大型電力機組汽輪機磷酸酯抗燃油老化性能臺架試驗研究*

(1.大亞灣核電運營管理有限責任公司 廣東深圳 518124；2.廣州機械科學研究院有限公司， 工業摩擦潤滑技術國家地方聯合工程研究中心 廣東廣州 510530)

十九大報告提出構建清潔低碳、安全高效的能源體系。我國在1 000 MW超超臨界電力機組、1 000～1 700 MW等級核電機組等逐步國產化應用，對綠色低碳、節能減排有戰略意義。隨著機組蒸汽參數及調節系統油壓的不斷提高，汽輪機組主氣門、調節氣門及其執行元件(如轉向閥、伺服閥)等的尺寸也相應增大。為適應發電行業超大容量高參數機組的要求，提高系統的壓力，防止礦物油泄漏至高溫蒸汽管路和汽輪機表面而引發火警災害[1]，汽輪機組調節系統廣泛使用高壓抗燃油(EH油)對液壓系統進行潤滑及控制[2]，它是一種三芳基磷酸酯合成油(簡稱抗燃油)，抗燃性能好，但相較于礦物油而言，其氧化安定性及水解穩定性較差，易發生老化。抗燃油老化后的性能變化會影響到調節系統能否正常工作，甚至會影響到汽輪機組的安全運行。因此，研究抗燃油老化后的理化性能變化對系統的正常運轉具有重要意義。

目前常用的抗燃油老化試驗采用模擬高溫試驗箱、有銅催化劑環境下的開口杯方法[3]，此方法屬于加速老化方法，與電力機組汽輪機的高壓調節系統服役實際情況存在一定差異。為更好地模擬汽輪機抗燃油在役過程中的老化情況，應設計和研究相關全尺寸高壓臺架試驗，設置與系統相近的運行參數(如油溫、壓力等)，并長時間持續運行、試驗與測試，揭示更加真實的油品性能劣化規律。故本文作者通過抗燃油液壓臺架進行老化試驗，分析常用抗燃油老化后的理化性能變化，為電廠汽輪機調節系統油品選用與評價提供理論依據和技術支撐。

1 抗燃油老化機制

大型電力機組汽輪機的調節系統抗燃油在使用過程中的老化反應主要為氧化反應和水解反應。因抗燃油為三芳基磷酸酯合成油，酯類物質易在酸、堿及鹽等條件下發生水解，水解產物又會加劇水解反應，最終生成磷酸及酚類物質[4]。但在汽輪機調節系統中，環境較為密閉，大多數電廠會配置旁路水分過濾與分離裝置，故抗燃油實際使用過程中缺乏水解環境，較難發生水解反應。

磷酸酯抗燃油中含有烴類物質，氧化過程中發生自由基鏈鎖反應，首先烴類物質(RH，其中R為烷基)受光、熱或催化作用生成過氧化游離基(RO2·)，接下來油中的RH會繼續和RO2·發生反應，生成氫過氧化物(ROOH)，氫過氧化物易分解生成游離基，形成鏈式反應，使得氧化反應可以連續不斷地進行下去[5]。氧化過程中會生成酮、有機酸、含氧酸、醛等物質，造成抗燃油酸值增高、電阻率下降、空氣釋放值升高，嚴重時會生成油泥、漆膜等，影響抗燃油性能，危及系統正常運轉。因此，文中重點研究氧化這一系列老化反應對抗燃油性能的影響。

2 試驗方案

2.1 試驗臺架

根據電廠汽輪機調節系統運行和操控的實際特點，自主設計制作了全尺寸液壓試驗臺架(如圖1所示)。該試驗臺以壓力加載的方式進行抗燃油內循環試驗，油泵可提供35 MPa加載能力，并可實現額定壓力范圍內的任意調節。在實際工作時，通過溢流閥調節壓力。此外，因汽輪機調節系統執行部位油溫正常處于90 ℃，為模擬實際情況，試驗臺安裝了加溫控溫模塊，可根據試驗和測試需要精確調節、控制油溫。

