蔡益軍 郭丙君

(華東理工大學(xué)信息與工程學(xué)院，上海 200237)

隨著電廠發(fā)電機(jī)組單機(jī)功率的增大，電力變壓器功率、電壓等級(jí)的提高，世界各國(guó)對(duì)汽輪機(jī)潤(rùn)滑油、變壓器絕緣油和抗燃油的品質(zhì)要求越來(lái)越高。所以，研發(fā)制造高性能油凈化裝置迫切而現(xiàn)實(shí)。以潤(rùn)滑油含水率對(duì)滑動(dòng)軸承的影響為例，SAE20標(biāo)號(hào)的潤(rùn)滑油，如果含水率0.400‰對(duì)應(yīng)的軸承壽命為1.00，那么含水率降至0.100‰,對(duì)應(yīng)軸承壽命為1.98；當(dāng)含水率降至0.025‰，對(duì)應(yīng)軸承壽命為4.98[1]?？梢?jiàn)油中含水率對(duì)軸承壽命的影響是巨大的，降低含水率能有效延緩油品的劣化[2]。同時(shí)高含水率也是導(dǎo)致抗燃油劣化的主因[3,4]，變壓器絕緣油含水率、含氣率對(duì)設(shè)備壽命也有一定影響。因此筆者詳細(xì)介紹了一種新型氣泡式真空油凈化裝置的先進(jìn)工作原理和電氣自控設(shè)計(jì)，并給出了裝置的性能參數(shù)和使用效果。

在一定的真空條件下，決定油水、油氣分離效率的關(guān)鍵是氣液兩相的傳質(zhì)界面面積(溫度另行考慮)。因此，傳統(tǒng)真空油凈化裝置通常采用噴淋方式，以增大液體表面積，使油滴在氣相內(nèi)快速下落，油滴表面為傳質(zhì)界面。而本裝置采用的全新方法是：在真空腔內(nèi)的油層底部引入微量經(jīng)凈化的氣體，在油內(nèi)制造大量細(xì)微的“空泡”，形成油與“空泡”的兩相混合體。由于“空泡”內(nèi)的絕對(duì)壓力遠(yuǎn)小于水的飽和蒸汽壓和氣體(包括總烴氣體)在油中的分離壓，油內(nèi)的水蒸氣和其他氣體穿過(guò)“空泡壁”向空泡內(nèi)不斷遷移(這里“空泡”表面為傳質(zhì)界面)[5]。

該工作原理的先進(jìn)性就在于：連續(xù)制造細(xì)微“空泡”，密密麻麻分布在油內(nèi)，使傳質(zhì)界面增加；隨著大量“空泡”在油中不斷上升，“空泡”體積會(huì)逐漸增大(絕對(duì)壓力降低)，這既是蒸發(fā)表面積不斷擴(kuò)大的過(guò)程，也是蒸發(fā)表面不斷更新的過(guò)程(空泡在油層內(nèi)慢速向上運(yùn)動(dòng))，最終帶有水蒸氣和其他氣體的“空泡”升至油面并破裂，釋放的水蒸氣和其他氣體被真空泵抽走，從而油水和油氣分離效果得到極大提高。

另外，裝置流程設(shè)計(jì)把真空室設(shè)計(jì)成多腔串聯(lián)形式，油品在每個(gè)腔內(nèi)進(jìn)行逐級(jí)凈化，因此最終凈化純度特別高。油凈化裝置基本原理如圖1所示。

圖1 油凈化裝置基本原理框圖

圖1中粗、精濾油器的作用是除去油中的固體顆粒，以提高清潔度。根據(jù)用戶(hù)需要，針對(duì)磷酸酯抗燃油可配置專(zhuān)用除酸濾芯，以降低油品酸值度，提高電阻率。

