（化工过程机械专业论文）油水聚结分离技术的理论与实验研究.pdf

北京化工大学硕士学位论文 油一水聚结分离技术的理论与实验研究 摘要 承是漓滚系统中较为普遍的一种污染物。针对各种油液的水污染问题，入们 开发了多种多样的油一水分离技术。在诸多的油一水分离方法中，聚结方法具有除 水效率高、成本低、能耗低、设备维护方便等优点因而得到了广泛的应用。本 文试图对聚结法脱水梳理做一些理论上的探讨，并设计制作聚结分离装置，对影 响汽轮机油聚结脱水效果的诸多因素进行试验研究，以期对聚结脱水设备的设计 制造与运行维护提供一些具有参考价值的结论。 本文应用自行设计镯作的聚结分离装置，以3 0 汽轮机油为例，综合考虑工 作温度、系统流量、初始含水量等因素，用试验的方法来研究各个因索对脱水效 果的具体影响程度，并从中总结出具有普遍性意义的聚结过程和分离过程的作用 机理。 本文根据a p i ，【p 1 5 8 2 规范，详细分析了聚结罐体内部的流场，并对聚结罐 体内部的设计与滤芯布置进行了优化。本文设计和编制了基于工控计算机和数据 采集卡的自动控制程序，实现了自动控制与手动控制的互补操作。 本文通过试验数据详细探讨了聚结分离过程的作用机理。无论是在理论研究 方面还是工程实践方面都具有一定韵创新，特别是在能源目益紧张的今天，论文 研究更具有重要的现实意义。 关键词：油水分离，聚结，汽轮机油，脱水 北京化工大学硕士学位论文 t h es t u d yo nt h eo i l - w a t e rc o a l e s c e n c es e p a r a t i o n i e c h n i q u e a b s t r a c t w a t e ri sac o m m o nc o m 锄i l l a t i o ni no i ls y s t e m t bs o l v c 血e s ev a r i o l l sp r o b l e m s c o m i t l g 龀i mw a t e rc o n t a l i l i l l a d o n ，m 舳yk i n d so fo i l - w a t e rs 印甜a t i o nt e c l l l l i q u e s k l v e b e e nd e v e i o p e d a m o n g 也e s et e c h n i q u e s ，c o a l e s c e n c em e m o dh a sl o t so f a d v a m a g c s ，s l l c ha sh i g hp e r f b m 瑚c eo fd e h y d 枷o n ，l o wc o s t l o we n e r g yc o s t ， c o n v e n i e n tf o rm a i n t e n 柚卸de t c ，s oi th a sb e e n 啪e dm m a n yi n d u 蚰j a lf i e l d s t h i sd i s s e i t a t i o nt r i e st od i s c u 靼t i l ep f i n c i p l eo fe o a l e s c e n c e ，b u i l d sal a b o f 渤f y a p p a r a t u sa n dd e s i g n sa n 口( p e r i m e n 枷o nt os e a r c ht l l ef a c t o r s 也a ti l l n u e n c em e p e d c eo fd e h y d 枷o n s ow ec 锄m a k ep i e c