Потеря эксплуатационных свойств гидравлических жидкостей рассматривается сегодня специалистами-энергетиками как серьезная угроза безопасности для турбоагрегатов по причине отказов и повреждений в работе систем регулирования, смазки и уплотнения вала генератора. Этому вопросу уделяется серьезное внимание специалистами как российской, так и украинской энергетических отраслей.
Серьезность поднятой проблемы обуславливается тем, что многие объекты энергетики находятся на завершающем этапе эксплуатации и требуют в этой связи особого внимания. Используемые сегодня генерирующими компаниями методы и приборы контроля состояния энергетических масел и само оборудование очистки масла морально и физически устарели и недостаточно эффективны.
По рекомендациям ISO 4406 для обеспечения надежной работы узлов турбоагрегатов (очистка масла до нормы 15/12 т.е. не хуже 13 класса по ГОСТ-17216) следует регламентировать содержание частиц размерами 3…25 мкм. Аналогично по данным харьковского ЦКБ Минэнерго Украины, 1998 г. следует регламентировать содержание частиц размерами 5…20 мкм. Это объясняется тем, что в опорном подшипнике турбоагрегата при его максимальном нагружении расстояние между упорным гребнем и подушкой с учетом прогиба гребня составляет примерно 10 мкм. Для режима пуска смазоч-ный слой для этого подшипника составляет 5-8 мкм. Гидроподьем ротора турбины большой мощности обеспечивает всплывание “шейки” на 40…60 мкм. В системах регулирования турбин российского и украинского производства золотниковые пары имеют радиальные зазоры 50…100 мкм, а при вращении золотников между ними и буксой устанавливаются клиновидные зазоры размерами от 10…25 мкм. Механические загрязнения, накапливаясь в зазорах и дроссельных сечениях узлов регулирования, зазорах золотников (особенно в неподвижных большую часть времени золотниках защиты), приводят к их залипанию и соответственно отказам системы регулирования турбины. Попадание твердых частиц в опорный подшипник может нарушить установку подушек и вызвать тяжелую аварию турбины. По норме CETOP RP 92H для управляющего золотника (радиальный зазор) сервоклапана регаментированию подлежат частицы размерами 3-8 мкм, подшипников скольжения и упорных качения – 1-10 мкм, шестеренчатых насосов (торцевой и радиальный зазоры) – до 0,5 - 5 мкм,
Эксплуатация загрязненного механическими примесями и водой масла будет приводить к повышению температуры и преждевременному износу или разрушению подшипников, неустойчивой работе системы регулирования, увеличению затрат на ремонты с привлечением квалифицированного персонала. Преждевременная замена масел из-за потери их эксплуатационных свойств (при сроке службы от 2 до 5 лет) значительно повышает стоимость капитальных ремонтов и регламентных работ. По данным зарубежных фирм (например Friess EFR) регулярно очищаемое гидравлическое масло эксплуатируется более 10 лет.
В исследованных нами образцах эксплуатирующихся масел на обьектах энергетики выявлен в отдельных случаях высокий уровень металлических фрагментов, силикатов, волокон, затвердевшей смолы, прозрачных кристаллических частиц, продуктов старения и пр., частиц достигающих размеров 250-500 мкм. Это обьясняется тем, что используемые сегодня для фильтрации в маслобаках турбоагрегатов металлические сетки имеют обычно ячейки с размером стороны 500 мкм и 250 мкм и не обеспечивают требуемую чистоту масла.
Предлагаемое сегодня производителями оборудование для фильтрации технических масел подразделяется на следующие типы:
- стационарные фильтры с фильтроэлементами глубинного типа (HYDAC, PALL, PARKER, EPPENSTEINER, MAHLE, ГП “Фильтротехника” (ОАО РЗТА, г.Ровно), ЧП “ТПК” (г.Киев), УИЦ, завод “Прогресс” (г.Бердичив), ЗАО ГИДРОГАЗ (г.Воронеж),
- центрифуги (ALFA LAVAL, Полтавский турбомеханический завод, АООТ НИТИ ТЕСАР г. Саратов, Новые технологии г.Москва,
- мобильные фильтрующие системы с вакуумным отделением влаги и газов (HYDAC, PALL, EPPENSTEINER, MICAFIL),
- мобильные промывочные агрегаты типа фильтр+насос (HYDAC, PALL, EPPENSTEINER, MAHLE),
- мобильные и стационарные установки с применением для удаления влаги цеолита и адсорбента палыгорскита, как стационарные, так и мобильные,
- мобильные установки для полной регенерации трансформаторных масел (с восстановлением всех основных физических и химических свойств в т.ч. внесением ингибитора (MICAFIL, EКOFLUID). В качестве адсорбента используется фуллерова земля. Аналогичная установка применяется на Запорожской АЭС,
- системы электрической очистки масел (FRIESS)
В качестве фильтрующих материалов используются фильтр-бумага, ткань, полипропиленовые и другие нити, многослойные композитные трековые мембраны, фуллерова земля, палыгорскит, цеолит, стеклонити, металлонити, продукты порошковой металлургии, керамика, ионообменные смолы, металлические сетки. Каждый из этих материалов и способов имеет свои достоинства и недостатки.
