周 克，李 昂

(國電大渡河檢修安裝有限公司，四川 樂山 614900)

透平油作為潤滑、降溫、液壓用油，在各類水電站的發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)、軸承潤滑系統(tǒng)、閘門液壓?jiǎn)㈤]系統(tǒng)中都大量使用，并發(fā)揮著目前為止幾乎無可替代的重要作用。隨著人民群眾對(duì)環(huán)保要求的日益提高，如何提早發(fā)現(xiàn)并有效降低透平油泄漏損失和因此而造成的水污染風(fēng)險(xiǎn)，也成為靠近江河水流的水電站日益需要關(guān)心的課題。

1 透平油傳統(tǒng)泄漏監(jiān)測(cè)方式及不足

傳統(tǒng)的透平油泄漏監(jiān)測(cè)一般是通過對(duì)透平油系統(tǒng)的主要儲(chǔ)油設(shè)備的油位進(jìn)行超低限監(jiān)測(cè)和報(bào)警。下面就水電站幾類常見透平油系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)報(bào)警方式和不足進(jìn)行說明。

1.1 發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)

該系統(tǒng)的泄漏監(jiān)測(cè)一般是對(duì)回油箱油位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)油位降低達(dá)到低限位報(bào)警值時(shí)進(jìn)行報(bào)警。調(diào)速系統(tǒng)一般除回油箱外還設(shè)有壓力油罐、漏油箱、接力器等動(dòng)態(tài)儲(chǔ)油設(shè)備，貫流式機(jī)組還設(shè)有輪轂高位油箱，具有筒閥或球閥的機(jī)組還需考慮相關(guān)操作接力器。因?yàn)楦饔糜驮O(shè)備或存油設(shè)備油量變化幅度值比較大，為避免誤報(bào)警，回油箱油位的高低限閾值設(shè)計(jì)一般比較大。表1列出了四川大渡河流域4個(gè)電站調(diào)速系統(tǒng)回油箱的相關(guān)參數(shù)和定值，從中可以看出調(diào)速系統(tǒng)回油箱變動(dòng)油量占系統(tǒng)總油量比重最小達(dá)到了約18%，具有雙調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)槳式機(jī)組普遍高達(dá)37%。

表1 部分電站調(diào)速系統(tǒng)回油箱變動(dòng)油量占比表

1.2 發(fā)電機(jī)組軸承潤滑系統(tǒng)

水輪發(fā)電機(jī)組的軸承潤滑系統(tǒng)按照油冷卻循環(huán)方式分為軸承油槽內(nèi)循環(huán)和冷卻油箱外循環(huán)。內(nèi)循環(huán)軸承油槽油位變化幅值小，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式比較適合。但對(duì)于具有多個(gè)儲(chǔ)油設(shè)備的外循環(huán)軸承潤滑系統(tǒng)，一般僅通過監(jiān)測(cè)主儲(chǔ)油設(shè)備的油位是否越低限進(jìn)行報(bào)警。以國內(nèi)單機(jī)容量最大的燈泡貫流式電站沙坪電站為例，軸承潤滑系統(tǒng)的低位油箱高低限差值達(dá)到系統(tǒng)總油量的約30%。

1.3 閘門液壓?jiǎn)㈤]系統(tǒng)

隨著液壓設(shè)備制造水平的日益提高，越來越多的大型水電站開始采用液壓?jiǎn)㈤]的泄洪閘門，其操作接力器體積大、用油量多，接力器活塞桿全部伸出時(shí)儲(chǔ)油量占到總油量的50%左右，由于同樣以儲(chǔ)油箱油位低限來觸發(fā)泄漏報(bào)警，因此泄漏報(bào)警也存在較大的盲區(qū)。

1.4 傳統(tǒng)方式的不足

通過以上3個(gè)常見系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方式分析，不難看出，水電站透平油系統(tǒng)傳統(tǒng)泄漏監(jiān)測(cè)方式主要存在以下三個(gè)不足。

1)采用單一儲(chǔ)油設(shè)備的油位變化來判斷系統(tǒng)油量變化。對(duì)于具有多個(gè)變?nèi)莘e儲(chǔ)油設(shè)備的系統(tǒng)，油位波動(dòng)范圍大造成報(bào)警閾值不精確，發(fā)生泄漏后，不能在最短時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)。

2)缺少實(shí)時(shí)的系統(tǒng)總油量檢測(cè)值，無法在時(shí)間軸上對(duì)系統(tǒng)油量進(jìn)行縱向?qū)Ρ?，更無法與同類系統(tǒng)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，?duì)系統(tǒng)存在的緩慢泄漏情況無法及早發(fā)現(xiàn)。