e so fs u g g e s t i o n sf o ro t l l e r e n g i n r so ro p e r a t o r s a p p l i l l gt 1 1 i sc o a l e s c e n c ea p p 唧t i l s 、】v i m3 衅t l l l b i n eo i l ，d e s i 弘i n ge x p e r i m c n t a t i o n t 0s t l l d yo nt l l ef 配t o 船t l l a ti n f l u e n c e 血ep e r f o r n l 锄c eo fd e h y d r a t i o n ，s u c ha s t e m p e r a t u f e ，f l l l ) 【，i l l i 髓a lw 越e rc o n t e l 健i no i l n i i sd i s s e r 纽t i o 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c e ，t u r b i n eo i l ，d e h y d m t i o n 北京化工大学 学位论文原创性声明 y8 8 2 1 9 8 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 鸺职 z 卯年石月伸日 北京化工大学顿士学位论文 1 1 论文选题的目的意义 第一章概述 水是油液系统中较为普遍的一种污染物。水在油液中一般有三种存在形式： 自由水、乳化水和溶解水。自由水是指沉降在油液底部的水，水与油之间存在明 显层间分界面。其与油的分离最容易，一般在容器底部设置孔口将水放出即可。 乳化水则是均匀分散在油中的处于悬浮状态的微小水滴，一般无法自动沉降，需 要采用一定的脱水设备才能实现油水的分离。溶解水指的是溶解在油液中的水分 子。油液中的溶解水含量一般与油液的性质及外部条件( 温度、压力等) 有关， 通常比较小【j 】。含有溶解水的油，其使用性能和纯净的油液基本没有区别，通常不 用去除或不必考虑。自由水和乳化永统称为非溶解水，非溶解水对于油液使用效 果的破坏性要远远高于溶解水，其中乳化水是比较难于分离的。油液中的乳化水， 其乳化的稳定性和油液的粘度关系密切，油液的粘度越高。乳化水越难于分离p 】。 燃料油中含水量高，会阻碍燃烧，使其达不到正常的燃烧值。航空燃料油对 含水量的要求更高，地面温度下一般要求含水量在】5 p p m 以下喇。因为在飞机飞行 过程中航空燃料油的滴度般大大低于摄氏零度，油中的溶解水会部分析出，可 能导致冰粒的出现，阻碍油液的正常传输，引起发动机的空中熄火，造成机毁人 亡的恶性事故。传动油和润滑油中含水量商，则会造成油液过早老化、元件腐蚀 损坏等问题。美国电力研究学会1 9 8 6 年的调查报告显示，汽轮机轴承和转子失效 造成的工业损失，其估算值为每年1 5 亿美元。大约有1 3 的这种失效，是由于润 滑油的污染( 水和固体颗粒) 而导致的润滑系统组件损坏i l 】。 针对各种油液的水污染问题，人们开发了多种多样的油水分离技术。在诸多 的油一水分离方法中，聚结法具有除水效率高、成本低、能耗低、设备维护方便等 优点，因而得到了广泛的应用。在燃料油、传动油、润滑油等各种油液中，汽轮 机油的粘度较高，脱水比较困难f ”。针对这一问题本文试图对聚结法脱水机理做 一些理论上的探讨并设计制作聚结分离装置，对影响汽轮机油聚结脱水效果的 诸多因素进行试验研究，以期对聚结脱水设备的设计制造与运行维护提供一些具 有参考价值的结论。由此可见，本论文无论在理论上还是在工程实践上都具有一 有参考价值的结论。