燃机润滑油静电现象分析与控制

2024-03-18樊刚侯东生安思远李盟

中国设备工程 2024年5期

樊刚，侯东生，安思远，李盟

（1.思肯环境科技（天津）有限公司，天津 300035；2.大唐国际发电股份有限公司北京高井热电分公司，北京 100041；3.华能北京热电有限责任公司，北京 100023）

在燃机系统润滑运行中，由于燃机润滑油属于高温干燥的运行环境，同时与系统部件有过油接触，就会发生摩擦导致静电产生。国际过滤专家就提醒过润滑油的静电现象是很危险的，但涡轮机生产厂家和燃气热电公司一直忽视了这个问题，或者认为它的危害作用很小。随着国内各种燃机快速发展和陆续安装投运，燃气轮机润滑油运行的静电现象对电厂提出更高要求。

燃机静电现象以多种方表现出来，最明显的是可听见的噪音。因为静电荷积累的放电会导致系统内部产生火花，严重影响润滑油以及油系统其他部件正常运行，引起油泥胶质物问题等次危害。如果引起轴瓦的磨损和温度升高，控制系统伺服阀的卡涩，就会导致频繁地非计划停机和检修。给燃气电厂的发电供热和设备维护带来重大损失。

1 燃机润滑油静电现象

燃机润滑油系统静电放电是一种油系统局部热降解现象。最新研究发现润滑油的静电放电也是油泥和胶质物形成的主要原因。油系统内部静电放电现象产生是润滑油和设备表面之间分子摩擦的结果。

润滑油流过管道或微孔结构时会获得电荷，当这种电荷被带往下游时称为流动电流。较低的电导率和较高的累积电荷相结合导致静电放电增加，即当电荷放电到过滤介质下游的金属表面以及下游滤芯网上，有烧痕现象时发出咔嗒声。在润滑系统的轴瓦间隙、弯管紊流区等区域形成挤爆。一旦这些静电荷沉积在油系统工作区域包括油箱内部，接着就会产生静电荷放电，就好比闪电穿过流体，造成局部的热氧化和油的降解退化。

1.1 静电引起电火花

高精度的油滤芯在燃机润滑系统高温干燥的影响下，时常伴随电火花发生。静电放电会发生在滤芯表面或者过滤器内部。如果放电到过滤器组件外壳的金属零件上，会导致外壳表面损坏和烧伤痕迹，以及其他过滤器元件损坏。

1.2 滤芯上的电火花腐蚀斑点

电火花在滤芯上静电放电，在滤芯核上的电火花腐蚀斑点就是静电放电现象的最好例证。

1.3 电火花引起的油系统和滤芯上的胶质物

静电引起的高温电火花将产生胶质物凝胶体，形态为半球或球状。这些胶质物凝胶体通过溶解和重量分析可以从滤芯切片上分离出来。

1.4 静电引起的管路滤芯穿孔

静电击穿了滤芯引起滤芯孔径的集聚增大，大的颗粒污染物不能被收集拦截，又回流到了油箱和轴瓦系统。对系统轴瓦和控制系统形成严重影响。

2 燃机润滑油产生静电原因

在燃机润滑系统中，静电电荷的产生是由于润滑油与燃机系统各部件之间摩擦引起的。电荷的产生发生在油系统中任何2 种不同材料界面的分子水平上，因此在燃机润滑油中会产生静电荷。电荷的大小取决于许多相互关联的因素。

2.1 油系统中的摩擦材料

润滑油从油管路和过滤器内部流过，微米级的高精度滤芯以及过高的流速，导致润滑油在流动中与过滤材料剧烈摩擦引起静电。循环的油液和颗粒物产生静电。摩擦静电现象是电荷的极性和2 种摩擦材料产生电荷的表现。

表1 磨擦材料静电电荷

润滑系统密封橡胶件、管路过滤器、油泵过滤器、油箱旁路聚结分离式净油机等纤维过滤滤芯和聚结分离脱水滤芯，大多由非导电材料制成。生成的电荷可能是正电荷，也可能是负电荷，具体取决于过滤材料和润滑油材料的本身电荷。其中燃机油路系统钢和铁等少数材料是中性的。

2.2 燃机润滑油系统内部干燥和高温的运行环境

根据对燃机生产厂家GE、西门子、三菱等燃机的运行参数总结，同时在华能、大唐、京能等主流燃气热电厂的调查分析，燃机润滑油系统整体运行温度在70～75℃，处于高温运行状态。同时跟踪分析了润滑油在夏天和冬天的水分含量，经过多年大量的检测数据表明，燃机润滑油温的水分含量常年维持在5～50PPM。燃机润滑油系统呈现的特征则是绝缘性强的电阻率和低的电导率。检测数据反复证明高温和干燥的润滑油运行环境，容易引起大量静电的产生。

2.3 其他方面的原因

（1）油箱小、循环快、净化速率快、油温低、粘度高都会引起静电电荷的积累。（2）润滑油系统的塑料、皮毛等也是加速静电放电的来源。（3）燃机润滑油内部溶解的空气也影响静电的产生。

3 燃机润滑油静电的危害

燃机润滑油系统在运行中，受到流速、过滤、摩擦、高温等综合影响,当静电荷的产生速度高于静电荷的泄漏速度,就会造成静电荷沉积。同时已产生的极性物质，如胶质油泥，不仅加速酸值升高，加速氧化，也加速累积了过多沉积的静电荷。

