦磨損，啟動濾油機或更換已經(jīng)劣化的濾芯避免軸瓦非正常磨損；另外，對于顆粒度監(jiān)測而言，在線監(jiān)測精度大大高于實驗室監(jiān)測精度。實驗室離線監(jiān)測油中顆粒的數(shù)據(jù)無法真實反映實際的油品質(zhì)量，同時也丟失了管路中污染油團的大顆粒信息。

綜上所述，在線監(jiān)測潤滑油污染度等級及各通道詳細顆粒數(shù)十分必要，有助于電廠提升油品精細化管理水平。

4.2.2 在線監(jiān)測點的選取

根據(jù)不同監(jiān)測目的，主機潤滑油在線監(jiān)測點可選擇的位置有：主機潤滑油供油母管、主機潤滑油回油母管、潤滑油濾油機出口側(cè)。

通過對比流經(jīng)主軸前后的潤滑油參數(shù)，可以更及時地發(fā)現(xiàn)設備的運行狀態(tài)問題；也可以對比、分析潤滑油的劣化趨勢，實現(xiàn)轉(zhuǎn)動設備狀態(tài)監(jiān)測分析和油品劣化分析的同步兼顧；還可以實現(xiàn)對濾油機濾芯的狀態(tài)監(jiān)測。目前濾油機靠壓差檢測濾芯質(zhì)量，但當濾芯無法過濾大顆粒時，壓差無反應，而對主軸的危險卻急劇加大。通過濾油機出口側(cè)的油質(zhì)在線分析，可以實時監(jiān)控濾芯質(zhì)量，及時發(fā)現(xiàn)油質(zhì)不達標或濾芯破損等異常情況，為機組的安全運行增添保障。

5 結(jié)束語

目前，油液在線監(jiān)測技術(shù)已成為監(jiān)測和診斷故障的重要技術(shù)方法。汽輪機潤滑油在主機內(nèi)部循環(huán)，從油液在線監(jiān)測出發(fā)進行機械設備故障診斷，能夠較為準確地預測故障的原因及部位，更全面地監(jiān)測設備的運轉(zhuǎn)情況，并能利用早期預報及時發(fā)現(xiàn)和排除設備的故障隱患，減少損失。

發(fā)電廠主機潤滑油的在線油質(zhì)監(jiān)測也逐步成為各大電力集團提高自動化管理水平的一大突破口，通過實時油品監(jiān)測分析，逐步建立油品故障監(jiān)控網(wǎng)絡，全面監(jiān)控涉油系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動機械和油系統(tǒng)常見風險點，有效預防汽輪機軸徑軸瓦磨損拉傷、汽輪機斷油燒瓦、密封油系統(tǒng)故障等，為提高汽輪機油品和故障分析的精細化管理水平，建設全面油系統(tǒng)故障診斷監(jiān)控平臺奠定基礎。

1 張英堂，任國全.油液監(jiān)測技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].潤滑與密封，2000，25(2)：65-66.

2 黎瓊煒，毛美娟，陳 勇.油液分析現(xiàn)狀與發(fā)展方向研究[J].中國機械工程，2004，15(3)：272-275.

3 楊其明，嚴新平，賀石中，等.油液監(jiān)測分析現(xiàn)場實用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

2016-12-26。

高廣清(1974—)，男，助理工程師，主要從事火力發(fā)電廠化學技術(shù)監(jiān)督、化學設備運行與檢修管理工作，email：551920026@ qq.com。

趙曉林(1984—)，女，助理工程師，主要從事火力發(fā)電廠化驗室檢測和管理工作。