2 電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 電氣控制系統(tǒng)硬件框圖

筆者采用PLC(型號(hào)FXIN-40MR)作為主控制器，并配置了一個(gè)4A/D和一個(gè)2D/A功能單元，GOT(型號(hào)GT1150)作為顯示操作屏。裝置工作流量控制和油位控制通過(guò)兩臺(tái)變頻器(型號(hào)FR-E740)實(shí)現(xiàn)。為確保裝置連續(xù)在線(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)，配備兩個(gè)信號(hào)測(cè)量變送器和多個(gè)信號(hào)發(fā)訊開(kāi)關(guān)，簡(jiǎn)述如下：

a. 真空(絕壓)變送器監(jiān)測(cè)主真空容器內(nèi)的真空度，真空度能反映真空泵的工作狀況，其受工作流量、油品含水率和含氣率影響。油位(差壓)變送器監(jiān)測(cè)油位高度，用于油位控制。

b. 設(shè)置高泡位發(fā)訊器(對(duì)射式光電開(kāi)關(guān))和溢油發(fā)訊器(浮球液位開(kāi)關(guān))分別監(jiān)測(cè)油泡沫和溢油杯內(nèi)的存油量。只要這兩個(gè)開(kāi)關(guān)有一個(gè)動(dòng)作，就聯(lián)動(dòng)停車(chē)，采取雙重保護(hù)措施，防止油品溢入真空泵。

c. 輸出變頻器分八檔控制工作流量，其控制信號(hào)直接來(lái)自PLC的輸出繼電器的開(kāi)關(guān)信號(hào)，輸入變頻器通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)輸入流量的大小以控制油位高度，其控制信號(hào)來(lái)自2D/A單元。

3 電氣控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的控制功能流程如圖3所示，圖中方框代表顯示操作畫(huà)面，尖括號(hào)內(nèi)文字為按鈕名稱(chēng)。

由圖3可知，在最主要的自動(dòng)連續(xù)模式中設(shè)計(jì)了3種工作模式，以適應(yīng)不同品質(zhì)的油品。真空連續(xù)模式，即真空系統(tǒng)工作在盡可能低的絕壓范圍內(nèi)(例如0.5～1.5kPa)，該模式為常規(guī)運(yùn)行方式，脫水、脫氣效率最高；定壓連續(xù)模式，系統(tǒng)通過(guò)通斷補(bǔ)氣電磁閥，使真空系統(tǒng)工作在較高的絕壓范圍內(nèi)(例如2～4kPa)，該工作模式適用于泡沫特性較差的油品，或油品含水率極高的情況；常壓連續(xù)模式，即關(guān)閉真空泵，讓真空系統(tǒng)工作在常壓條件下，該工作模式適用于水分達(dá)標(biāo)的油品，系統(tǒng)運(yùn)行不具有脫水脫氣功能，僅起常規(guī)過(guò)濾或除酸作用。 方便調(diào)試檢修和故障檢查，軟件設(shè)計(jì)了設(shè)備調(diào)試和輔助工具功能。設(shè)備調(diào)試功能包含：設(shè)備點(diǎn)動(dòng)操作、氣密性檢查、設(shè)備標(biāo)定及屏蔽字設(shè)定等功能。輔助工具功能包含：注冊(cè)、黑匣子、累計(jì)量統(tǒng)計(jì)和其他功能。

圖3 系統(tǒng)軟件的控制功能流程

軟件程序有完備的監(jiān)測(cè)功能，運(yùn)行中出現(xiàn)異常或故障，會(huì)彈出故障顯示畫(huà)面，并采取相應(yīng)措施。為防止現(xiàn)場(chǎng)無(wú)關(guān)人員觸摸屏幕，部份工作模式還具有鎖定功能。整個(gè)GOT操作顯示由二百五十多個(gè)分畫(huà)面組成。

