李志遠(yuǎn), 田 昌, 蘇明旭, 楊薈楠, 胡 邊

(1.上海理工大學(xué) 顆粒與兩相流測(cè)量研究所, 上海 200093;2.五凌電力有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

汽輪機(jī)油顆粒污染度光學(xué)在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究

李志遠(yuǎn)1, 田 昌1, 蘇明旭1, 楊薈楠1, 胡 邊2

(1.上海理工大學(xué) 顆粒與兩相流測(cè)量研究所, 上海 200093;2.五凌電力有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410004)

針對(duì)電廠運(yùn)行中汽輪機(jī)油顆粒污染變化快、油液取樣要求高、在線監(jiān)測(cè)難的現(xiàn)狀,基于光阻原理,研制了電廠汽輪機(jī)油中顆粒污染度在線測(cè)量系統(tǒng)并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。在湖南五強(qiáng)溪水電廠調(diào)速器潤(rùn)滑系統(tǒng)中進(jìn)行了實(shí)測(cè),實(shí)測(cè)結(jié)果與商業(yè)儀器實(shí)測(cè)結(jié)果比較可得,二者對(duì)污染等級(jí)判斷一致,顆粒數(shù)最大偏差小于25%,驗(yàn)證了在線測(cè)量裝置的準(zhǔn)確度。因系統(tǒng)測(cè)量速度快,能實(shí)時(shí)獲取運(yùn)行中汽輪機(jī)油的顆粒度和數(shù)目時(shí)變情況,利于運(yùn)行管理與控制,完全符合實(shí)際應(yīng)用要求。

顆粒; 在線測(cè)量; 光阻法; 汽輪機(jī)油

引 言

電廠汽輪機(jī)油是電力系統(tǒng)中重要的潤(rùn)滑介質(zhì),主要用于蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和水力渦輪機(jī)等發(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[1]。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[2],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[3]。因此,監(jiān)測(cè)和控制運(yùn)行中汽輪機(jī)油的顆粒污染度對(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)行有著重要意義。近些年來,油液顆粒測(cè)量技術(shù)取得了快速的進(jìn)展[4],圖像、電磁、電感等方法在該測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,但是高性能圖像設(shè)備價(jià)格昂貴、圖像數(shù)據(jù)在線處理難度大,電磁、電感法只能用于測(cè)量金屬顆粒且測(cè)量下限往往不低于30 μm。實(shí)際上,在線監(jiān)測(cè)因現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜而發(fā)展緩慢,例如文獻(xiàn)[5]對(duì)油液污染度的測(cè)量原理和裝置進(jìn)行了簡(jiǎn)單描述,文獻(xiàn)[6]列舉了一種測(cè)量裝置,結(jié)構(gòu)復(fù)雜和功能有限,不適合在線推廣。本文根據(jù)光阻法原理,參照美國(guó)航空航天工業(yè)聯(lián)合會(huì)的NAS1638油品潔凈度等級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)[7],研制電廠汽輪機(jī)油顆粒污染度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并在湖南五強(qiáng)溪水電廠三號(hào)機(jī)調(diào)速器潤(rùn)滑系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)測(cè),將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果與商業(yè)儀器的取樣分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,取得了較一致的污染等級(jí)判斷?；谠摐y(cè)量結(jié)果控制電廠濾油機(jī)的開啟狀態(tài),可保證汽輪機(jī)油始終處于達(dá)標(biāo)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)循環(huán)油系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1 顆粒污染度測(cè)量原理

光束照射并通過懸浮顆粒時(shí)能量會(huì)減弱,這是由于顆粒對(duì)光的散射和吸收作用使光強(qiáng)衰減。顆粒對(duì)光的遮擋程度往往與顆粒大小、顆粒相對(duì)周圍介質(zhì)的折射率等有關(guān),光阻法則是利用該特性測(cè)定顆粒大小并計(jì)數(shù)。如圖1所示,激光源發(fā)出平行光束經(jīng)透鏡匯聚后在測(cè)量區(qū)形成細(xì)小光束,透射光束再次經(jīng)透鏡聚焦后被另一側(cè)探測(cè)器接收,若測(cè)量區(qū)油液純凈無顆粒物,則探測(cè)器給出電壓信號(hào)保持恒定;反之,探測(cè)器給出信號(hào)有所削弱產(chǎn)生負(fù)脈沖,脈沖信號(hào)幅值與顆粒粒徑相關(guān),脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)即為通過測(cè)量區(qū)的顆粒數(shù)[8-9]。

