蘇 雷，丁 強(qiáng)，楊 靜，王 濤

(國(guó)能大渡河檢修安裝有限責(zé)任公司，四川 樂山 614000)

水電站中的油系統(tǒng)是三大輔助設(shè)備系統(tǒng)之一，它起著潤(rùn)滑、冷卻、提供能源動(dòng)力等作用，對(duì)機(jī)電設(shè)備長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。油質(zhì)的變質(zhì)有很多種，包括油質(zhì)的污染、混水、氧化、劣化等，油質(zhì)受到污染是比較常見的，嚴(yán)格意義上油質(zhì)隨時(shí)不斷受到細(xì)微污染的[1]。由于油質(zhì)的服務(wù)對(duì)象往往是旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)部件，設(shè)備在不斷地旋轉(zhuǎn)或者活塞在不斷地往復(fù)運(yùn)行，尤其是機(jī)組軸承和各類油泵齒輪或螺桿在高速旋轉(zhuǎn)，難免產(chǎn)生機(jī)械雜質(zhì)、不溶物等的脫落，最終混入油系統(tǒng)。還有透平油在集油槽或者流動(dòng)的過程中，如果接觸空氣或者水蒸氣的滲入，也會(huì)混入水分。所以，如何確保油系統(tǒng)油質(zhì)正常，保障各液壓運(yùn)行設(shè)備正常運(yùn)行且滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)，是水電站運(yùn)維工作中的一個(gè)重點(diǎn)。油質(zhì)不合格主要為下述問題：

與油液污染有關(guān)的問題。油液含有水后，會(huì)引起油液的氧化使油液變質(zhì)，減小潤(rùn)滑油膜厚度，降低潤(rùn)滑性；引起油液聚合而形成大分子，使液體粘度改變，并形成有機(jī)酸，腐蝕金屬表面；降低或喪失油液介電強(qiáng)度。

固體顆粒引起的問題。油液中固體顆粒的存在會(huì)嚴(yán)重污染系統(tǒng)和磨損元件，而磨損在液壓系統(tǒng)中會(huì)引起許多問題。使元件磨蝕、失效；元件內(nèi)瀉增大、響應(yīng)不靈敏；伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制性降低；油液氧化速度加快，油液變質(zhì)。

根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)各大電站的調(diào)研，為保持油液品質(zhì)，除了對(duì)油液的定期化驗(yàn)外，基本各大中型水電站90%以上配有了油液過濾裝置，即濾油機(jī)設(shè)備。各水電站透平油過濾裝置有板式濾油機(jī)和真空濾油機(jī)兩種類型。檢修期間需將機(jī)組透平油排至油庫(kù)儲(chǔ)油罐，通過板式濾油機(jī)濾除透平油中雜質(zhì)，再使用真空濾油機(jī)濾除透平油中水分，最終將過濾雜質(zhì)和水分合格的透平油返回至機(jī)組，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

近年來，部分電站機(jī)組在汛期運(yùn)行期間，有調(diào)速系統(tǒng)集油槽油混水情況發(fā)生，油混水裝置報(bào)警。因機(jī)組汛期發(fā)電任務(wù)重，只能在線濾除回油箱水分，所以迫切需要研發(fā)一種體積小巧、便于移動(dòng)的過濾水濾油機(jī)，在不停機(jī)的情況下在線濾除透平油中的雜質(zhì)和水分。

對(duì)該種功能結(jié)構(gòu)的濾油機(jī)進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，調(diào)研了進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)機(jī)型，進(jìn)口機(jī)型過濾水分指標(biāo)能達(dá)到小于100PPM的機(jī)組透平油運(yùn)行指標(biāo)要求，但體積過于龐大，不便于移動(dòng)，且控制系統(tǒng)單一簡(jiǎn)單，國(guó)產(chǎn)機(jī)型控制系統(tǒng)已有PLC控制方式，體積也相對(duì)較小，但是過濾水分指標(biāo)均不能達(dá)到小于100PPM要求，進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)機(jī)型都沒有在線監(jiān)測(cè)功能，因此為滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，需要自主研發(fā)一種控制先進(jìn)、能高性能過濾水份的新型移動(dòng)式精密濾油機(jī)系統(tǒng)[2]。

1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及要求

1.1 標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

本項(xiàng)目需適用的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范主要為以下幾項(xiàng)：

1)GB2537 汽輪機(jī)油；

2)GB11120 渦輪機(jī)油；

3)GB/T 電廠用運(yùn)行中汽輪機(jī)油質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；