圖1 抗燃油老化測試和評價用高壓加載全尺寸液壓臺架Fig 1 Full-size hydraulic bench with high pressure loading for aging test and evaluation of fire-resistant oil

2.2 試驗方案

選取電廠常用的三款磷酸酯抗燃油(A1、A2、A3)作為試驗對象，根據油品種類分為3組。試驗時將抗燃油注入臺架油箱中，抗燃油循環溫度恒定在90 ℃，抗燃油工作中壓力調節為13.8 MPa，流量調節為40 L/h，連續運行130天。首先，在試驗前60天之內每隔30天取樣一次，之后每14天取樣一次，共取樣7次。分別對油樣的酸值、空氣釋放值、體積電阻率、油泥析出量等指標進行檢測，分析油品性能變化情況。

每組試驗開始前，均使用面團清潔油箱底部，并將準備測試的新油注入系統進行循環清洗，以避免殘余舊油對試驗結果造成影響。

3 試驗結果及分析

3.1 酸值

酸值是潤滑油的基礎理化指標，也是評價抗燃油老化程度的一項重要指標。酸值升高表明抗燃油因氧化產生的酸性物質增加，當在用抗燃油的酸值升高較快時，說明油品老化程度加劇。酸值過高會對汽輪機調節系統的金屬部件、精密閥件等造成腐蝕加劇、精度下降；會加速抗燃油的老化，導致產生氣泡、油泥等劣化產物，這些劣化產物還會影響到抗燃油的其他指標(如空氣釋放性、電阻率等)[6]。

圖2示出了3組抗燃油試驗過程中7次樣品的酸值變化趨勢(其中樣本0為新油的酸值，下同)。

圖2 酸值變化趨勢Fig 2 Trend of acid values change

從圖2可以看出，3組試驗的不同抗燃油酸值變化的整體趨勢是在逐漸變大，這是由于隨著試驗的進行，油中不斷有氧化的有機酸產物生成，使得油品的酸值上升。

從圖2中還可看出，A1抗燃油酸值變化的趨勢較為緩慢，試驗結束時酸值最大值為0.042 mg/g(以KOH計，下同)；而A2抗燃油酸值增長較快，試驗結束后酸值達到0.12 mg/g；A3增加最快，試驗結束時酸值達到0.18 mg/g，已超出控制值(DL/T 571-2014《電廠用磷酸酯抗燃油運行維護導則》中要求酸值w≤0.15 mg/g)。從酸值的變化趨勢可以看出，抗燃油的抗氧化性能A1最優、A2次之、A3最差。

3.2 空氣釋放值

抗燃油氧化過程中會生成劣化產物，其中含有極性物質，會改變油品的空氣釋放性。空氣釋放值用于檢測溶于油中空氣釋放出來的時間。如果溶于油品中的空氣不能及時釋放出來，導致油中夾帶較多的空氣，則會改變油的壓縮性能，導致控制系統的控制信號失準，從而危及機組的安全運行。在高壓的情況下，油中氣泡破裂，會造成油系統壓力波動，引起噪聲和振動，對油系統設備產生損壞，同時氣泡破裂時在破裂區域產生的高能及氣體中的氧氣成分會使油發生氧化劣化。此外，油中的泡沫還會造成油箱中的假油位，嚴重時導致跑油事故。

圖3示出了3組抗燃油試驗過程中7次樣品的空氣釋放值變化趨勢。

圖3 空氣釋放值變化趨勢Fig 3 Trend of air release values change

從圖3可以看出，空氣釋放值變化幅度最大的是A1，其在用油空氣釋放值較新油變化幅度較大，并且試驗過程中的7次監測值保持在10 min上下波動；其次是A2，其7次監測值也保持在10 min上下波動；最穩定的是A3，其在用油空氣釋放值較新油變化幅度小，并且7次監測值維持在5 min上下波動。

可見，從空氣釋放性能看，A3空氣釋放性能最優，A2與A1相當。

3.3 體積電阻率

體積電阻率是評價抗燃油介電性能一項重要的控制指標。抗燃油在運行過程中，隨著使用時間的延長，油品的老化、水解以及可導電物質的污染等，都會導致電阻率降低。抗燃油電阻率降低，會導致伺服閥等精密部件因電化學腐蝕作用而損壞，影響調節系統的瞬態響應精度[7]。