Качество предлагаемых фильтроэлементов фирмами HYDAC, PALL, PARKER, EPPENSTEINER, MAHLE примерно одинаково. Выпускаемые сегодня этими фирмами фильтроэлементы снижают количество частиц, с размерами на которые они рассчитаны не менее чем в 1000 раз за один проход при заявленных перепадах давления на фильтроэлементе и расходе потока.
Данные по грязеемкости для своих фильтров из всех указанных выше фирм приводит только фирма HYDAC. Так грязеемкость рекомендованного этой фирмой для применения на турбоагрегатах фильтроэлемента типоразмером 2600 (для расхода 2600 л/мин) составляет примерно 500Г. Для маслосистемы объемом 60 тонн масла фирма рекомендует устанавливать как минимум 2 таких параллельных корпуса с напорным насосом 275 л/мин. Это означает что такая система сможет гарантированно очистить 2 тонны масла с класса чистоты 17 до класса чистоты 13 по ГОСТ 17216-71.
Сегодня все эти фирмы жестко конкурируют между собой за установку своих фильтроэлементов в чужие корпуса.
Глубинные фильтроэлементы производителей РФ и Украины выпускаются с характеристиками, фильтруемых частиц, определенными расчетным путем и в лучшем случае подтвержденными выборочным тестированием. Необходимое оборудования для проведения испытаний тонкости фильтации по ISO 4572, коллапса/разрушения по ISO 2941, других необходимых испытаний ISO 2942, 2943, 3723, 3724, 3938, 3968 у наших производителей фильтроэлементов отсутствует.
Рассматривая показатель цена-качество, следует заметить, что фильтры, а также фильтроэлементы фирмы PALL уступают их ближайшим конкурентам - немецким фирмам ΗYDAC, MAHLE и EPPENSTEINER.
Ориентируясь на высокую загрязненность эксплуатируемых сегодня энергетических масел, представляется целесообразным использование для их очистки металлических сеток многократного применения тонкостью фильтрации 10 – 20 мкм. Однако следует иметь в виду, что даже сетки с размерами ячейки 20 мкм задерживают частицы загрязнений таких размеров чисто номинально, так как размеры и пространственная ориентация частиц в потоке жидкости случайна. Кроме этого сетки характеризуются более низкой (в 10–100 раз меньшей) удерживающей способность, так называемым коэффициентом фильтрации бетта. При этом следует учитывать возможность передачи вибрации от напорных насосов, которая может снижать удерживающую способность фильтрующих сеток.
Промывка сеток достаточна сложна: требуется ультразвуковые ванны, моющие средства, подогрев и очень аккуратная продувка воздухом (не более 0,5 атм.). Так как промывать сетки полностью обычно не удается, то вследствие постоянного накопления в них мельчайших частиц грязи срок службы самих сеток ограничен.
Немецкие фирмы HYDAC, EPPEN-STEINER, MAHLE, выпускающие металлические сетки для фильтров с размерами фильтруемых частиц 10 – 25 мкм, рекомендуют промывать такие сетки не более 8 раз.
Следует также учесть, тот факт, что стоимость фильтроэлементов-сеток примерно в пять раз больше одноразовых фильтроэлементов. Применение сетчатых промываемых фильтроэлементов пред-ставляется экономически целесообразным для сильно загрязненных масел, а также для токсичных сред, например : огнестойкой жидкости ОМТИ.
Использование для очистки и полной регенерации масла, в том числе значения его коэффициента поверхностного натяжения и восстановления кислотного числа адсорбента – фуллерова земля огра-ничено тем, что она поглощает из масла ингибитор, а вымывание из нее солей может привести к эффекту дизелирования турбинных масел. Поэтому сегодня этот адсорбент используется для очистки трансформаторных масел. Достоинством фуллеровой земли является возможность ее промывки и многократного применения.
