水電站透平油系統油混水監測裝置分析及改進

楊黎明，李利華，尹春元，杜雄春，張沖林(中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133)

透平油又稱汽輪機油，適合高速機械潤滑用，主要用于需要深度精致潤滑油的潤滑場合，具有潤滑、散熱、液壓操作的作用。透平油在水電站主要用于調速液壓系統液壓操作、水輪發電機導軸承潤滑和散熱。

水電站冷卻透平油的介質主要是技術供水，因此水侵入透平油的現象是難以避免的。透平油含水嚴重時通常會對機組產生危害。一是，油中水分的存在會破壞透平油形成的油膜，使油品的潤滑效果變差，加速透平油各項性能的劣化，降低設備的使用壽命，導致導軸承瓦燒毀，對導軸承等設備的正常運行構成嚴重威脅[1]。二是，油系統部件產生腐蝕和銹斑。這是由于透平油添加劑中的某些元素與侵入油中的水分相結合產生酸的作用。特別是當系統同時受水分和顆粒物污染時所造成的后果比水或污染物單獨存在時更為嚴重，因為顆粒污染物使磨損后露出的新的金屬表面不斷受到水和酸的腐蝕作用而加速了磨損過程[2-3]，使調速系統靈敏度下降。透平油中的水分也會使調速系統金屬部件的表面發生銹蝕，導致調速系統的卡澀，機組出力波動，嚴重時還會使調速系統失靈[4]。

透平油系統的正常工作對水輪發電機組安全經濟運行具有重要的作用。水分含量是透平油的關鍵性指標之一，在油系統安裝油混水在線檢測裝置是常用手段。油中含水率超過設定值時，油混水監測裝置發出報警信號。然而，由于油混水裝置的設計和安裝常常存在問題，沒有達到正常監測油系統含水量的效果。

1 水電站常用油混水在線監測裝置分析

油混水監測裝置，即油混水信號器，又稱油混水開關或油混水控制器，可以在線監測油槽容器中的含水量情況。油混水信號器用于監測水電站、火電廠及大型泵站油系統中的混水或積水量。當油箱、油管路中混水或積水即發出報警信號，提醒值班人員及時檢查系統，確保發電機組安全運行。水電站常用的油混水信號器采用電容式原理，如圖1。電容式油混水監測裝置結構簡單，適用范圍廣，成本和維護難度較低。電容式傳感器由內、外電極(相當于電容兩個極板)及電路部分組成。當油中混水或積水后，由于二者介電常數相差很大，則由內、外電極構成的電容值發生顯著變化。傳感器電路產生一穩幅高頻方波，當電容值發生變化，則方波頻率發生變化，經過對信號的處理放大比較，輸出相應的報警信號。

圖1 電容式油混水在線監測裝置圖

油混水信號器傳感器安裝時，應保證電極長度(有效測量范圍)段完全沒入油中，安裝方式有內置式和外置式兩種，但都存在一定不足。

內置式安裝方式指在油槽側部或底部槽壁開孔，直接將油混水變送控制器安裝于油槽上，裝置電極伸入油槽內部。由于變送控制器監測元件位于油槽內部，元件附件的油處于流動狀態，具有較強的時效性，但是一旦變送器損壞需更換時，要么排空油槽費時費力，要么直接擰下變送器再擰上新的變送器，過程中必然造成油槽在安裝孔處漏油。

外置式安裝方式指裝置電極不伸入油槽內部，而是通過管道將油液導出油槽，同時把監測電極裝在管道中。通過開斷管道上的閥門，可解決監測裝置更換時的漏油問題，油槽不需要排油。外置式油混水監測裝置由于裝置進油口和出油口處油液流速和壓力基本一致，沒有使裝置中油流動的動力，裝置中的油和油槽中的油僅靠油的分子運動進行交換，速度非常慢，即使油槽中含水率超標，但由于變送控制器監測元件接觸的油更新需要時間較長，裝置在這段時間內不會發出報警信號，失去對油槽中油內含水率監測的時效性和靈敏性。在實際生產中，容易出現油中含水量超過裝置報警值，透平油已乳化，油色變白，但裝置卻無報警信號的情況，給透平油系統的安全運行帶來重大隱患。

