合成润滑油在发电行业的应用及净化处理

合成润滑油在发电行业的应用及净化处理

安毅坤 严涛 谢佳林

西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054

摘要：介绍了合成润滑油的种类和特性，着重介绍了聚磷酸酯在火力发电行业以及聚α-烯烃油在风力发电行业的应用及其在使用过程中存在的油质问题及其净化处理技术。

关键词：合成润滑油；磷酸酯；聚α-烯烃；火力发电；抗燃油；风力发电；增速齿轮箱

1 合成润滑油的种类及其特点

合成润滑油是通过有机合成方式制备的具有一定特殊结构和性能的润滑油。不同于矿物油——不同化学结构的烃类化合物的混合物——合成润滑油的每一个品种都是单一的纯物质或其同系物的混合物，其结构更单一。美国材料试验学会根据合成润滑油不同基础油的化学结构将其分为三大类：第一类是合成烃类润滑油，包括聚α-烯烃油、烷基苯、聚丁烯、合成环烷烃；第二类是有机酯类，例如双酯、多元醇酯、聚酯；第三类是其他和合成油，例如聚醚、磷酸酯、硅油、硅酸酯、卤代烃、聚苯醚等。

通过在构成合成润滑油的碳氢元素上引入不同种类的官能团可以使合成润滑油具有不同的特性。与矿物油相比合成油具有一系列的优点，例如具有良好的耐高温性能、良好的低温性能及粘温特性、难燃性、阻燃性、优良的化学性能和防辐射性能等^[1]。

2 合成润滑油在发电行业的主要应用

合成润滑油在发电行业中作为各种机械设备的润滑介质或液压系统能量的传递介质被广泛使用。磷酸酯抗燃油在火力发电行业主要作为汽轮发电机组调速系统工作介质来使用，每台火力发电机组的磷酸酯抗燃油用量为约为1000~1500 L。聚α-烯烃润滑油用作风力发电机组增速出轮箱的润滑介质和变桨、偏航液压系统的工作介质，每台风电机组增速齿轮箱中聚α-烯烃润滑油用量约为240~550L。

2.1 磷酸酯在火力发电行业的应用

现代大型火力发电机组为提高发电效率，其主蒸汽温度普遍在540℃以上，甚至高达656℃，远远高于矿物润滑油的自燃点，而且汽轮机调节系统的工作压力高达15Mpa，一旦发生润滑油泄漏喷溅到裸露的蒸汽管道上很容易导致火灾，因此为了提高防火性能，汽轮机调节系统普遍采用阻燃性能好的磷酸酯作为工作介质。

难燃性是磷酸酯最突出的特性之一，在极高的温度下磷酸酯也可以燃烧，但它不能传播火焰，具有自熄性。火电厂普遍使用的是三芳基磷酸酯，自燃点要求不小于530 ℃。磷酸酯的水解稳定性较差，易发生自催化水解。磷酸酯的水解安定性不仅取决于其分子量, 而且取决于分子结构。当芳基上的甲基位于邻位时, 其水解安定性比位于间位和对位的低得多。磷酸酯的水解产物为酸性磷酸酯。酸性磷酸酯氧化后会产生沉淀, 同时它又是磷酸酯进一步水解的催化剂。因此电厂用三芳基磷酸酯的水分含量要求控制在1000 mg/L 以内。

磷酸酯作为火力发电机组汽轮机调节系统的工作介质，其性能关系到整个汽轮发电机组的安全运行，因此除了要保证自燃点和水分合格以外，还要控制颗粒度、酸值、电阻率、泡沫特性等各项能反应其本身质量和系统运行状态的理化指标^[2]。

2.2 聚α-烯烃油在风力发电行业中的应用

增速齿轮箱是非直驱水平轴风力发电机组的核心部件，其主要作用是将风轮在风力作用下产生的动力传递给发电机并使其得到相应的转速。由于风力发电机组长期受无规律变向负荷风力的作用以及强阵风的冲击，常年经受极端温差的影响，因此要求齿轮润滑油除应具有良好的极压抗磨性能、热氧化稳定性、水解安定性、抗乳化性能外，还应具有良好的粘温性能、低温流动性能以及较长的使用寿命^[3]。