由此可见，本论文无论在理论上还是在工程实践上都具有一 北京化工大学硕士学位论文 定的意义，特别是在能源日益紧张的今天，论文更具有重要的现实意义。 1 2 油液水污染的危害和原因 1 2 1 油液水污染的危害 水污染不但给各种油液的性能带来严重影响，而且直接威胁到元件和系统的 安全运行f1 】【3 】【4 】。概括起来，油液水污染的危害主要有以下方面。 ( 1 ) ，加速油液的氧化。特别是在有铁、铜、锰等属微粒存在的情况下，水会使 油液迅速氧化( 氧化速度是正常速度的几十倍) ，生成粘稠状的复合物，俗称油泥。 ( 2 ) 增加酸值，使油液中的添加剂析出。水能分解油液中的某些添加剂形成 能腐蚀金属表面的酸，使酸值增加。 ( 3 ) 降低油液粘度，使润滑或传动失效。 ( 4 ) 大气中含有的s o 。c 0 2 、h 。s 等腐蚀性气体，易于被水溶解从而进入油液系 统，引工作零件的腐蚀，加速元件损坏。 ( 5 ) 油液中的水如果气化，则容易造成润滑元件和传动元件的气蚀。 ( 6 ) 水是微生物滋生的温床。微生物在含有非溶解水的油液中滋生，产生一 连串的危害。 ( 7 ) 含水的油液不利于油液中的抗静电添加剂发挥作用，在高速运输油液的 过程中有可能和非金属管道摩擦，产生并聚集自由电荷，有易燃易爆的倾向， ( 8 ) 油液中的水会在低温情况下结冰，严重影响油液的润滑、传动效果，甚 至造成油路的堵塞和系统的失效。 1 2 2 油液水污染的来源 ( 1 ) 油液一般存储在的贮油罐中，环境的温度变化会导致大气中的水分子通 过溶解一析出的方式进入油液中。在温度高的时段，水在油液中的溶解度提高，空 气中的水被溶解到油液中来；而在温度低的时段，水在油液中的溶解度降低，油 液中的部分溶解水又会析出沉降。这种过程日复一日地进行，使得油罐中进入大 量的水。 ( 2 ) 油液的输送一般采用轮船、油罐车和管线传输等方式，轮船的压舱水和 北京化工大学硕士学位论文 油罐车的清洗水难免混入油液之中。 ( 3 ) 油液的敞口式加注会将空气中的水分带入油中。这一点在海上用油设备 的油液加注过程中尤为突出。 ( 4 ) 在某些润滑或传动系统中，水会通过磨损的密封元件或冷却器的泄漏而 进入油液之中。 由于上述原因的存在，实际上无法避免油含有一定的水污染物 4 l 7 】。 1 3 常用的油一水分离方法 常用的油水分离方法有：重力分离，离心分离，真空脱水，吸附和吸收，膜 分离。超声波分离以及聚结分离【2 】【8 l 【9 1 。 ( 1 ) ，重力分离法。即重力沉淀，是初级处理方法，它利用油和水的密度差及油 和水的不相溶性，在静止或低速流动状态下实现水滴与油液的分离。重力沉淀可去 除油液中的大部分自由水以达到初步除水的目的。分散在油液中的水滴在重力作 用下缓慢下沉，水滴下沉的速度取决于永滴的大小、油与水的密度差、流动状态及 油滴的枯度等。其关系可用s t o k e s 公式来描述。含水浓度较大的油液一般使用 重力分离法处理。从使用情况来看，重力沉淀的主要设备有除水罐、除水池等，需 要很大的容器和很低的流速。 ( 2 ) 离心分离法。离心分离法是使装有油水混合液的容器高速旋转，形成离 心力场实现油水分离，常用设备是旋流分离器。旋流分离器在液一固分离方面的应 用始于1 9 世纪年代，现在较为成熟，但在油水分离领域的研究要晚得多。虽然 液一固分离与液液分离的基本原理相同，但二者的几何结构应该有很大的差别。 旋流分离器起源于英国，早期的双锥型旋流分离器，现在发展为与双锥型具有相同 分离性能但处理量要高出一倍的单锥型旋流分离器。由于国内的相关研究起步晚、 起点低且缺乏系统性的研究，旋流分离技术在国内还没有全面推广。国内有研究 报道的离心法油一水分离效率仅为4 5 左右。 ( 3 ) 真空脱水。真空脱水是指由于油和水的沸点不同，可以通过真空蒸馏的 方法使二者分离。