4)GB7597-2007 電力用油(變壓器油、汽輪機(jī)油)取樣方法；

5)GB/T 石油產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)粘度測(cè)定法；

6)GB/T 石油產(chǎn)品閃點(diǎn)測(cè)定法(閉口杯法)；

7)GB/T 石油產(chǎn)品酸值測(cè)定法；

8)GB/T 運(yùn)行中變壓器油、汽輪機(jī)油水分測(cè)定法；

9)GB/T 石油產(chǎn)品閃點(diǎn)測(cè)定法(開口杯法)；

10)GB/T 運(yùn)行中汽輪機(jī)油破乳化度測(cè)定法；

11)DL/T 電力用油體積電阻率測(cè)定法；

12)GB/T 石油產(chǎn)品添加劑機(jī)械雜質(zhì)測(cè)定法(重量法)。

1.2 主要技術(shù)要求

1)精密濾油機(jī)系統(tǒng)的研究方向采用“精密過濾”和“聚結(jié)分離”技術(shù)，能高效濾除透平油中的雜質(zhì)和水分，達(dá)到理想的凈油效果。

2)控制系統(tǒng)采用變頻調(diào)節(jié)，能夠精確調(diào)整濾油機(jī)流量，滿足現(xiàn)場(chǎng)各種工況流量需求。

3)采用PLC監(jiān)控和觸摸屏控制技術(shù)，通過觸摸屏可對(duì)濾油機(jī)運(yùn)行工況進(jìn)行全面監(jiān)控。

4)精密濾油機(jī)具備在線監(jiān)測(cè)功能。

5)濾油機(jī)功耗低、體積小、重量輕，專用于現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)凈油。

2 技術(shù)方案

透平油精密濾油機(jī)系統(tǒng)主要設(shè)備包括過濾裝置、控制裝置、動(dòng)力單元、管路以及在線監(jiān)測(cè)裝置等[3]。過濾裝置包括顆粒過濾器和水分過濾器，顆粒過濾器和水分過濾器分別通過支撐板支撐在移動(dòng)底座上。動(dòng)力單元由變頻電機(jī)和油泵組成，變頻電機(jī)安裝在顆粒過濾器側(cè)的支撐板上，其動(dòng)力軸連接油泵；油泵安裝在系統(tǒng)進(jìn)油管道上，進(jìn)油管道通過系統(tǒng)進(jìn)油閥、大顆粒過濾器和真空壓力傳感器連接油泵。油泵出口端通過管路進(jìn)入顆粒過濾器上部，顆粒過濾器的底部與水分過濾器的底部用管路連接。水分過濾器的上部經(jīng)管路連接流量計(jì)和系統(tǒng)出油閥?？刂蒲b置由電源、人機(jī)界面、PLC和變頻器組成，其與流量計(jì)和電機(jī)連接，控制進(jìn)出過濾裝置的流量。顆粒過濾器和水分過濾器的上部，分別安裝有第一壓差傳感器和第二壓差傳感器；控制裝置連接第一壓差傳感器和第二壓差傳感器，當(dāng)?shù)谝粔翰顐鞲衅鲏翰钸^高時(shí)，控制裝置提示更換顆粒過濾器濾芯，當(dāng)?shù)诙翰顐鞲衅鲏翰钸^高時(shí)，控制裝置提示更換水分過濾器濾芯；控制裝置連接真空壓力傳感器，當(dāng)真空壓力傳感器負(fù)壓過大時(shí)，控制裝置提示清理大顆粒過濾器。顆粒過濾器和水分過濾器的頂部，均安裝有排氣閥，用于排除顆粒過濾器和水分過濾器中的空氣，空氣排盡后排氣閥關(guān)閉。在線監(jiān)測(cè)裝置安裝在油路出口，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)過濾油質(zhì)的顆粒和水分參數(shù)指標(biāo)。設(shè)備的要點(diǎn)是：

1)控制裝置與真空壓力傳感器連接；

2)油泵并聯(lián)安裝有安全閥，用以保護(hù)電機(jī)油泵；

3)水分過濾器的下部側(cè)面，安裝有油水觀察窗；

4)水分過濾器的底部安裝有排水閥，排水閥可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排水功能；

5)過濾裝置內(nèi)部分別安裝有顆粒過濾濾芯和聚結(jié)分離濾芯，顆粒過濾濾芯一次性可濾除油中顆粒性能達(dá)到SAE AS4059F標(biāo)準(zhǔn)中的6級(jí)水平，聚結(jié)分離濾芯一次性可濾除油中水分性能達(dá)到小于50 ppm。

通過上述各功能單元的集成，最終可實(shí)現(xiàn)體積小巧、便于移動(dòng)的高度集成的濾油機(jī)，其可以在機(jī)組不停機(jī)不排油的情況下在線濾除透平油中的雜質(zhì)和水分。也解決了板式濾油機(jī)濾除透平油中水分效果較差和真空濾油機(jī)體積較大不便于移動(dòng)的問題，用于電廠在運(yùn)機(jī)組或油庫(kù)透平油的精濾除水，提高油料過濾的質(zhì)量和效率。