3.1 润滑油中内部空气导致轴瓦和齿轮的点蚀

油系统含有气泡或者油中含有大量溶解性的空气，同时快速流动配合静电放电后，导致轴瓦和燃机齿轮的点蚀。严重时引起轴瓦的磨损和腐蚀。

3.2 管路滤芯的堵塞引起管路压差迅速升高

油系统的电荷将向下游传输，如果积累了足够的电荷，则润滑油可以排放到过滤系统的导电区域。导致高温降解的胶质物和积碳在非导电材料的表面快速聚集粘附，堵塞滤芯。实践表明北方多个燃气电厂燃气机组在停止运行带有静电技术的净油机后，管路压差迅速升高，随时都有引起停机的风险。

3.3 静电引起的漆膜在轴瓦表面的沉积

油系统中的静电结合自身氧化，高温热降解润滑油，系统于是产生了大量油泥胶质物。漆膜胶质物沉积在轴瓦表面，破坏轴瓦间隙引起瓦温升高和振动。

3.4 导致控制系统伺服阀滤芯堵塞

静电引起的油泥胶质物堵塞伺服阀滤芯，导致供油压力不稳定。同时伺服阀线轴等部件被粘附沉积的漆膜等导致卡涩，伺服阀跳动严重情况下引起跳机。

4 燃机润滑油的电导率和影响因素

4.1 润滑油的电导率

润滑油的电导率呈现了油液产生静电的难易程度。影响润滑油电导率的因素有润滑油使用的基础油种类、添加剂的种类、颗粒、金属粉末等，都会影响润滑油的电导率。润滑油的电导率单位为pS/m（皮西门子/米）。润滑油的电导率越高越不容易产生静电。润滑油基础油的电导率比较，如表2 所示。

表2 润滑油在23℃时的电导率数据

表2 中燃机润滑油基础油不一样，电导率也不一样。电导率低意味着所产生的电荷可能无法快速充分消散，从而提高了累积电荷水平，因此增加了放电的可能性。

4.2 燃机润滑油的基础油与电导率关系

燃机润滑油的基础油精炼程度越高，极性越弱，油的导电性相对较弱，更容易产生静电。

4.3 润滑油的添加剂与电导率关系

润滑油在调和生产中，需要在基础油里加入添加剂，增强润滑油的综合性能。但也会使润滑油的电导率有所改变。

4.4 润滑油运行中的油温与电导率关系

润滑油的电导率与温度紧密关联。对于同一种品牌型号的燃机润滑油，随着机组润滑油运行温度升高，润滑油的电导率跟着升高。不同的润滑油在温度升高时，电导率的增加曲线不同。

在调峰和检修时，油温从75℃逐步降低到40℃常温时，系统会产生更多静电。由于油温降低，逐步更换管路滤芯时，发出噼里啪啦的放电声音。GE9F 燃机和西门子SGT5-4000F 燃机在检修时，由于管路油温下降37℃以下，润滑油电导率下降导致更多的静电沉积释放，在更换滤芯时证明了这一点。

4.5 润滑油运行中的颗粒清洁度与电导率关系

颗粒清洁度好的燃机润滑油电导率是较低的，在常温下绝缘性更好。越好的清洁度，绝缘性越好，也会导致静电累积越高。润滑油在运行中需要保持更好的清洁度指标，但是油系统中通过元素分析含有金属元素极性颗粒，就会明显改变和提高润滑油的电导率。在静电与清洁度选择上，需要可以找到平衡。需要在处理好清洁度的条件下，考虑静电问题。静电的消除不能单靠含有金属颗粒的物质维持。

4.6 润滑油的电导率和流量关系

润滑油在燃机系统循环中的油量越多、流速过快，引起油液在流动中与系统部件摩擦的越剧烈。由于电导率越低，产生的静电越强，电荷的产生通常随着流量的增加而增加。

4.7 燃机润滑油电导率的检测

润滑油电导率的检测标准参照 ASTM-D2624，需要经常检测润滑油的电导率，避免静电放电带来的危害。考虑到温度的影响，在20℃检测电导率是合适的条件，电导率在大于400pS/m 时，整个润滑系统就不容易遭受静电危害。

一般的手持式电导率传感器需要符合ASTM D2624 的要求。专门设计用于测试低电导率流体，该分析仪可以测量0～2000pS/m 之间的电导率，目前优化并且通常在0～500pS/m 范围内使用。电导率分析仪由热稳定的内部电子元件和同轴电极传感器构成，但精确测量灵敏度和检测方法，以及准确性仍需不断加强研发。

5 燃机润滑油静电预防控制

燃机润滑油静电对燃机稳定运行是有危害的，困扰管理者如何采取措施消除静电。通过对静电原因分析和检测方法的阐述总结，提出以下有效控制方法。

5.1 改善润滑运行工艺条件

(1)避免润滑油干燥，可以在回油管路加装微型工业加湿器，适当保持一定的潮湿度。但使用一定要慎重，每天要定期检查，控制水分流量。(2)适当降低润滑油泵流速，降低润滑油在循环流动中的摩擦。(3)改用不易产生静电的材料，减少橡胶和塑料密封圈等使用。(4)管路系统的所有金属件，以及保护套的金属包覆层等都应接地。(5)油箱和在线过滤器、净油机等都需接地，以减轻静电电荷积聚的风险。