汽輪機油顆粒污染度光學在線監測試驗研究

李志遠, 田 昌, 蘇明旭, 楊薈楠, 胡 邊

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

汽輪機油顆粒污染度光學在線監測試驗研究

李志遠1, 田 昌1, 蘇明旭1, 楊薈楠1, 胡 邊2

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

針對電廠運行中汽輪機油顆粒污染變化快、油液取樣要求高、在線監測難的現狀,基于光阻原理,研制了電廠汽輪機油中顆粒污染度在線測量系統并對其進行了實驗室標定實驗。在湖南五強溪水電廠調速器潤滑系統中進行了實測,實測結果與商業儀器實測結果比較可得,二者對污染等級判斷一致,顆粒數最大偏差小于25%,驗證了在線測量裝置的準確度。因系統測量速度快,能實時獲取運行中汽輪機油的顆粒度和數目時變情況,利于運行管理與控制,完全符合實際應用要求。

顆粒; 在線測量; 光阻法; 汽輪機油

引 言

電廠汽輪機油是電力系統中重要的潤滑介質,主要用于蒸汽輪機、燃氣輪機和水力渦輪機等發電機組的潤滑系統和調速系統,起著潤滑、冷卻散熱、傳壓調速等作用[1]。運行機組汽輪機油中若含有大的、堅硬的固體顆粒[2],可引起調速系統卡澀,嚴重時可引起機組飛車等事故,嚴重威脅機組安全運行[3]。因此,監測和控制運行中汽輪機油的顆粒污染度對提高電廠潤滑、調速系統的運行質量和保證機組的安全運行有著重要意義。近些年來,油液顆粒測量技術取得了快速的進展[4],圖像、電磁、電感等方法在該測量領域得到了廣泛的應用,但是高性能圖像設備價格昂貴、圖像數據在線處理難度大,電磁、電感法只能用于測量金屬顆粒且測量下限往往不低于30 μm。實際上,在線監測因現場情況復雜而發展緩慢,例如文獻[5]對油液污染度的測量原理和裝置進行了簡單描述,文獻[6]列舉了一種測量裝置,結構復雜和功能有限,不適合在線推廣。本文根據光阻法原理,參照美國航空航天工業聯合會的NAS1638油品潔凈度等級判定標準[7],研制電廠汽輪機油顆粒污染度在線監測系統,并在湖南五強溪水電廠三號機調速器潤滑系統中進行實測,將現場測試結果與商業儀器的取樣分析結果進行對比,取得了較一致的污染等級判斷。基于該測量結果控制電廠濾油機的開啟狀態,可保證汽輪機油始終處于達標狀態,實現循環油系統的安全運行。

1 顆粒污染度測量原理

光束照射并通過懸浮顆粒時能量會減弱,這是由于顆粒對光的散射和吸收作用使光強衰減。顆粒對光的遮擋程度往往與顆粒大小、顆粒相對周圍介質的折射率等有關,光阻法則是利用該特性測定顆粒大小并計數。如圖1所示,激光源發出平行光束經透鏡匯聚后在測量區形成細小光束,透射光束再次經透鏡聚焦后被另一側探測器接收,若測量區油液純凈無顆粒物,則探測器給出電壓信號保持恒定;反之,探測器給出信號有所削弱產生負脈沖,脈沖信號幅值與顆粒粒徑相關,脈沖信號個數即為通過測量區的顆粒數[8-9]。

圖1 測量原理示意圖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域處的橫截面積;Kext為顆粒的消光系數,由Mie理論可知,對可見光波段激光,可近似認為粒徑大于2 μm的顆粒的消光系數為2;E0為光束中沒有顆粒時光電探測器產生的基準電壓。

實測中,由探測器數據可以得到ΔE和E0。圖2為實驗中采用的激光束,由相機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,側面拍攝測量區光束(見圖2(b))得其直徑D=145 μm,可根據D計算出截面積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

美國航空航天工業聯合會NAS1638標準是較常用的汽輪機油污染度判定標準,按100 mL油液中的5個顆粒粒徑區間(5～15 μm,>15～25 μm,>25～50 μm,>50～100 μm,>100 μm)分段顆粒數目與設定顆粒數對比而獲得油液顆粒污染度等級。由于實際油液各粒徑區間污染程度不盡相同,因此油樣污染度按其中最高等級來定。按標準需測量大于100 μm的顆粒,激光束直徑D=145 μm既滿足了測量范圍要求,又保證了測量敏感度。