3)測(cè)量緯度單一，系統(tǒng)油量的計(jì)算與各儲(chǔ)油設(shè)備油溫、油位以及各類接力器開度等都密切相關(guān)，單一的測(cè)量緯度造成測(cè)量精度低，判斷依據(jù)粗放。

2 改進(jìn)方案

2.1 建立系統(tǒng)油量數(shù)學(xué)計(jì)算模型

水電站各個(gè)透平油系統(tǒng)相對(duì)都比較獨(dú)立，系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)油設(shè)備的種類及數(shù)量固定，且系統(tǒng)油損耗極小，因此總油量相對(duì)固定。以具有n個(gè)儲(chǔ)油設(shè)備的系統(tǒng)來講，其系統(tǒng)實(shí)時(shí)油量計(jì)算公式為

式中：Vi為i號(hào)儲(chǔ)油設(shè)備內(nèi)不變油量的體積，是指該設(shè)備內(nèi)長期充油的體積，這些部位的油量一般長期固定不變，且未安裝油位傳感器或在油位傳感器測(cè)量范圍以外；Si與Li分別為i號(hào)儲(chǔ)油設(shè)備內(nèi)變化油量的截面積和與該截面垂直方向的液面變化長(高)度，儲(chǔ)油設(shè)備內(nèi)變化油量是指隨設(shè)備運(yùn)行工況的不同而隨時(shí)發(fā)生變化的體積，這部分一般都在液位測(cè)量裝置或活塞行程測(cè)量裝置的測(cè)量范圍內(nèi)；Ti為i號(hào)儲(chǔ)油設(shè)備內(nèi)當(dāng)前油溫下的體積修正系數(shù)，可以參考GB/T1885石油計(jì)量表，該標(biāo)準(zhǔn)采用20℃為標(biāo)準(zhǔn)溫度，主要包括標(biāo)準(zhǔn)密度表和體積修正系數(shù)表兩部分[1]，對(duì)于未安裝油溫傳感器的儲(chǔ)油設(shè)備可根據(jù)實(shí)際情況在油溫變化范圍內(nèi)進(jìn)行中位數(shù)取值；K為透平油的體積彈性模量，液壓油的體積彈性模量與溫度、壓力以及含在油液中的空氣有關(guān)，不含氣液壓油約為(1.2～2)×103MPa，油液混雜氣體時(shí)體積模量變化較大，工程中取(0.7～1.4)×103MPa[2]；ΔPi為i號(hào)儲(chǔ)油設(shè)備內(nèi)透平油的相對(duì)壓力，即壓力表或傳感器顯示壓力。

2.2 確定系統(tǒng)各儲(chǔ)油設(shè)備的相關(guān)參數(shù)

水電站各系統(tǒng)的儲(chǔ)油設(shè)備的容積一般都可以通過分割為圓柱體、球體或長方體進(jìn)行計(jì)算，因此對(duì)于測(cè)量和計(jì)算相關(guān)尺寸比較容易。但由于各個(gè)系統(tǒng)的儲(chǔ)油設(shè)備具有一定差異性和復(fù)雜性，為確保計(jì)算的簡(jiǎn)便性及結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

1)系統(tǒng)內(nèi)的儲(chǔ)油設(shè)備應(yīng)盡可能排查全面，并列出設(shè)備清單，便于進(jìn)行表格化計(jì)算。

2)在充分考慮測(cè)量傳感器測(cè)量范圍的情況下，各設(shè)備的不變油量部分應(yīng)盡量最大化，進(jìn)而減少變化油量部分的占比。

3)在計(jì)算模型中各容器的不變油量Vi和變動(dòng)油量截面積Si一般作為常數(shù)，且對(duì)總油量計(jì)算結(jié)果影響較大，因此應(yīng)盡量測(cè)量精確。

4)計(jì)算模型中的Li作為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)量，對(duì)計(jì)算影響很大，因此應(yīng)按要求定期對(duì)各類油位和行程傳感器進(jìn)行校驗(yàn)，確保計(jì)算的準(zhǔn)確性。

5)針對(duì)貫流式機(jī)組一般采用高低位重力油箱進(jìn)行外循環(huán)的軸承潤滑系統(tǒng)，其管路設(shè)計(jì)較長[3]，且存在停機(jī)與開機(jī)態(tài)管路中油量不一的情況，應(yīng)單獨(dú)對(duì)油管路按工況不同進(jìn)行分別計(jì)算。同時(shí)可以結(jié)合管路配有的流量計(jì)對(duì)參數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)和修正。

6)在液壓系統(tǒng)中一般都存在大量小型液壓元件及控制油路，具有數(shù)量多、工況復(fù)雜、尺寸不便計(jì)算的特點(diǎn)，考慮到其占系統(tǒng)總油量極小，因此可以不做考慮或進(jìn)行適當(dāng)估算。

