主機潤滑油油質在線監測技術的研究

高廣清，趙曉林

(安徽華電宿州發電有限公司，安徽 宿州 234101)

主機潤滑油油質在線監測技術的研究

高廣清，趙曉林

(安徽華電宿州發電有限公司，安徽 宿州 234101)

介紹了主機潤滑油油質對于機組安全運行的重要性，分析了現有潤滑油監測手段存在的問題以及國內外油液分析技術的發展趨勢，論證了應用油質在線監測技術對于主機潤滑油系統的日常維護、狀態監測與故障診斷的必要性和潛在價值，闡述了應用的基本思路和方案，為提高汽輪機油品和故障分析的精細化管理水平指明了方向。

潤滑油；油液分析技術；在線油質監測；故障診斷

0 引言

近年來，隨著發電企業的發電設備迅速向大容量、高參數、自動化、成套化、環保節能型方向發展，設備的維修成本和停機損失也急劇增加，對設備運行的可靠性和經濟性提出了更高要求。

主機潤滑油在汽輪機中起著潤滑、冷卻和密封的作用，是旋轉設備的“血液循環系統”，影響著設備的運行安全和使用壽命。通過對設備潤滑狀態的實時監測，可以大幅降低因油品劣化造成的機械磨損，有效延長設備使用壽命，減少停機損失。

1 主機潤滑油被污染的危害

為了確保軸承得到良好的潤滑和冷卻，汽輪機潤滑油必須具備良好的抗氧化性、潤滑性、抗乳化性以及防銹性。如果潤滑油被污染，將會導致其性能下降，嚴重威脅軸承的運行安全。

水分是汽輪機潤滑油品質的重要指標之一，同時也是運行中最容易超標的指標。水分超標會降低潤滑油的潤滑性能，造成金屬腐蝕、設備損壞。潤滑油水分超標導致的故障是緩慢累積的，不易被及時發現。

油質清潔度直接影響著汽輪機潤滑油系統能否正常工作。油中的污染物包括灰塵、土粒、砂粒、鐵屑、金屬微粒、漆皮、纖維物、空氣及水分等。潤滑油中的固體顆粒在滑動軸承承載表面上會加快軸頸與瓦面磨損，導致電廠汽輪機組軸頸拉毛磨損、車削成槽的現象頻繁發生。

相對于小容量機組，大容量機組軸頸尺寸更大，軸頸表面的線速度更大，這就更容易使軸頸被固體顆粒拉毛磨損。同時，隨著轉子質量增大，油膜變薄。小容量機組運行中油膜厚度一般約為0.20 mm，而大機組的油膜厚度通過實測只有0.05 mm左右，當機組啟動或惰走時油膜會更薄，汽輪機組軸頸更易受到微小顆粒的磨損。

2 目前潤滑油污染監測存在的問題

對汽輪機潤滑油污染的監測是電廠一項相對薄弱的工作，目前仍存在許多問題。

2.1 監測管理水平不高

目前，一些電廠對油污染的危害認識不足。電廠主要依靠人工離線化驗和在線振動對主汽機旋轉部位進行監測，當監測到振動或油液異常時往往已經造成損失。由于無法進行在線油液分析，導致設備運行中的大量異常信息在離線分析過程中全部喪失，只能根據油液本身的劣化信息進行分析。

2.2 缺乏必要的在線監測設備

大多數電廠都沒有自己的油質在線監測設備，且國外的檢測儀價格較昂貴，也不一定適用于汽輪機油質的在線監測。目前的監測方式不能及時發現汽輪機油清潔度超標現象，通常只有在油污染對系統產生危害后才采取措施。國內某電廠由于沒有及時發現汽輪機油中含有大量的固體顆粒污染物，曾發生過汽輪機轉子軸徑、軸瓦嚴重損傷的事件。因此，使用符合要求的監測設備，并對長期運行的機組實行油質清潔度在線監測，是及時控制油污染度、減少油污染危害的重要途徑。

2.3 油質評判方法不實用

目前大部分電廠沿用美國汽車工程協會的SAE749D標準或美國航天協會的NAS1638標準。這些標準有1個共同特點，即建立在1個固定的尺寸分布的基礎上。以電廠使用較多的NAS1638標準為例，某電廠汽輪機油的2次污染度檢測結果如表1所示，按NAS1638評判方法，其污染度等級皆為12級。

2次檢測結果中，尺寸分布處于25—50 μm的顆粒數相差將近3倍，50—100 μm的顆粒數則相差近7倍，雖然清潔度等級評定結果皆為12級，但潤滑油對機組的危害程度顯然不同。因此，按當前油質評定方法確定的評判結果不能很好地反映汽輪機油質對油系統的危害程度。