圖1 測(cè)量原理示意圖Fig.1 Measurement principle

從光阻法基本原理[10-11]可知,接收端脈沖幅度為

(1)

式中:ΔE為光電探測(cè)器接收的電壓脈沖幅度;a為顆粒迎著光束方向的投影面積,若顆粒為球形,則a=πd2/4,d為顆粒粒徑;A為激光束在顆粒流過區(qū)域處的橫截面積;Kext為顆粒的消光系數(shù),由Mie理論可知,對(duì)可見光波段激光,可近似認(rèn)為粒徑大于2 μm的顆粒的消光系數(shù)為2;E0為光束中沒有顆粒時(shí)光電探測(cè)器產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓。

實(shí)測(cè)中,由探測(cè)器數(shù)據(jù)可以得到ΔE和E0。圖2為實(shí)驗(yàn)中采用的激光束,由相機(jī)通過正面拍攝光源光束(見圖2(a))可見,光束具有較好的圓形度,側(cè)面拍攝測(cè)量區(qū)光束(見圖2(b))得其直徑D=145 μm,可根據(jù)D計(jì)算出截面積A,由式(1)便可以推算出等效顆粒粒徑d。

圖2 激光束Fig.2 Laser beam

美國(guó)航空航天工業(yè)聯(lián)合會(huì)NAS1638標(biāo)準(zhǔn)是較常用的汽輪機(jī)油污染度判定標(biāo)準(zhǔn),按100 mL油液中的5個(gè)顆粒粒徑區(qū)間(5～15 μm,>15～25 μm,>25～50 μm,>50～100 μm,>100 μm)分段顆粒數(shù)目與設(shè)定顆粒數(shù)對(duì)比而獲得油液顆粒污染度等級(jí)。由于實(shí)際油液各粒徑區(qū)間污染程度不盡相同,因此油樣污染度按其中最高等級(jí)來定。按標(biāo)準(zhǔn)需測(cè)量大于100 μm的顆粒,激光束直徑D=145 μm既滿足了測(cè)量范圍要求,又保證了測(cè)量敏感度。

2 測(cè)量系統(tǒng)

汽輪機(jī)油顆粒度測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示,從功能上可分為油液輸運(yùn)和光學(xué)測(cè)量2個(gè)模塊。前者主要由齒輪泵、細(xì)管、測(cè)量通道等組成,齒輪泵流量穩(wěn)定并可調(diào),可確保汽輪機(jī)油在樣品池內(nèi)穩(wěn)定流通,由于微通道樣品池方式易造成堵塞,不利于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,為此采用了2 mm×10 mm矩形流通通道。光學(xué)測(cè)量模塊主要由光源、探測(cè)器、A/D采集卡、工控機(jī)和其他光學(xué)配件等組成,選取了波長(zhǎng)λ為650 nm、功率為50 mW的半導(dǎo)體激光器,該激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命較長(zhǎng)(累計(jì)使用5 000 h)、穩(wěn)定性好,同時(shí)選用了硅基跨阻放大光電探測(cè)器(型號(hào)為PDA10A-EC),其產(chǎn)生的電壓信號(hào)經(jīng)采集卡(4通道12位AD、1 MHz采樣率)送至工控機(jī)處理。

圖3 汽輪機(jī)油顆粒度測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic diagram of particle size measurement system for turbine oil

為配合硬件系統(tǒng)工作,編制了一套數(shù)據(jù)采集、分析和處理的軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)可以記錄與油液中顆粒污染情況相關(guān)的脈沖,經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)一步檢峰和統(tǒng)計(jì)處理之后,推算出油液顆粒污染等級(jí)。此外,軟件系統(tǒng)中還包括了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通訊功能,便于事后查看和對(duì)比前期結(jié)果,最新的測(cè)量結(jié)果能及時(shí)發(fā)送至電廠控制室。為適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,軟件中設(shè)定了系統(tǒng)定時(shí)開啟和關(guān)閉功能,便于無人值守工作。