圖4示出了3組抗燃油試驗過程中的體積電阻率變化趨勢。

圖4 體積電阻率變化趨勢Fig 4 Trend of volume resistivity change

從圖4可以看出，A1擁有較大的新油體積電阻率值(ρ=5.1×1010Ω·cm)，在7次在用油監測中，體積電阻率呈逐漸下降的趨勢，但仍具備較大的值(ρ>1×1010Ω·cm)。相比較A2與A3新油的體積電阻率就較小，在試驗過程中，體積電阻率也呈逐漸減少的趨勢，最后都維持在5.0×109Ω·cm左右，小于在用抗燃油體積電阻率的控制值(DL/T 571-2014《電廠用磷酸酯抗燃油運行維護導則》中要求體積電阻率ρ≥6×109Ω·cm)。

體積電阻率可以反映新油的精制程度和在用油老化變質的程度。從3種抗燃油體積電阻率的變化趨勢可以看出，A1既具備良好的精制程度，也具備良好的抵御老化變質的能力，而A2、A3與之相比較，該項性能較差。

3.4 油泥析出量

油泥是抗燃油發生嚴重氧化反應的產物，油泥析出測試可以評價抗燃油在一定條件下的抗老化能力，通過油泥析出量的多少，判斷油品抗老化能力的強弱。

對3組臺架上取下的樣品開展實驗條件為115 ℃、有銅絲催化環境下的老化試驗，試驗時間72 h，實驗結果如圖5—7所示。

從圖5(a)—7(a)所示的開口杯老化油泥析出結果可知，A1抗燃油中看不到明顯的油泥沉淀生成，油泥析出量少，濾膜色度很輕，如圖5(a)所示；而A2與A3抗燃油7次樣品的老化實驗都有明顯的沉淀物生成，濾膜色度逐漸變深，如圖6(a)、7(a)所示。

圖5 A1油樣油泥析出模擬試驗結果Fig 5 Simulated test results of sludge precipitation of A1 (a)sludge precipitation of open cup ageing;(b)deposition of sludge on filter membrane

圖6 A2油樣油泥析出模擬試驗結果Fig 6 Simulated test results of sludge precipitation of A2 (a)sludge precipitation of open cup ageing;(b)deposition of sludge on filter membrane

圖7 A3油樣油泥析出模擬試驗結果Fig 7 Simulated test results of sludge precipitation of A3 (a)sludge precipitation of open cup ageing;(b)deposition of sludge on filter membrane

油泥析出量的變化趨勢如圖8所示。

圖8 油泥析出量變化趨勢Fig 8 Trend of sludge precipitation change

從圖8所示的油泥析出量的變化趨勢可看出，A1抗燃油油泥析出量明顯少于A2與A3，表明A1相較A2與A3具備更好的抗老化與長周期服役安全穩定能力。

4 結論

(1)由于電力機組汽輪機蒸汽參數和調節系統油壓不斷提高，長時間高溫高壓運行時，抗燃油會因為發生氧化反應而造成老化，其酸值、體積電阻率、空氣釋放性、油泥析出量等理化性能指標會產生不同程度劣化。

(2)使用自主研制的全尺寸液壓臺架試驗臺，通過對具體的理化參數對比分析，抗燃油A1在酸值、 體積電阻率、開口杯老化油泥析出量參數方面明顯優于A2與A3；空氣釋放性能上，A3表現較A2與A1優。

(3)綜合抗燃油A1、A2與A3在液壓臺架試驗中的表現，抗燃油A1的抗老化性能優于A2與A3。

(4)考慮到汽輪機實際運行工況(蒸汽參數、調節系統油壓)與臺架試驗工況存在著差異，臺架試驗結果可作為電廠選用該油的參考依據，需要注意的是不能把各油品在臺架試驗中模擬的老化特性等同于電廠實際工況中的運行特性。對汽輪機的在役運行油做好預防性油液跟蹤監測與精確分析是保障EH系統安全的關鍵。