为满足风电机组增速齿轮箱润滑油的性能要求，目前各风电主机厂家均采用320号聚α-烯烃油作为增速齿轮箱润滑油。聚α-烯烃油是合成烃润滑油中用量最大的品种,也是合成油中性能比较全面优良的油品，它是由α-烯烃在催化剂作用下聚合, 经后处理、蒸馏、加氢而获得的一类具有比较规则的长链烷烃。

聚α-烯烃油具有优良的物理性能，与同粘度矿物油相比, 具有液体范围宽、粘温性能好、倾点低、粘度指数高、蒸发损失小等优点。研究数据表明:各种碳数α-烯烃的三聚体和四聚体都具有较高的粘度指数、较低的倾点和低温粘度，尤其是C8-C12的α-烯烃的三聚体和四聚体最适宜制备性能优良的润滑油。

美国FrontierPro公司的研究表明，增速齿轮箱失效是风电机组停机、维修和发电量损失的最大原因，因此针对风力发电机组的运转特点，要积极提高齿轮箱润滑维护水平，加强齿轮箱润滑油的监测工作，提高风力发电机组运转的可靠性。

3 聚磷酸酯和聚α-烯烃油的净化处理

润滑油使用过程中，在氧气，压力和温度以及催化剂等因素的作用下会发生劣化变质，其分子结构本身及油品中的添加剂会发生聚合、缩合、分解、水解、形成金属离子络合物等化学反应，从而导致性能指标发生变化，例如酸值升高，粘度变化，颜色加深，泡沫增多等。同时金属部件的磨损、灰尘的侵入或者橡胶密封部件的破损等都会导致其清洁度恶化，从而影响润滑油的使用效果。另外由于油品吸潮、冷却水泄漏或者外部水分侵入都会导致其水分含量不合格。因此在润滑油使用过程中需要对其进行净化处理，以保证其各项性能指标均在合格范围内，满足设备的使用要求，确保系统安全运行，防止事故发生。

3.1 油品净化方式

润滑油的净化处理主要有回收集中处理和单台设备就地处理两种方式。火力发电机组所用的聚磷酸酯抗燃油普遍采用单台设备就地处理技术，该方式无需换油，不影响汽轮机调节系统正常工作。另外，在油品净化过程中还可对整个系统的管路和油箱进行冲洗，防止劣化产物残留。

风力发电机组增速齿轮箱所用的聚α-烯烃润滑如果是批量变质失效，可以在换油回收后进行集中净化处理，处理合格后的润滑油可以作为备用油在后续的换油工作中正常使用。如果是少数机组润滑油指标不合格则可以采用单台风机润滑油就地净化处理的方式，处理合格后的润滑油直接注入增速齿轮箱继续使用。

3.2 油品净化方法

油品中的水分和颗粒物一般采用物理方法即可进行净化处理，一般而言脱除油中的水分主要有离心脱水、真空蒸发脱水、吸附脱水这三种方法，但是因为聚磷酸酯的密度比水大，因此实际应用不能采用离心脱水的方法。油品中的颗粒物一般通过精密滤芯进行过滤即可去除，为延长滤芯使用寿命、提高过滤效果，普遍采用两级过滤的方式进行净化处理，这样既能对油中的颗粒进行有效拦截也能防止精密滤芯频繁堵塞。

4 结语

基础油或添加剂劣化变质会发生分子结构的改变导致其理化性能发生变化，最终表现为润滑油颜色加深，酸值升高，泡沫增大，漆膜指数增大，生成油泥等现象，这种情况下采用普通过滤的方法并不能使其性能恢复到原有状态。酸值升高的问题可通过离子交换树脂来进行置换或者采用极性材料进行吸附处理，但是因为离子交换树脂在去除酸的过程中会产生水，还需要结合脱水设备同时使用。油品颜色加深，泡沫增大，漆膜指数增大，生成油泥等问题只能通过采用极性材料吸附的方式将油品中劣化变质的产物去除从而使性能指标得以恢复。

参考文献：

[1]唐俊杰.合成润滑油基础知识讲座之一[J].润滑油(05):61-66.

[2]DL_T_571-2014电厂用磷酸酯抗燃油运行维护导则[S].

[3]方志翔,唐芳宁.风电齿轮箱润滑油应用研究[J].机械工程与自动化,2019(2).

作者简介：安毅坤（AN YI KUN）,1986年，男，汉族、陕西西安，学士，工程师，2011年毕业于陕西科技大学，现就职于西安热工研究院有限公司，主要从事电力用油再生处理技术研究，处理油质异常案例80多件。