3 儀器標(biāo)定與驗(yàn)證

儀器組裝調(diào)試結(jié)束后,用5.1 μm、45 μm、120 μm的標(biāo)準(zhǔn)顆粒對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量以前,為了驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果,選用國(guó)家油中顆粒標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW(E)120017作為驗(yàn)證油樣,如圖4(a)所示,某一典型電壓脈沖信號(hào)如圖4(b)所示,基準(zhǔn)值E0=4 000 mV。根據(jù)脈沖信號(hào)下降幅度ΔE可以推算油液中顆粒粒徑d,對(duì)脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)得顆粒數(shù)目。試驗(yàn)中顆粒粒徑范圍主要為2～145 μm,在實(shí)際應(yīng)用中的汽輪機(jī)油偶爾會(huì)遇到個(gè)別大顆粒(幾百微米)的情形,此情況按大于100 μm的顆粒計(jì)數(shù)。此外,考慮到不同型號(hào)油液色澤差異,同型號(hào)油液經(jīng)過一段時(shí)間的使用之后其顏色也會(huì)逐漸變深。因此在測(cè)量時(shí)采用測(cè)量油液信號(hào)(去除顆粒信號(hào)后)的平均值作為測(cè)量動(dòng)態(tài)基準(zhǔn)值E0,以減小激光器衰減、油質(zhì)變色等帶來的誤差。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)油樣與信號(hào)Fig.4 Standard oil sample and the collected signal

表1為對(duì)標(biāo)準(zhǔn)油樣的測(cè)量結(jié)果,與NAS1638油液污染度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)后得出油液最終污染度等級(jí)。由表可以看出,5個(gè)顆粒粒徑區(qū)間的對(duì)應(yīng)等級(jí)分別為10、9、10、10、9級(jí),取其最大等級(jí)作為最終污染度等級(jí),此油液污染度為NAS 10級(jí),從顆粒的數(shù)目上看,儀器測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值幾乎相同,最大的偏差也不超過5%,驗(yàn)證了測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

表1 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)油樣測(cè)量結(jié)果Tab.1 Measurement results of standard oil sample

4 測(cè)量結(jié)果與分析

利用上述裝置對(duì)汽輪機(jī)油進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),顆粒污染度在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝于五強(qiáng)溪水電廠三號(hào)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。如圖5所示,測(cè)試前將閥門開啟,通過時(shí)間控制器操控整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的開啟與關(guān)閉時(shí)間。測(cè)量過程中,在測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)通過通訊線將最新的測(cè)量結(jié)果發(fā)送至控制室,每隔60 s輸出一次測(cè)量結(jié)果,按照電廠規(guī)定油液等級(jí)大于8級(jí)即判定為超標(biāo)。如果油液中顆粒超標(biāo),集控室人員可以控制濾油機(jī)開啟,然后過濾汽輪機(jī)油直至達(dá)標(biāo)狀態(tài)。如此便實(shí)現(xiàn)了汽輪機(jī)油的在線實(shí)時(shí)測(cè)量與整個(gè)調(diào)速器循環(huán)油系統(tǒng)的凈化操作。

圖5 測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝Fig.5 Installation of measurement system

電廠實(shí)驗(yàn)室對(duì)同時(shí)間段、相同測(cè)點(diǎn)的取樣油液進(jìn)行測(cè)量,采用德國(guó)Pamas SBSS-C顆粒計(jì)數(shù)器,按照對(duì)應(yīng)的規(guī)范進(jìn)行油液離線分析。對(duì)比結(jié)果如表2所示,對(duì)于1#油樣,兩種測(cè)量?jī)x測(cè)得的結(jié)果偏差較小,均在20%以內(nèi),這表明油樣清潔,在線實(shí)測(cè)油樣達(dá)標(biāo)。2#油樣結(jié)果如表3所示,污染度等級(jí)二者一致,且由于污染度比較高,已不達(dá)標(biāo),每個(gè)粒徑區(qū)間的具體顆粒數(shù)目有差別,但最大偏差不超過25%。在顆粒在線測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用中,由于現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜多變,這樣的偏差對(duì)于油液污染度等級(jí)判斷而言可滿足需要。

表2 1#油樣測(cè)量結(jié)果對(duì)比Tab.2 Comparison of the measurement results for 1# oil