4 油凈化裝置的性能與應(yīng)用

裝置處理油品種的種類(lèi)涵蓋汽輪機(jī)潤(rùn)滑油、磷酸酯抗燃油及變壓器絕緣油等工業(yè)用油。裝置設(shè)計(jì)額定流量有500L/h至18 000L/h多個(gè)等級(jí)。目前已有近百臺(tái)油凈化裝置在國(guó)內(nèi)電廠或變壓器制造廠運(yùn)行。

應(yīng)用于汽輪機(jī)潤(rùn)滑油。表1給出了汽輪機(jī)潤(rùn)滑油凈化前后(額定流量為6 000L/h)的指標(biāo)變化。

由表1可見(jiàn)：針對(duì)汽輪機(jī)軸封漏水高達(dá)每天12kg的情況，配備額定流量為6 000L/h的新型凈化裝置，就能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(目前我國(guó)300MW發(fā)動(dòng)機(jī)組的汽輪機(jī)油國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為不大于0.100‰)[6]，可見(jiàn)裝置的脫水效率較高。

表1 汽輪機(jī)潤(rùn)滑油凈化前后的指標(biāo)

應(yīng)用于磷酸酯抗燃油。電廠磷酸酯抗燃油的凈化裝置也獲得廣泛應(yīng)用。例如，裝置額定流量500L/h，凈化后油品指標(biāo)達(dá)到含水率不大于0.040‰、含氣率不大于0.1%、清潔度(NAS)不大于5級(jí)、酸值不大于0.1mgKOH/g。

應(yīng)用于變壓器絕緣油。裝置在變壓器絕緣油的脫水脫氣方面不僅效率高，而且最終精度高。以下給出的變壓器絕緣油凈化后的主要指標(biāo)，均達(dá)到或優(yōu)于國(guó)標(biāo)(GB/T 7595-2008)中有關(guān)設(shè)備等級(jí)為330～1000kV的質(zhì)量指標(biāo)：

額定流量 6 000L/h

油含水率 不大于0.004‰(國(guó)標(biāo)不大于0.010‰)

油含氣率 不大于0.1%(國(guó)標(biāo)不大于1.0%)

清潔度(NAS級(jí)) 5

擊穿電壓 不小于65kV(國(guó)標(biāo)不小于60kV)

介質(zhì)損耗因數(shù) 不大于0.005(國(guó)標(biāo)不大于0.005)

綜上所述，新型油凈化裝置降低了油品含水率，對(duì)延長(zhǎng)設(shè)備壽命，保證設(shè)備安全運(yùn)行影響深遠(yuǎn)。同時(shí)，延長(zhǎng)油品的使用期限(再生)，對(duì)環(huán)境保護(hù)也十分有意義。

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹了在真空條件下，利用“空泡”原理對(duì)油品進(jìn)行高性能的油凈化處理，并應(yīng)用PLC和觸摸屏組成控制系統(tǒng)進(jìn)行了控制，實(shí)際應(yīng)用取得了較好的效果，具有推廣價(jià)值。另外，該裝置的電控設(shè)計(jì)在操控性和智能分析方面也有較大的參考意義。

[1] 馬先貴，丁津原.論節(jié)能的必要手段——油品清潔度的有效控制[C].2006全國(guó)摩擦學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.哈爾濱：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)摩擦學(xué)分會(huì)，2006：27～33.

[2] 黃福良.汽輪機(jī)潤(rùn)滑油帶水的危害及處理對(duì)策[J].科技視界，2012，(29)：301～304.

[3] 薛來(lái)，楊延，張萍，等.Anvol PE抗燃油酸化原因探析[J].上海電力學(xué)院學(xué)報(bào)，1994，15(4)：8～12.

[4] 王國(guó)蓉.磷酸酯抗燃油劣化的原因分析及處理[J].華電技術(shù)，2012，34(7)：38～41.

[5] 韓德剛，高執(zhí)棣，高盤(pán)良.物理化學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[6] GB/T 7596-2008，電廠運(yùn)行中汽輪機(jī)油質(zhì)量[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.