第三节　油的劣化和净化处理

一、油劣化的危害和原因

1.油的劣化

油在运行、储存过程中发生了物理、化学性质的变化,以致不能保证设备的安全和经济运行,这种变化称为油的劣化。

2.油劣化的危害

油劣化的危害取决于劣化时的生成物及其劣化程度。油劣化后酸值增高,黏度加大,闪点降低,颜色加深,并有胶状物和油泥沉淀物析出,这不但影响油的润滑和散热作用,还会腐蚀金属和纤维物,使操作系统失灵等。油劣化后在高温下运行如产生氢和碳化氢等气体,与油面的空气混合形成易燃易爆气体会危及设备的安全运行。

3.油劣化的原因及防护措施

油劣化的根本原因是油和空气中的氧发生了反应,即油被氧化了。加速油劣化的因素和相应的防护措施主要有以下几种:

(1)水分:水使油乳化,促进油氧化,增加油的酸值和腐蚀性。水分进入油中的途径主要有:油表面与空气接触,直接吸收空气中的水分;空气在低温的油面冷却后析出水分;设备漏水;变压器和储油槽的呼吸器中干燥剂失效,使空气把水分带入油容器内;油氧化后生成的水分等。当油劣化不严重时,水在油中为游离状态,容易被清除。当水和油形成乳化状态时,油和水成为同相,水不易被清除,将危及油的安全运行。

防护措施:密封用油和储油设备,尽可能与空气隔绝,防止水管渗漏,保持呼吸器性能良好。

(2)温度:油温度的升高,会造成油的蒸发、分解和碳化,并降低闪点,同时加快油的氧化速度。实践证明,在正常压力下,油的氧化随温度的升高而加快。当油温在30℃以下时,氧化很少;当油温在50～60℃时,油就开始加速氧化;当油温超过60℃时,每增加10℃,氧化速度将加快一倍。所以规定透平油的工作温度不高于45℃,而绝缘油不高于65℃。

造成油温升高主要有以下几种原因:设备运行不良、机组过负荷、冷却水中断、油面过低、轴承油膜破坏、局部高温、机组振动或摆度过大等。

防护措施:保持设备在正常工况下运行,冷却水供应正常,确保正常的油膜厚度,防止设备和油过热。

(3)空气:空气中含有氧、水汽和尘埃等,不仅会促使油氧化,还会增加油中的水分和机械杂质。除了油的表面直接和空气接触之外,还会由于添油速度过快、回油管设计不合理以及运行设备对油的搅动等原因产生泡沫而增加油与空气接触的面积,从而加速空气中的氧、水汽和杂质进入油中。

防护措施:减少油与空气的接触,防止泡沫形成。如设置储油槽呼吸器,并用真空泵抽出储油槽内湿空气;油系统的供排油管伸入油面以下,以避免冲击而产生泡沫;供排油的速度不能过快,防止泡沫产生。

(4)天然光线:天然光含有紫外线,它对油的氧化起触媒作用,会促进油的劣化。油在日光照射以后再放到无日光照射的地方劣化会继续进行。

防护措施:将储油槽布置在阴凉干燥处,避免阳光直接照射。

(5)电流:穿过油内部的电流会使油分解劣化,如发电机主轴铁芯所产生的轴电流,通过轴颈穿过轴承的油膜时,会促使油质劣化,使油的颜色变深,并生成油泥沉淀物。

防护措施:通过绝缘措施来防止轴电流的作用。

(6)其他因素:金属的氧化;检修清洗不良;储油容器使用油漆不当;不同种油品的不良混合等。

防护措施:采用煤油、轻柴油、汽油或金属清洗剂(如851)清洗设备,保持设备清洁;透平油设备使用耐油漆,绝缘油设备使用耐油耐酸漆;避免不同种类的油相互混合,若要混合必须先进行试验。

尽管采取了各种有效措施,在长期运行中油仍然会不同程度地劣化。当油已劣化时,要根据油的劣化程度采用必要的措施加以净化处理,以恢复油品的使用性能,延长油品的使用期限。