Цеолит после его неоднократной регенерации (прокаливание) крошится, и является мощным источ-ником пыли. Кроме этого молекулярные сита имеют ограничения по дегидратационной способности – емкость влагосодержания примерно 20% от его сухого веса, а остаточное содержание влаги, например для жидкости ОМТИ - не менее 100 ppm.
Ионообменные смолы, рекомендуются сегодня фирмой PALL для восстановления огнестойкой жидкости типа ОМТИ, в том числе сильно разрушенных, совместно с технологией удаления воды при среднем вакууме, при рабочей температуре жидкости. По отношению к адсорбенту палыгорскит, фуллерова земля и ионообменные смолы отличаются минимальными затратами на утилизацию отходов и потери самой жидкости.
Применение для очистки и восстановления масла, в том числе кислотного числа отечественного адсорбента – палыгорскита, имеет ограничения по его влажности, температуре масла и его обводненности. Хотя палыгорскит в меньшей степени поглощает ингибитор, чем фуллерова земля.
Применение всех адсорбентов предполагает очистку масел при их рабочей температуре (до 700С). Для всех адсорбентов актуален вопрос их утилизации, особенно при фильтрации жидкости типа ОМТИ (эфиры фосфорной кислоты).
Использование для очистки масла центрифуг, как правило, не обеспечивает удаление частиц размерами 5 мкм и менее, количество которых может стать недопустимо большим и существенно снизить чистоту єксплуатируемого масла.
Мобильные промывочные агрегаты с вакуумным отделением воды фирм HYDAC, PALL, EPPENSTEINER, примерно одинаковы по характеристикам, конструкции и цене, Они эффективно работают на влагоудаление при температуре масла 55-70оС. Следует отметить, что такие установки комплектуются специальным встроенным подогревателем и системой цифрового мониторинга за отделение влаги. Отличием установок EPPENSTEINER является использование двух последовательных корпуса фильтров, с возможностью выбора заказчиком устанавливаемых в них фильтроэлементов. Применение компактных передвижных фильтрующих установок позволяет производить очистку масел в сжатые сроки непосредственно на производстве заказчика.
Электроочистка является перспективным, эффективным для получения особо чистых гидравлических жидкостей, и быстро развивающимся направлением. Хорошо зарекомендовала себя для очистки масел в изолированных емкостях. Имеется большой опыт применения для дегидратации нефти и нефтепродуктов в том числе для высокообводненных нефтей (60% воды) и аномально стойких эмульсий. Требуется предварительный подогрев потока жидкости. Отличается отсутствием динамического сопротивления потоку фильтруемой среды в свободном пространстве рабочей камеры, простотой управления технологического процесса, так как его интенсивность зависит от приложенного напряжения и вязкости рабочей среды. Однако существующие в настоящее время установки этого типа не предназначены для установки на работающие агрегаты (производительность установок обычно до 16 л/мин, требуют предварительного обезвоживания очищаемой жидкости до уровня 0,03%, отсутствия эмульсий, содержания свободной воды не более 1% (FRIESS), очистки от механических примесей до 8 класса чистоты по ГОСТ 17216-71 (обычно предполагают предварительную фильтрацию глубинными фильтроэлементами 5 мкм. Допустимая температура масла таких установок не должна превышать 80-90оС при скорости потока до 30 мм/с. Вязкость масла должна быть не более 100 cst. Такие системы в отличие от механических фильтроэлементов с разной эффективностью удаляют частицы различной физической природы (так как эти частицы обладают различной диэлектрической проницаемостью, которая к тому будет зависеть от их температуры среды, напряженности электрического поля…). Сами воскоподобные образования, продукты старения масла, гели имеют близкие к маслу коэффициенты диэлектрической проницаемости, что затрудняет их отделение от масла. Особенно актуальной является для таких систем защита от электрического пробоя. Отмечаемое при электроочистке незначительное снижение коэффициента поверхностного натяжения масла свидетельствует все же о его старении при такой очистке. Однако по рекламным данным Микроинтер для систем типа СФОТМ достигается уровень чистоты масла не хуже 00 по ГОСТ 17216-71, остаточное содержание воздуха не более 0,1%, влаги - 0,0005%. ФГУП “ЦНИИ им. академика А.Н.Крылова” для своей установки производительностью 100л/час, масло Shell ISO-32 гарантирует очистку от механических и биологических загрязнений с тонкостью фильтрации до 5 мкм - 95%. Последние модели установок FRIESS комплексно сочетают использование глубинных фильтроэлементов и электрической очистки.