7)針對(duì)溫度修正系數(shù)Ti和體積彈性模量K，對(duì)于額定壓力低和溫度變化量小的系統(tǒng)，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，以減小計(jì)算工作量。

2.3 在監(jiān)控系統(tǒng)建立油量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)警和對(duì)比分析模塊

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是油量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要載體，現(xiàn)有的大部分水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)都已經(jīng)覆蓋了透平油系統(tǒng)中各儲(chǔ)油設(shè)備的油位、油壓、油溫、接力器開度等參數(shù)，因此按照油量計(jì)算模型在系統(tǒng)中建立相關(guān)程式，通過實(shí)時(shí)調(diào)取、整合這些數(shù)據(jù)，就可以計(jì)算出該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)油量，并在相應(yīng)的監(jiān)控模塊上進(jìn)行反映。

通過對(duì)一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)總油量波動(dòng)范圍的分析，可以確定出系統(tǒng)油量的下限值和上限值，并據(jù)此在監(jiān)控模塊中設(shè)定油量異常的報(bào)警閾值。

監(jiān)控軟件是電站工作人員直接操作的軟件，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展和設(shè)備智慧化程度的日益提高，通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和通訊服務(wù)軟件，還可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控軟件與智能設(shè)備之間的數(shù)據(jù)上傳和下發(fā)[4]，并在相應(yīng)的智慧化管理平臺(tái)上對(duì)油量數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向和橫向的實(shí)時(shí)對(duì)比與趨勢(shì)分析，當(dāng)總油量變化趨勢(shì)異常時(shí)及時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

3 瀑布溝電站1F機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)總油量簡(jiǎn)化計(jì)算

以瀑布溝電站1F調(diào)速系統(tǒng)為研究對(duì)象，主要考慮回油箱、漏油箱、壓力油罐和接力器4個(gè)儲(chǔ)油設(shè)備。由于本例中接力器布置方式為雙接力器同向布置，因此接力器內(nèi)無變動(dòng)油量?？紤]到油溫變化范圍較小、對(duì)總油量影響不大，因此本次計(jì)算中Ti值取1；考慮到調(diào)速系統(tǒng)中油液混雜一定氣體，因此本次計(jì)算中K值取1 000 MPa；調(diào)速系統(tǒng)額定油壓為6.3 MPa，因此壓力油罐和接力器的ΔPi取6.3 MPa，回油箱和漏油箱ΔPi取0 MPa。算法中各儲(chǔ)油設(shè)備具體參數(shù)見表2。

表2 各儲(chǔ)油設(shè)備參數(shù)表

由此，可以簡(jiǎn)化瀑布溝電站1F調(diào)速系統(tǒng)總油量計(jì)算公式為：

V=(5.1+10.2×L回油箱)+(0.03+0.3×L漏油箱)+(0.6+3.4×L壓油罐)×1.006+(1.8+0)×1.006=

10.2×L回油箱+0.3×L漏油箱+3.42×L壓油罐+7.54

此公式中，影響系統(tǒng)總油量的變動(dòng)參數(shù)為回油箱、漏油箱及壓油罐的實(shí)時(shí)油位值。這3個(gè)數(shù)值在水電站監(jiān)控系統(tǒng)中已經(jīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過在監(jiān)控系統(tǒng)中增加油量監(jiān)測(cè)分析模塊，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總油量的監(jiān)測(cè)。

4 結(jié) 語

本改進(jìn)方案與傳統(tǒng)泄漏監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)相比，增加了實(shí)時(shí)油量這一監(jiān)測(cè)量，從一維監(jiān)測(cè)變?yōu)槎嗑S監(jiān)測(cè)，大大提高了油量監(jiān)測(cè)的精確度，降低泄漏報(bào)警閾值范圍，從而極大地降低因?yàn)樾孤┌l(fā)現(xiàn)不及時(shí)而造成的損失和環(huán)境破壞。除此之外，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)傳統(tǒng)方式難以發(fā)覺的輕微滲漏時(shí)，也可以通過實(shí)時(shí)的油位變化趨勢(shì)分析而提前發(fā)現(xiàn)，避免隱患的進(jìn)一步惡化。

目前，我國水電站正在向“無人值班(少人值守)、遠(yuǎn)方集控”的運(yùn)行模式轉(zhuǎn)變[5]，隨著環(huán)境保護(hù)要求的提高，傳統(tǒng)的一些事故監(jiān)測(cè)預(yù)警方式也必將發(fā)生相適應(yīng)的改變。本文以水電站最長見的透平油泄漏污染為切入點(diǎn)，就提高水電站油量監(jiān)測(cè)精確度提出了切實(shí)可行的改進(jìn)方法，可為各類水電站進(jìn)一步降低透平油泄漏危害提供一定的參考。