有鑒于此，需要設計新型油混水監測裝置，優化安裝方式，克服上述缺點。

2 思路一：加裝微型油泵實現強迫循環效果

設計一種裝有微型油泵的油混水監測裝置，具有時效性、靈敏性，可實現遠程監視和自動報警，并可輕松更換油混水變送控制器。其原理見圖2。裝置由金屬油管、進油截止閥、四通腔體、出油截止閥、油混水變送控制器、排油閥、排油管、微型油泵組成。金屬油管、進油截止閥、四通腔體、出油截止閥、油混水變送控制器、排油閥、排油管、微型油泵連接裝配并保證密封，金屬油管與油槽取油管連接，油混水變送控制器監測元件安裝在四通腔體中，工作原理如下。

圖2 強迫循環型油混水在線監測裝置圖

1)正常監測時，進油截止閥、出油截止閥開啟，排油閥關閉，監測裝置內的油與油槽內的油連通。微型油泵運轉，強迫油槽中的油從裝置進油口流入、出油口流出，監測裝置中的油與油槽中的油液始終快速循環交換，通過油混水變送控制器發送4～20 mA模擬量信號和開關量報警信號給監控系統，實現自動、遠程監控油的含水率。

2)需更換油混水變送控制器或微型油泵時，關閉進油截止閥、出油截止閥即可施工，方便易行。

3)需要排除監測裝置中的異常油液時，可關閉出油截止閥，打開進油截止閥、排油閥，啟動微型油泵強迫油液通過排油管排出，實現方便更換裝置內異常油液且不會污染油槽。

3 思路二：利用特殊結構實現流體自泵循環效果

水輪發電機組運行時，導軸承高速旋轉，帶動透平油在油槽內轉動。因此，可以利用流體力學原理，設計一種特殊結構的油混水監測裝置，使流動的油液產生自泵效果。原理結構如圖3，裝置由喇叭形進油口、金屬油管、油路截止閥、四通腔體、排油閥門、油混水變送控制器、凸形減壓出油口組成。喇叭形進口、凸形減壓出油口緊貼油槽內壁安裝，通過油槽側壁上的進出油孔與金屬油管相聯通，金屬油管、油路截止閥、四通腔體、排油閥門裝于油槽外部，各部件裝配連接并保證密封。金屬油管彎曲部位形狀為弧形，以減少油液流動阻力，工作原理如下。

圖3 自泵循環型油混水在線監測裝置圖

1)正常監測時，油路截止閥開啟、排油閥門關閉，監測裝置內的油與油槽內的油連通。油槽內的油在旋轉設備(例如軸承)的帶動旋轉流動，遇到喇叭形進油口的收縮結構流動速度降低，壓強增大；油槽油流在凸形減壓出油口由于流線增大，流速加快，油液壓強降低。因此，喇叭形進油口和凸形減壓出油口兩者附近產生壓差，成為監測裝置內油的流動動力。只要油槽的油旋轉運動，無需額外動力，監測裝置中的油就可實現自動流動，持續與油槽中的油液循環交換，通過油混水變送控制器發送4～20 mA模擬量信號和開關量報警信號給監控系統，實現自動、遠程監控油的含水率。

2)在需要排除監測裝置中的異常油液時，可打開油路截止閥、排油閥門，裝置中的油在油槽油的壓力驅動下自動排除。

3)需更換或取出油混水變送控制器時，關閉油路截止閥即可施工，方便易行。

4 兩種思路對比分析

兩種思路對比如下。

1)思路一：多了一個微型電機油泵，需要為電機提供動力和控制，并增加狀態監測功能，裝置電氣回路相對復雜，一定程度增加了維護工作量；應用范圍廣泛，即使油槽中的油靜止，油混水監測裝置中的油也能持續與油槽中的油液循環交換，油混水變送控制器檢測元件接觸的油快速更換，保證油混水監測裝置的時效性。

2)思路二：技術方案結構簡單可靠，成本和維護難度較低，具有較高的可靠性和靈敏性；但透平油的運動是油液在裝置中油循環的動力，適合用在導軸承油槽等油液高速旋轉的設備，不適合用在油液不持續穩定流動或流速較低的環境；如果安裝在調速器液壓裝置上，則需要選擇油液有較強運動的位置。

5 結 語

綜上所述，可得出以下結論：

1)兩種新方法均可解決水電站常用的電容式油混水監測裝置更換難或動作不靈敏的問題，同時保留了其成本低的優點，具有實用價值；

2)微型油泵強迫循環式安裝范圍較廣，導軸承油槽、調速器液壓系統油槽等均可使用；

3)自泵式可安裝在機組運行是油液流動較強的導軸承油槽。