二、油的净化处理

根据油劣化变质程度的不同,劣化的油可分为污油和废油两种。轻度劣化或被水分和机械杂质污染了的油称为污油,污油经简单的机械净化后仍可继续使用。深度劣化变质的油称为废油,废油用化学法或物理化学法进行处理,使其得到净化而恢复原有的性能,称为油的再生。油的再生一般在专门的油务部门或电力系统的中央油务系统进行。

对一般水电站来说,只对污油作机械净化处理。常用的机械净化方法如下:

1.沉降法

当油长时间处于静止状态时,油中机械杂质和水分会因密度较大而沉降到底部,很容易将它们清除。沉降的速度取决于油的密度、黏度、油层高度以及杂质颗粒的密度、形状和大小等因素。黏度大、油层高,沉降速度慢,故适当提高油温可减少油的黏度,加快沉降速度。

沉降法设备简单,对油无伤害,但所需的时间较长,净化不彻底,油中的酸值、可溶性杂质和水分等不能除去。

沉降法一般与其他净化方法配合使用,是各种机械净化处理的第一步,也可作为运行中油循环的补充净化措施之一,在水电站中被广泛采用。

2.压力过滤

压力过滤是用压力滤油机把油加压,使其通过滤纸,利用滤纸对水分的吸附及对杂质的阻挡作用,使水分和机械杂质与油分开。

压力滤油机的工作原理如图2-2所示,其工作过程为:污油从进油口吸入,经粗滤器除去较大杂质后,进入油泵加压,把压力油送入滤床,渗透过特制的滤纸,利用滤纸的毛细管作用把油中的水分吸附并把杂质阻挡住,而清净的油则从出油口流出。滤床由可移动的铸铁滤板和滤框组成15～20个单独的过滤室,滤纸夹在滤板和滤框之间,三者用螺旋夹压紧,每组滤纸由2～3张滤纸叠成。若采用碱性滤纸还能中和油中微量酸性物质。

滤油工作最好在天气晴朗、气候干燥的情况下进行,滤纸应在烘箱内以80℃烘烤24h后再使用。油进入滤床后从首张滤纸到末张依次渗透过去,因此一组滤纸中首张滤纸吸水及阻挡杂质最多,更换滤纸时只需取去污油流入侧的第一张,把新滤纸置于该组滤纸的流出侧。污染的滤纸经洗净烘干后仍可使用。随着滤纸的逐步污染,滤床进油侧的管路系统压力升高,当压力达到0.4～0.6MPa或滤纸已完全饱和时就应更换滤纸。安全阀用以控制管路的最高压力,压力超过0.6MPa时,安全阀开启,压力油经安全阀进入粗滤器、油泵进行自动循环。油盘收集滤床的渗漏油经回油阀进入粗滤器。油样阀用于定期取样试验。在每次更换滤纸后开机时,油中都会出现很多泡沫,并含有纤维,因此在重新开机的最初3～4min内,应把滤出的油送回污油中重新过滤。滤油过程中,每隔一段时间应取油样化验检查,化验合格后方能使用。

压力滤油机结构简单,操作方便,工作可靠,应用广泛,它能过滤油中的杂质和微量水分,但在更换滤纸时必须停机,不能连续过滤。同时,当油中水分较多时,应先用真空滤油机把油中的水分分离后,再用压力滤油机过滤杂质和残存水分。

3.真空过滤

在同一压力或真空度下,油与水的汽化温度不同,水的汽化温度比油低,据此原理制成真空滤油机,用来完成水分、气体与油的分离。由于真空过滤不能滤除油中机械杂质,故常在真空罐前后设置油泵和过滤器。

真空滤油机的工作原理如图2-3所示,滤油时,污油从储油设备经油泵加压后送入粗滤器,过滤后进入加热器,把油温提高到50～70℃后再送入真空罐内,罐内真空度约为95～99kPa,经喷嘴把油喷射扩散成雾状。在此温度和真空度下,油中的水分发生汽化,油中的气体也从油中析出,而油仍然是油滴,重新聚结沉降在真空罐容器底部。用真空泵把集聚在真空罐上部的水汽和气体通过冷凝器抽出,使水分和气体从油中得到分离,达到除水脱气的目的。真空罐底部的清净油用油泵抽出,经过精滤器输往净油槽。这样就实现了真空滤油的一个循环。若油质还不满足要求,可如此进行多个滤油循环,直至油合格。在油没有循环时不得启动加热器,否则会烧坏加热器,甚至爆炸。