3 精密濾油機(jī)過濾系統(tǒng)液壓設(shè)計(jì)

對(duì)于油液質(zhì)量的監(jiān)測(cè)主要發(fā)生在兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是機(jī)械透平油的選型采購(gòu)時(shí)，在這一過程，多是采用實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測(cè)方式來進(jìn)行，主要的油品監(jiān)測(cè)技術(shù)包含有紅外光譜技術(shù)、原子發(fā)射光譜技術(shù)、鐵譜技術(shù)以及顆粒計(jì)數(shù)技術(shù)等方式對(duì)油液的質(zhì)量進(jìn)行鑒定。第二個(gè)階段是在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，對(duì)油液進(jìn)行取樣監(jiān)測(cè)，主要包含水分、粘度、介電常數(shù)檢測(cè)等[4]。

結(jié)合電廠對(duì)油質(zhì)更高的要求，本文提出一套全新的油質(zhì)過濾、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。圖1為一種新型過濾設(shè)備的液壓系統(tǒng)原理圖。系統(tǒng)的動(dòng)力單元由電機(jī)和油泵組成，過濾單元由三級(jí)不同原理的濾芯組成。首先在油泵的吸油口，設(shè)置一個(gè)粗濾芯，其次在油液循環(huán)系統(tǒng)中設(shè)置一只精濾芯，最后在末端設(shè)置一只聚結(jié)分離濾芯。通過三級(jí)過濾，可以有效地將油液中的雜質(zhì)顆粒、水分進(jìn)行過濾分離。精濾芯和聚結(jié)濾芯均設(shè)置差壓發(fā)訊器，用作在濾芯堵塞報(bào)警，以示更換濾芯。

圖1 新型過濾系統(tǒng)的液壓原理圖

新型過濾系統(tǒng)除了具備常規(guī)的手動(dòng)排水閥功能外，也可以自動(dòng)排水。其原理為：聚結(jié)濾油器設(shè)置水分監(jiān)測(cè)儀，在液位高于設(shè)定位置后，控制系統(tǒng)通過PLC開出驅(qū)動(dòng)繼電器，繼電器驅(qū)動(dòng)自動(dòng)排水電磁閥，進(jìn)行排水處理。同時(shí)在透平油過濾過程中，針對(duì)循環(huán)的油液系統(tǒng)的油質(zhì)增加了顆粒度計(jì)數(shù)儀和水分測(cè)量?jī)x。該裝置可以直觀和數(shù)字化地將過濾系統(tǒng)的最終油質(zhì)情況進(jìn)行顯示，以告知用戶目前的透平油的過濾效果。

4 精密濾油機(jī)過濾系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)

油質(zhì)過濾系統(tǒng)的電氣控制原理如圖2所示，系統(tǒng)的控制信號(hào)電源為DC24V，主要給人機(jī)界面、繼電器、變頻器等提供電源。電機(jī)油泵組采用變頻控制，變頻器可以有效降低啟動(dòng)電源對(duì)電機(jī)和濾油器的沖擊，啟動(dòng)平穩(wěn)，運(yùn)行效率更高效。在濾油機(jī)實(shí)際運(yùn)行中，也表明了其運(yùn)行噪音小，啟動(dòng)平滑等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 新型過濾系統(tǒng)的電氣控制原理圖

系統(tǒng)的核心控制單元為一款西門子S200的PLC，其采集外部開關(guān)量控制信號(hào)和模擬量信號(hào)；控制輸出通過中間繼電器進(jìn)行擴(kuò)展，進(jìn)行對(duì)象操作。該西門子PLC配有串口通信，可以實(shí)現(xiàn)將采集數(shù)據(jù)處理、并與人機(jī)界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。圖3為PLC控制系統(tǒng)原理圖。

圖3 新型過濾系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)原理圖

過濾系統(tǒng)的人機(jī)界面采用MCGS觸摸屏，軟件采用其嵌入式版本7.7版本；該軟件編程友好，圖庫(kù)豐富，無需太多腳本程序即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、計(jì)算、錄波等功能。界面編程為運(yùn)行界面、設(shè)置界面和報(bào)警界面等。圖4為該過濾系統(tǒng)觸摸屏的運(yùn)行界面。