2 測量系統

汽輪機油顆粒度測量系統如圖3所示,從功能上可分為油液輸運和光學測量2個模塊。前者主要由齒輪泵、細管、測量通道等組成,齒輪泵流量穩定并可調,可確保汽輪機油在樣品池內穩定流通,由于微通道樣品池方式易造成堵塞,不利于現場測試,為此采用了2 mm×10 mm矩形流通通道。光學測量模塊主要由光源、探測器、A/D采集卡、工控機和其他光學配件等組成,選取了波長λ為650 nm、功率為50 mW的半導體激光器,該激光器結構簡單、壽命較長(累計使用5 000 h)、穩定性好,同時選用了硅基跨阻放大光電探測器(型號為PDA10A-EC),其產生的電壓信號經采集卡(4通道12位AD、1 MHz采樣率)送至工控機處理。

圖3 汽輪機油顆粒度測量系統簡圖Fig.3 Schematic diagram of particle size measurement system for turbine oil

為配合硬件系統工作,編制了一套數據采集、分析和處理的軟件系統。軟件系統可以記錄與油液中顆粒污染情況相關的脈沖,經計算機進一步檢峰和統計處理之后,推算出油液顆粒污染等級。此外,軟件系統中還包括了數據存儲和通訊功能,便于事后查看和對比前期結果,最新的測量結果能及時發送至電廠控制室。為適應現場測量,軟件中設定了系統定時開啟和關閉功能,便于無人值守工作。

3 儀器標定與驗證

儀器組裝調試結束后,用5.1 μm、45 μm、120 μm的標準顆粒對儀器進行標定。在現場測量以前,為了驗證測量結果,選用國家油中顆粒標準物質GBW(E)120017作為驗證油樣,如圖4(a)所示,某一典型電壓脈沖信號如圖4(b)所示,基準值E0=4 000 mV。根據脈沖信號下降幅度ΔE可以推算油液中顆粒粒徑d,對脈沖信號的個數進行計數得顆粒數目。試驗中顆粒粒徑范圍主要為2～145 μm,在實際應用中的汽輪機油偶爾會遇到個別大顆粒(幾百微米)的情形,此情況按大于100 μm的顆粒計數。此外,考慮到不同型號油液色澤差異,同型號油液經過一段時間的使用之后其顏色也會逐漸變深。因此在測量時采用測量油液信號(去除顆粒信號后)的平均值作為測量動態基準值E0,以減小激光器衰減、油質變色等帶來的誤差。

圖4 標準油樣與信號Fig.4 Standard oil sample and the collected signal

表1為對標準油樣的測量結果,與NAS1638油液污染度等級標準比對后得出油液最終污染度等級。由表可以看出,5個顆粒粒徑區間的對應等級分別為10、9、10、10、9級,取其最大等級作為最終污染度等級,此油液污染度為NAS 10級,從顆粒的數目上看,儀器測量結果與標準值幾乎相同,最大的偏差也不超過5%,驗證了測量系統的準確性。

表1 國家標準油樣測量結果Tab.1 Measurement results of standard oil sample

4 測量結果與分析

利用上述裝置對汽輪機油進行在線監測,顆粒污染度在線監測系統安裝于五強溪水電廠三號機調速系統。如圖5所示,測試前將閥門開啟,通過時間控制器操控整個測量系統的開啟與關閉時間。測量過程中,在測量系統內的計算機通過通訊線將最新的測量結果發送至控制室,每隔60 s輸出一次測量結果,按照電廠規定油液等級大于8級即判定為超標。如果油液中顆粒超標,集控室人員可以控制濾油機開啟,然后過濾汽輪機油直至達標狀態。如此便實現了汽輪機油的在線實時測量與整個調速器循環油系統的凈化操作。