表3 2#油樣測(cè)量結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of the measurement results for 2# oil

在電廠的運(yùn)行中,調(diào)速器循環(huán)油始終在流動(dòng)中,對(duì)油液進(jìn)行連續(xù)不斷的檢測(cè)可判斷機(jī)組的磨損狀態(tài)和汽輪機(jī)油的污染狀態(tài)。如表4所示,對(duì)已經(jīng)超標(biāo)的循環(huán)油進(jìn)行監(jiān)測(cè),在每隔20 min對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn),油液初始等級(jí)為10級(jí),在15:40～17:20期間油液等級(jí)始終為10級(jí),但總體上每個(gè)粒徑區(qū)間的顆粒數(shù)目在增加,說明油質(zhì)一直在變差,需通過控制室開啟濾油機(jī)來過濾油液。

表4 某一時(shí)段測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Measurement results in a certain period of time

圖6 油品污染等級(jí)變化趨勢(shì)圖Fig.6 Trend of oil pollution grade

濾油機(jī)于19:00開啟,開啟后油品的污染等級(jí)變化情況如圖6所示,由圖可見油品的污染等級(jí)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),油液最終等級(jí)為7級(jí),滿足電廠規(guī)定。此時(shí),循環(huán)油在達(dá)標(biāo)狀態(tài)下流通,設(shè)備處于良好運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)運(yùn)行中油液的在線測(cè)量同時(shí)可以得出機(jī)組的多種運(yùn)行狀態(tài)及設(shè)備故障,比如循環(huán)油在清潔的狀態(tài)下,突然出現(xiàn)油品污染度等級(jí)急劇變化,可能就是機(jī)組的某個(gè)部位出現(xiàn)了異常磨損狀態(tài),也可能是由于濾油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間使用,未及時(shí)更換濾芯造成的。

5 結(jié) 論

對(duì)于電廠汽輪機(jī)油中顆粒污染程度在線監(jiān)測(cè)難以實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)狀,研制了運(yùn)行中汽輪機(jī)油顆粒污染度的在線測(cè)量系統(tǒng)。試驗(yàn)表明,在線測(cè)量與實(shí)驗(yàn)室離線分析結(jié)果最大偏差小于25%,二者對(duì)于污染等級(jí)判斷相同。該裝置除了能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)油品污染等級(jí)還能通過測(cè)量結(jié)果控制電廠濾油機(jī)的開關(guān),可保證汽輪機(jī)油始終處于達(dá)標(biāo)狀態(tài),進(jìn)而保證了循環(huán)油系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

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Experimentalstudyonin-situmonitoringofcontaminationlevelforturbineoilbyopticalmethod

LI Zhiyuan1, TIAN Chang1, SU Mingxu1, YANG Huinan1, HU Bian2

(1.Institute of Particle and Two-phase Flow Measurement, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2.Wuling Power Corporation Limited, Changsha 410004, China)

In view of the rapid variation in the particle pollution of turbine oil,high requirement of oil sampling and the relevant difficulty of in-situ monitoring,an online measurement system for turbine oil contamination monitoring has been developed,based on the principle of light blockage.After the calibration by using standard sample,a series of experiments were conducted in a lubrication system of Wuqiangxi Hydropower Plant in Hunan.By comparing with the analysis results of oil sample using commercial instrument in the laboratory,a conclusion can be made that the two tests present a consistent judgment on pollution levels,with a maximum relative deviation less than 25%.The accuracy of in-situ measurement device can meet the requirements of practical application.Meanwhile,the device exhibits the advantages of fast measurement to determine the variation characteristics of particle size and number of turbine oil in the operating condition,which is good for the corresponding operation management and control.

particle; on-line measurement; light blockage method; turbine oil

1005－5630（2017）05－0022－06

2017-06-09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51176129)

李志遠(yuǎn)(1992—),男,碩士研究生,主要從事顆粒物測(cè)量方面的研究。E-mail:lizhiyuansmile@163.com

蘇明旭(1973—),男,教授,主要從事顆粒與兩相流測(cè)量方面的研究。E-mail:sumx@usst.edu.cn

TK 38

B

10.3969/j.issn.1005-5630.2017.05.004

(編輯:劉鐵英)