Предлагаемые сегодня для объектов генерирующих компаний как отечественные, так и импортные центрифуги своими заявленными паспортными характеристиками привязаны к исходному классу чистоты гидравлической жидкости и не обеспечивают удаление механических частиц размерами менее 5 мкм. Количество же таких частиц в итоге может стать недопустимо большим. Гидравлическое масло, содержащее частички размерами менее 2 мкм активно реагирует с кислородом и обычно теряет свои рабочие характеристики за год (REISS).
Утилизация одноразовых фильтроэлементов на основе органической или неорганической бумаги, стекловолокон, полипропилена, фторопласта и пр. предполагает их сжигание.
Следует отметить технологию словацкой фирмы ECOFLUID (аналогичная применена на Запорожской АЭС - установка для регенерациии трансформаторных масел), экологически чистую за счет многократной регенерации фуллеровой земли с последующим вывозом ее для утилизации после полной отработки поставщику оборудования. При этом технология включает восстановление требуе-мого содержания ингибитора в масле и основных показателей его свежести, в т.ч. коэффициента поверхностного натяжения.
Анализ существующей ситуации очистки энергетических масел показывает отсутствие единого системного подхода к решению этой проблемы, к контролю качества масел и вследствие этого при общей кажущейся благополучной ситуации наличие серьезных проблем на отдельных объектах. Начинаются эти проблемы прежде всего с проблем контроля чистоты масел как из-за ограничений присущих используемому весовому методу так из-за проблем обеспечения реактивами и оборудованием.
Крайне актуальной является сегодня проблема отсутствия в лабораториях химических служб как расходных реактивов (присутствие воды обычно определяется тестом на медной пластине) так и современных экспресс-лабораторий для определения класса чистоты масел, а также цифровых датчиков содержания воды в масле для постоянного мониторинга и разовых проверок на работающих агрегатах. Применяемый сегодня весовой метод контроля загрязнения гидравлических жидкостей имеет ограничения по точности измерений и не позволяет определить природу и размеры загрязняющих частиц.
Следует также обратить внимание на имеющую сегодня место установку в маслосистемах турбоагрегатов разнотипных корпусов фильтров. Так на Змиевской ТЭС (ОАО Центрэнерго) фирмой Siemens на рециркуляцию на маслобак 60 тонн установлена система трех корпусов фильтров с насосом фирмы HYDAC (фильтроэлементы-сетки 20 мкм), в системе гидроподъема применены два переключаемые корпуса фильтра фирмы EPPENSTEINER (фильтроэлементы-сетки 40 мкм), в системе гидроусилителей REXROTHE на конечном участке фильтры фирмы PALL.
При этом основной ее целью будет являться сокращение потребления свежих масел, повышение чистоты эксплуатирующихся масел и самих маслосистем, увеличение межремонтного периода, а также повышение надежности работы турбо-, гидроагрегатов и трансформаторов.
Использование современного фильтрующего оборудования позволяет увеличить срок службы рабочих жидкостей в два и более раз, понизить рабочие температуры подшипников и увеличить срок их службы, обеспечивает стабильную работу систем смазки и регулирования, а также транс-форматоров. Все это в целом приводит к снижению затрат на ремонт, приобретение запасных частей, замену масел, предотвратит аварии по причинам, вызванным эксплуатацией загрязненного масла.
Исходя из анализа сложившейся ситуации с эксплуатацией энергетических масел представляется целесообразным совершенствовать ее комплексно, а именно :
1. Создать в рамках генерирующих компаний независимую постоянно действующую группу экспертов с привлечением внешних специалистов в т.ч. Минтопэнерго для контроля чистоты масел на гидро-, турбоагрегатах, трансформаторах, других объектах обособленных подразделений генери-рующих компаний, а также состояния маслохозяйств в целом, их оснащенности системами очистки масел, разработки планов модернизации маслохозяйств, подготовки технико-экономических заклю-чений по использованию того или иного маслоочистительного оборудования, представления рекомендаций и разработки нормативной документации по контролю за состоянием загрязненности энергетических масел и его очистке.
2. Оснастить химические службы АЭС, ТЭС, ГЭС современными лабораториями экспресс-анализа, цифровыми измерителями обводненности и другим необходимым оборудованием и материалами. Организовать постоянный мониторинг состояния эксплуатируемого масла.