表1 某電廠汽輪機油清潔度檢測結果

為彌補這些不足，國際標準化組織ISO通過了清潔度標準ISO4406，以2個顆粒濃度的等級之比來描述流體的清潔度。此標準重點是將5—15 μm顆粒數分成若干級，較好地解決了NAS1638標準中當實際系統中顆粒尺寸分布難以同時滿足5個尺寸段的規定，無法用一個等級代號來描述實際流體清潔度的問題。

但這種方法不夠精確，級與級之間分級過大，無法像NAS1638標準那樣清楚地了解對系統危害最大的尺寸段污染顆粒的分布情況等問題。目前，已經研制的實時油液分析儀可以提供在線顆粒度測量，提供多達6個尺寸段的顆粒數，極大彌補簡單評級的不足。

3 國內外油液分析技術的研究進展

美國帕洛弗迪核電站通過研究發現：各種轉動軸承故障的早期發現和預警可大幅度降低設備故障頻率和惡性故障后果的發生數量，而軸承故障主要是因微米級別的雜質顆粒和潤滑油缺陷加劇軸承磨損和振動進而發生的。

該電站通過對750臺旋轉設備的振動參數和油液參數的復合監測結果發現：67 %的軸承故障可以通過實時油液分析發現；57 %的軸承故障可以通過實時振動分析發現；27 %的軸承故障可以通過2者的復合分析發現。通過復合監測產生的效益每年超過370萬美元，帕洛弗迪核電站的主管Johnson指出，在油液監測方面每投入1美元，就可以節省6.5美元的維修費用。

雖然我國的油液分析技術相較于國外起步較晚，但是也取得了一些重要成果。目前，國內一些大型企業通過對各類設備的潤滑油樣進行常規的理化分析、磨損金屬光譜分析、油污染變質的紅外光譜分析等保證設備潤滑系統具有良好的潤滑作用。

4 潤滑油在線監測技術在汽輪機上的應用

4.1 汽輪機潤滑油在線監測的技術優勢

在日常維護檢查時，傳統的潤滑油監測需要先抽取油樣再送往實驗室進行化學分析，最后等待實驗室的分析結果。這種監測方式存在以下幾個弊端。

(1) 管道中的污染物往往以油團形式存在，因取樣監測結果具有遲滯性，無法即時體現污染物油團的頻次和油團中各尺寸段顆粒的污染狀況，對機組運轉狀態診斷和設備故障預判存在嚴重滯后。

(2) 在取樣運送過程中，容易造成二次污染，影響油液顆粒監測精度，使實驗室分析結果準確性不足。

(3) 油液監測的取樣和運送過程需要耗費人力、物力，加大了油液污染監測環節的成本。

與離線實驗室化驗分析相比，實施汽輪機潤滑油油質在線監測具有以下幾點技術優勢。

(1) 有助于提高設備安全運行水平，減少意外停機時間；還可以預防油品污染，防止惡性磨軸事故。

(2) 實現按質換油，延長油品使用周期。由原來的定期換油變更為按質換油，根據實時監測油質結果確定換油周期，降低換油成本；同時減少廢油數量，有利于環境保護。

(3) 有助于提高油品監督效率，有效避免二次污染。通過在線連續測量保證了最有效的中段取樣，同時避免了人工采樣誤差，流動中的連續采樣保證了測量結果更趨近真值。

(4) 提升油品系統的精細化管理水平，減少人工成本和時間成本。

新型監測技術是產業升級和物聯網建設的基礎，將離線監測逐步轉移到在線監測已是大勢所趨。

4.2 汽輪機潤滑油在線監測的具體方案

4.2.1 所需監測參數

由于大部分潤滑油測量參數都具有關聯性，為保證監測結果真實有效、參數分析依據統一，監測設備最好采用多參量單傳感器一體化結構設計。這樣不僅能夠保證多個測量參數同點、同時監測，還可以有效避免測油液被二次污染。

(1) 粘度和溫度。粘度是潤滑油最重要的一項理化指標，也是選擇潤滑油牌號的主要依據。之前在化驗室進行離線檢測油品粘度時，通常是將油加熱到40 ℃，測量油在該溫度下的粘度指標，再與國標對比，最后判定油品粘度指標是否合格。但在實際使用中，油品溫度往往不斷變化，油品粘度也會隨之波動，這種做法無法準確預計實際使用中的油品粘度，更無法判斷油膜形成厚度及潤滑效果。