真空滤油机滤油速度快、质量好、效率高,能有效去除油中的水分和气体;价格较贵,油在50～70℃下喷射扩散时会有少量油被氧化;对杂质的过滤效果较差,可在真空滤油机后串联一台压力滤油机,进一步滤除油中的杂质和残存的水分;适用于透平油和绝缘油,尤其对提高绝缘油的绝缘强度、增大电阻率作用更为显著,所以在水电站中得到广泛应用。

三、油的再生

在水电站中,一般透平油2年再生一次,绝缘油5～7年再生一次。中小型水电站一般不专设废油再生装置,而由中心油务管理机构的专业化工作人员对其水电站的油进行再生处理;对于变质不严重尚可运行的油或者具有油的再生能力的大中型水电站,可在电站内进行油的简易再生处理。

水电站油的简易再生处理一般采用吸附处理和投入添加剂两种方式。

1.油的吸附处理

油的吸附处理是在吸附器中放置吸附剂,由其吸附油中的多种化学物质,使油长期处于合格状态。吸附剂是一种多孔结构并且具有相当强的吸附能力的固体,它能吸附多种化学物质。常用的吸附剂有硅胶、白土、活性氧化铝、活性炭和矾土等。最常用的是硅胶,硅胶吸附速度快、效果好、简便经济。不同吸附剂的颗粒上有不同直径的微孔,使它们在单位质量上具有极大的内表面。如1g硅胶的内表面可达300～450m2,1g白土的内表面也有100～300m2,因此它们具有很强的吸附能力,能将一些化学物质如劣化生成的酸类、胶质、沥青等吸附在其表面小孔内,使油得到再生。当吸附剂表面的小孔已充满被吸附的物质时,就失去了再吸附的能力。

吸附处理方法可分成连续处理法或间断处理法。

(1)连续处理法(热虹吸法):吸附剂放在与变压器连通的吸附器中(可替换一个散热器),变压器运行时,油受热而密度变小,从变压器上部流入吸附器,并在流动中逐步冷却而密度增大,自动从吸附器底部流回变压器,完成自动循环。油中的氧化物在吸附器中被吸附剂吸附,从而使油长期处于合格状态,并可延长变压器的使用寿命,其装置原理如图2-4(a)所示。

对小型变压器,也可把吸附剂装于布袋中悬挂在变压器油箱上部;对较大的变压器,可将吸附剂置于变压器顶盖上的金属桶中,但要注意安全距离和严密性能;对大型变压器,还可采用薄膜保护法,即在顶部用丁腈橡胶袋进行吸附。

(2)非连续处理法(间断处理法):设备检修时,把吸附器与净油设备串联使用,如图2-4(b)所示,既达到净化作用又起到吸附目的,再生效率较高,透平油的吸附处理一般采用此法。

吸附处理对轻度劣化(酸值小于0.25mgKOH/g)的油效果良好,但对劣化较严重的油效果欠佳,而且会产生大量的油泥沉淀物,运行中油的酸价越小,进行油的再生就越安全;吸附剂的粒子大小应在3～8mm之间,用量应为油量的1%～2%,使用前要将吸附剂中的气体清除;透平油再生前要将油中水分清除掉,否则会影响再生的效果和经济性;吸附器的安装应尽量减少管道弯曲,并保证正常循环。

2.投入添加剂

为了延长油的使用期,保证设备的安全和经济运行,可在油中投入添加剂,如添加抗氧化剂(芳香胺、T501、721等)以抑制油的氧化。新油、再生油中T501含量应不低于0.3%～0.5%,当运行中的透平油T501含量低于0.15%时,应进行补加,但补加后油的pH值不应低于5.0。

此外,还可在透平油中加入防锈剂。效果较好的防锈剂有十二烯基丁二酸(即T746),它是一种极性化合物,溶在透平油中对金属表面有很强的附着力,能形成一层保护膜,阻止水分和氧气接触金属表面,因而起到防锈作用。油中添加防锈剂能有效地解决油系统中设备的锈蚀问题,尤其是调节系统中调节元件的防锈问题,不仅能保证机组的安全、经济运行,还能延长设备的检修期,减少检修工作量。T746防锈剂的添加量一般为油的0.02%～0.03%。