圖5 測量系統現場安裝Fig.5 Installation of measurement system

電廠實驗室對同時間段、相同測點的取樣油液進行測量,采用德國Pamas SBSS-C顆粒計數器,按照對應的規范進行油液離線分析。對比結果如表2所示,對于1#油樣,兩種測量儀測得的結果偏差較小,均在20%以內,這表明油樣清潔,在線實測油樣達標。2#油樣結果如表3所示,污染度等級二者一致,且由于污染度比較高,已不達標,每個粒徑區間的具體顆粒數目有差別,但最大偏差不超過25%。在顆粒在線測量的實際應用中,由于現場復雜多變,這樣的偏差對于油液污染度等級判斷而言可滿足需要。

表2 1#油樣測量結果對比Tab.2 Comparison of the measurement results for 1# oil

表3 2#油樣測量結果對比Tab.3 Comparison of the measurement results for 2# oil

在電廠的運行中,調速器循環油始終在流動中,對油液進行連續不斷的檢測可判斷機組的磨損狀態和汽輪機油的污染狀態。如表4所示,對已經超標的循環油進行監測,在每隔20 min對結果進行統計時發現,油液初始等級為10級,在15:40～17:20期間油液等級始終為10級,但總體上每個粒徑區間的顆粒數目在增加,說明油質一直在變差,需通過控制室開啟濾油機來過濾油液。

表4 某一時段測量結果統計表Tab.4 Measurement results in a certain period of time

圖6 油品污染等級變化趨勢圖Fig.6 Trend of oil pollution grade

濾油機于19:00開啟,開啟后油品的污染等級變化情況如圖6所示,由圖可見油品的污染等級呈現下降趨勢,油液最終等級為7級,滿足電廠規定。此時,循環油在達標狀態下流通,設備處于良好運行狀態。對運行中油液的在線測量同時可以得出機組的多種運行狀態及設備故障,比如循環油在清潔的狀態下,突然出現油品污染度等級急劇變化,可能就是機組的某個部位出現了異常磨損狀態,也可能是由于濾油機長時間使用,未及時更換濾芯造成的。

5 結 論

對于電廠汽輪機油中顆粒污染程度在線監測難以實現的現狀,研制了運行中汽輪機油顆粒污染度的在線測量系統。試驗表明,在線測量與實驗室離線分析結果最大偏差小于25%,二者對于污染等級判斷相同。該裝置除了能實時在線監測油品污染等級還能通過測量結果控制電廠濾油機的開關,可保證汽輪機油始終處于達標狀態,進而保證了循環油系統的安全運行。

[1] 孟祥煜.汽輪機油顆粒度檢測的重要性及控制措施[J].內燃機與配件,2016(12):61-62.

[2] 劉玹.潤滑油金屬顆粒物傳感器技術研究[D].廣州:華南理工大學,2013.

[3] 孟玉嬋.我國運行汽輪機油的維護與監督管理[J].潤滑油,2007,22(2):37-44.

[4] 邱麗娟,宣征南,張興芳.油液在線監測技術研究進展[J].傳感器與微系統,2015,34(4):4-7.

[5] 溫煥曉,付敬業.光阻法測量油液中顆粒污染度的研究[J].宇航計測技術,2002,22(6):38-41.

[6] 孫衍山,鄧可.液壓油在線污染度連續監測傳感器研究[J].潤滑與密封,2015,40(3):73-78.

[7] 王劍松.潤滑油清潔度標準及顆粒物污染檢測[J].計量與測試技術,2015,42(5):21-22.

[8] IWAI Y,HONDA T,MIYAJIMA T,et al.Quantitative estimation of wear amounts by real time measurement of wear debris in lubricating oil[J].Tribology International,2010,43(1/2):388-394.

[9] 王灝,申晉,劉偉,等.基于光阻法的小光束截面粒徑信息提取方法[J].光子學報,2017,46(1):173-181.

[10] 徐濤,高玉成,武星.對于光阻法在對小粒徑微粒檢測時的原理分析[J].儀器儀表學報,2005,26(1):13-16.

[11] LIANG H,SHINOHARA K.Experimental equation on intensity of transmitted light through particle suspension of higher concentration[J].Powder Technology,2001,120(3):298-301.

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

國家自然科學基金項目(51176129)

李志遠(1992—),男,碩士研究生,主要從事顆粒物測量方面的研究。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)