通過汽輪機潤滑油在線監測裝置，可以實時測量油品的溫度和粘度，根據不同溫度下的油品粘度指標，描繪出當前油品的粘溫特性，準確判斷油品粘度以及油質劣化情況。實時監測潤滑油的粘溫特性對保護設備旋轉運動部件和保障機組運行安全有著十分重要的意義。

(2) 水分。汽輪機潤滑油中水含量過高時，會造成潤滑油的潤滑性能變差、調速降低和冷卻散熱等問題，甚至破壞油膜、增大摩擦，引起軸承過熱，嚴重時會造成軸承烏金燒毀、軸頸磨損、腐蝕金屬設備，使危急遮斷器裝置生銹、卡澀，進而導致調速系統失靈等后果，嚴重威脅機組的安全運行。

傳統離線監測油中水含量往往會因為人工經驗和取樣誤差等因素導致監測數據差異較大，無法準確反映實際運行油系統中的水分含量。

在被測油路中安裝在線監測設備，在密閉的循環油系統中實時監測水分數據，這一和監測方式得到的分析結果更能說明實際的運行情況，更加具有說服力。

(3) 顆粒度。管道中的污染物多以油團的形式存在，每次的人工取樣并不一定都能取到污染物集中的油團，這些污染油團進入油箱與清潔油品混合后往往均能達標，但該污染油團本身的顆粒度則可能遠高于NAS的8級標準。污染油團中的顆粒一旦進入軸承油膜必然導致軸瓦非正常磨損，因此有必要在線監測污染物油團的頻次和顆粒度等級。這樣，一方面可以完成對濾芯劣化趨勢的狀態監測；另一方面通過污染物油團出現頻次或不同尺寸段顆粒物的增加趨勢判斷可能形成的軸瓦磨損，啟動濾油機或更換已經劣化的濾芯避免軸瓦非正常磨損；另外，對于顆粒度監測而言，在線監測精度大大高于實驗室監測精度。實驗室離線監測油中顆粒的數據無法真實反映實際的油品質量，同時也丟失了管路中污染油團的大顆粒信息。

綜上所述，在線監測潤滑油污染度等級及各通道詳細顆粒數十分必要，有助于電廠提升油品精細化管理水平。

4.2.2 在線監測點的選取

根據不同監測目的，主機潤滑油在線監測點可選擇的位置有：主機潤滑油供油母管、主機潤滑油回油母管、潤滑油濾油機出口側。

通過對比流經主軸前后的潤滑油參數，可以更及時地發現設備的運行狀態問題；也可以對比、分析潤滑油的劣化趨勢，實現轉動設備狀態監測分析和油品劣化分析的同步兼顧；還可以實現對濾油機濾芯的狀態監測。目前濾油機靠壓差檢測濾芯質量，但當濾芯無法過濾大顆粒時，壓差無反應，而對主軸的危險卻急劇加大。通過濾油機出口側的油質在線分析，可以實時監控濾芯質量，及時發現油質不達標或濾芯破損等異常情況，為機組的安全運行增添保障。

5 結束語

目前，油液在線監測技術已成為監測和診斷故障的重要技術方法。汽輪機潤滑油在主機內部循環，從油液在線監測出發進行機械設備故障診斷，能夠較為準確地預測故障的原因及部位，更全面地監測設備的運轉情況，并能利用早期預報及時發現和排除設備的故障隱患，減少損失。

發電廠主機潤滑油的在線油質監測也逐步成為各大電力集團提高自動化管理水平的一大突破口，通過實時油品監測分析，逐步建立油品故障監控網絡，全面監控涉油系統的轉動機械和油系統常見風險點，有效預防汽輪機軸徑軸瓦磨損拉傷、汽輪機斷油燒瓦、密封油系統故障等，為提高汽輪機油品和故障分析的精細化管理水平，建設全面油系統故障診斷監控平臺奠定基礎。

1 張英堂，任國全.油液監測技術的現狀與發展[J].潤滑與密封，2000，25(2)：65-66.

2 黎瓊煒，毛美娟，陳 勇.油液分析現狀與發展方向研究[J].中國機械工程，2004，15(3)：272-275.

3 楊其明，嚴新平，賀石中，等.油液監測分析現場實用技術[M].北京：機械工業出版社，2006.

2016-12-26。

高廣清(1974—)，男，助理工程師，主要從事火力發電廠化學技術監督、化學設備運行與檢修管理工作，email：551920026@ qq.com。

趙曉林(1984—)，女，助理工程師，主要從事火力發電廠化驗室檢測和管理工作。