圖4 新型過濾系統(tǒng)的觸摸屏運(yùn)行界面

界面的第一欄主要顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，排水閥的運(yùn)行狀態(tài)，以及壓力、壓差是否正常的顯示；第二欄顯示系統(tǒng)當(dāng)前的壓力、溫度和當(dāng)前水位；第三欄：顯示系統(tǒng)當(dāng)前瞬時(shí)流量和累積流量，也可以通過累積流量清零按鈕，對(duì)累積流量進(jìn)行清零復(fù)位。第四欄為排水閥的控制方式，分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式，手動(dòng)狀態(tài)下，通過手動(dòng)啟動(dòng)、停止按鈕進(jìn)行啟停操作。自動(dòng)狀態(tài)下，通過液位自動(dòng)控制排水閥的啟停。第五欄，設(shè)備的啟停方式可以通過面板按鈕，操作，也可以通過觸摸屏啟動(dòng)、停止按鈕控制設(shè)備啟停。第六欄為故障復(fù)位按鈕，以及參數(shù)設(shè)置界面的切換。

5 精密濾油機(jī)過濾系統(tǒng)裝置特點(diǎn)及研制

新型濾油系統(tǒng)采用移動(dòng)式結(jié)構(gòu)，具備脫水和顆粒過濾兩種功能，使用者可通過一個(gè)三通閥切換該兩種功能?？梢匀詣?dòng)工作，正常工作時(shí)無須操作人員進(jìn)行干預(yù)。當(dāng)設(shè)備工作狀態(tài)出現(xiàn)異?；蛘咝枰S護(hù)時(shí)，設(shè)備將會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。其他因素導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)，內(nèi)部安全系統(tǒng)將會(huì)強(qiáng)制設(shè)備自動(dòng)停機(jī)，以保護(hù)電機(jī)油泵組。

該裝置由循環(huán)系統(tǒng)、聚結(jié)分離系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、排油系統(tǒng)、自控儀表系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成。其中過濾顆粒和脫水，反映在結(jié)構(gòu)上為兩個(gè)單獨(dú)回路：循環(huán)過濾回路和脫水回路。兩者在操作上相互獨(dú)立，在使用中又相互關(guān)聯(lián)。

如果對(duì)含水量要求很嚴(yán)格的場(chǎng)合，裝置優(yōu)勢(shì)在于脫水效率很高，相同時(shí)間內(nèi)含水量下降快，且能獲得很低的最終含水量。但是其缺點(diǎn)在于：要求油液的清潔度很高，濾芯的更換頻度會(huì)加大，如客戶對(duì)油液的清潔度沒有要求，由此帶來的過濾代價(jià)會(huì)太高。

驅(qū)動(dòng)部分的電源通過內(nèi)置的變壓器將電壓變?yōu)?20 V用于PLC(也可選用24 V電源供電的PLC)、界面儀和指示燈；變?yōu)?4 V用于PLC控制的其余電路，如按鈕及壓力傳感器等。

精密濾油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 精密濾油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表

設(shè)備整體外觀、操作面板及器件外部和內(nèi)部配置如圖5、6所示。

圖5 濾油機(jī)電氣控制部分

圖6 濾油機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

6 結(jié) 語

水電機(jī)組的油系統(tǒng)在潤(rùn)滑、傳動(dòng)、冷卻等方面發(fā)揮著重要作用，機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行與之休戚相關(guān)[5-6]。國(guó)內(nèi)各大中型水電站對(duì)透平油油質(zhì)的監(jiān)測(cè)、維護(hù)等工作也極為重視。透平油的維護(hù)目前常見的措施主要為二點(diǎn)：一是通過自身的化驗(yàn)室專門人員定期對(duì)油質(zhì)進(jìn)行化驗(yàn)分析，人工監(jiān)測(cè)；二是采用濾油機(jī)定期或不定期對(duì)透平油進(jìn)行過濾。尤其是后者，濾油機(jī)多為真空濾油機(jī)和板式壓力濾油機(jī)，手段和功能較為單一。本文提出的過濾方案是基于高質(zhì)量傳感器、自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)信息化和聚結(jié)分離式過濾器為一體新型精密濾油機(jī)過濾系統(tǒng)，既具備了傳統(tǒng)的過濾功能，又有先進(jìn)的數(shù)字化的性能。本文研制的新型精密濾油機(jī)可廣泛應(yīng)用于水電、火電、礦業(yè)等行業(yè)的透平油過濾系統(tǒng)，也可以代替國(guó)外同類產(chǎn)品，大幅降低成本，這部分成本的壓縮，可以部分轉(zhuǎn)換成合理的利潤(rùn)，并提高了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，該新型精密濾油機(jī)也可作為水電廠智能化建設(shè)的一部分，預(yù)留了充分的電氣和通信接口，便于后期用戶進(jìn)行智能化拓展。新型精密濾油機(jī)擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在產(chǎn)品的應(yīng)用中，可以大幅節(jié)省人力，高效、穩(wěn)定、智能，為用戶提供了高附加值的產(chǎn)品技術(shù)體驗(yàn)和價(jià)值貢獻(xiàn)。