3. Системно решать саму проблему маслоочистки для агрегатов:
3.1.Устанавить стационарные системы корпусов фильтров и напорных насосов, на рециркуляцию на главный маслобак турбоагрегата, а также на основных трубопроводах для постоянного удаления механических загрязнений. Только так возможно гарантированно поддержать требуемое качество масла и значительно продлить срок его эксплуатации. За сутки требуется фильтровать байпасно примерно 10-20 объемов масла системы. По рекомендациям фирм HYDAC, MAHLE для маслобаков объемов 30 и 60 тонн производительность напорного насоса должна быть примерно 16 м3/час, фирмы PALL - 25 м3/час.
3.2.Периодически промывать отдельные трубопроводы маслосистемы мобильными агрегатами (фильтр+насос) типа УИЦ производительностью примерно 200-300 л/мин, центрифугами непрерывной разгрузки АООТ НИТИ ТЕСАР и др.
3.3.Не применять специальные промывочные жидкости для промывки маслосистем, так как полное их удаление из этих систем невозможно, а также возникнут проблемы очистки самих этих жидкостей. Промывку маслосистем осуществлять циркулирующим в ней маслом.
3.4.Заливать свежее масло в систему только через фильтрационное оборудование.
3.5.Сочетать использование отечественного фильтрационного оборудования и высококачественного фильтрующего оборудования ведущих фирм дальнего зарубежья. Так при наличии в системе грязно-го масла класса чистоты не лучше 17 по ГОСТ 17216-71 целесообразно выполнить его первичную очистку центрифугой типа АООТ НИТИ ТЕСАР или агрегатом УИЦ, и только после этого использовать дорогостоящие одноразовые фильтроэлементы.
Комплексность подхода означает также целесообразность разработки и установки в импортные корпуса фильтров металло-сетчатых фильтроэлементов типа УИЦ 10 мкм, 25 мкм, 40 мкм, полипропиленовых фильтроэлементов до 100 мкм для предварительной очистки масел. Финишную доочистку целесообразно выполнять фильтроэлементами типа ΗYDAC.
3.6.Оснастить ремонтные цеха обособленных подразделений генерирующих компаний необходимым комплектом современного оборудования маслочистки и провести обучение персонала по его эксплуатации согласно существующим современным концепциям чистоты гидравлических жидкостей. При этом выбор приобретаемого оборудования осуществлять на основании критерия “цена-качество” как для самого оборудования, так и расходных материалов и элементов.
Для более детального обсуждения проблемы в генерирующих компаниях представляется целесообразным обязать все их обособленные подразделения представить головной организации следующую информацию за последние 3-5 лет :
- результаты анализа текущего состояния отобранных из всех систем проб гидравлических жидкостей с указанием общего объема этих жидкостей в системах, наименования жидкостей, срока их эксплу-атации,
- перечень используемых для очистки в данной системе штатных средств (адсорберы, фильтры с указанием размера ячеек этих фильтров, типа центрифуг и т.д.,),
- данные (сроки и акты выполненных работ с заключениями лабораторий химических служб) о выполнении работ по очистке гидравлических жидкостей, в том числе внешними организациями с указанием реквизитов этих организаций и применяемых ими средств очистки масла,
- данные об имевших место нарушениях, отказах, авариях систем турбоагрегатов по причине потери гидравлическими жидкостями своих эксплуатационных свойств за анализируемый период.
Литература:
1. “Об эксплуатации турбинных масел на АЭС”. Информационное письмо-требование №4566 от 16.05.2001 НАЭК “ЭНЕРГОАТОМ”.
2. “Маслосистемы турбин электростанций Украины. Анализ состояния и рекомендации. Харьковское центральное конструкторское бюро Минэнерго Украины, г.Харьков. ТИ-1205. 08.04.1998 г.”,
3. “Оборудование для очистки масла систем смазки и регулирования паровых турбин. АООТ “Ленинградский металлический завод”, г.Санкт-Петербург, 1998.”,
4. “Рекомендации по эксплуатационным очисткам энергетических масел”, М., 1996. АО “ОРГРЭС”. РАО ЕЭС России. Департамент эксплуатации энергосистем и электростанций. РАО “ЕЭС России” приказ от 23.08.99 № 307.
5. Приказ № 307 от 23.08.99. “О совершенствовании эксплуатации турбинного оборудования ТЭС”, РАО “ЕЭС России” Информационное письмо № ИП-01-27-2001.