这种方法可以去除自由水、乳化水和溶解水，但需要在真空下 将润滑油加热到水的沸点故而能耗很高。真空脱水的设备一般容量较小，处理 效率较低。 北京化工大学硕士学位论文 ( 4 ) 吸附和吸收。吸附是物理的方法，吸收则包含化学反应的过程。油和水 可以在亲水性介质构成的组织中分离开来，使用这种方法除水，称作吸附，淀粉 或者某些吸水聚合物都可以作为亲水性介质。吸收则是指油液中的水能和某些材 料反应，形成易于分离的其它化合物，使用这些材料作为过滤介质可以除去油液 中的水，使用亲水性介质或者能与水反应的材料可以除去油中的自由水和乳化水， 这种方法能够把油液中的水污染物降低到相当小的浓度。但是，介质的饱和量决 定了它的使用寿命有限，需要经常更换吸附和吸收介质，成本较高。 ( 5 ) ，膜分离法。乳化水处于稳定状态时，用物理方法或者化学方法很难将其 分离，这时可以采用膜分离法来处理。膜分离法是利用多孔薄膜的亲油性或亲水 性，通过筛分、膜分相、反渗透或者超渗透原理将液液分散体系中的油和水分开。 如果要求的除水精度高，还可以利用更高精度的膜将溶解水去除。但处理速度慢、 膜的使用寿命低是膜分离法的技术难题。 ( 6 ) 超声波分离法。超声波( 频率一般为2 1 0 4 5 1 0 8 h z ) 在油水混合液中可 以产生凝聚、空穴或空化效应。当超声波通过混合液时，会造成微小水滴的振动。 由于大小不同的粒子具有不同的相对振动速度，水滴将会相互碰撞、粘合，水滴的 体积逐渐增大。增大后的水滴会重力下沉，达到分离的目的。 ( 7 ) 聚结分离法。这是本文研究的除水方法，其工作原理下文有详细介绍。 与上述方法比较，聚结法比重力沉降法具有更高的除水效率，可以有效去除乳化 水，且不需要大尺寸的容器设备。和离心法相比，聚结法的运行成本与维护费用 都较低。与真空脱水、超声波分离法摆比。聚结法的能耗较低，覆且处理能力较 大【l h 6 】。与吸附和吸收、膜分离法相比，不需要频繁更换介质或者膜，成本较低， 除水精度虽然不如前两者，但是去除油液中的乳化水效果也是相当好的，经过试 验证明足以满足大部分油一水分离的榜度要求。 上述方法的适用范围各不相同，实际使用过程中应针对不同的情况进行研究， 以确定适合的脱水方法。 1 4 聚结分离法应用现状 聚结分离法，有的文献也称为租粒化聚结。它利用聚结材料的亲水性质，使 细小的水滴在其表面聚附形成较大水滴，在重力和油液流动的冲击力作用下，粒径 北京化工大学硕士学位论文 增大的水滴脱离聚结材料表面而下沉。经过聚结处理后的油液，其添加剂含量及 原始性质基本不发生改变【2 】【4 l 。 聚结分离的过程包括三个阶段：预过滤、聚结和分离。 预过滤阶段是为了去除固体颗粒以优化聚结的效果，并大大延长聚结滤芯的 寿命。这一过程多使用在聚结分离之前，使油液先通过一个由孔径较大的滤材制 作的滤芯，达到预过滤的作用。 聚结和分离通常在一个罐体中分别安装两种不同的滤芯来实现。聚结分离过 程示意如图1 1 所示。 出油口 进油口 图1 1 聚结分离过程示意图 聚结阶段的机制是，微小的水滴粘附在聚结滤芯的纤维介质上，液流推动小 水滴汇聚在纤维的交叉点，聚结形成更大的水滴。 分离阶段是指聚结后形成的大水滴随着油液流向用憎水材料做成的筛网，油 可阻穿透筛网，大水滴被筛网阻挡并沉降到聚结分离器的底部【7 】。 影响聚结滤芯除水效率的参数主要有：表面张力、粘度、温度、表面活性剂、 分散水滴的尺寸和相对密度。d a “s 和r i d e a l 在1 9 6 3 年发表了关于乳化液中的球 形液滴在聚结过程中的扩散控制表达式【1 】： 箸：等e 一鲁一一 = 一p = 爿p u d 丁 3 刀 v 7 其中 北京化工大学硕士学位论文 矿液滴的平均体积( 锄3 ) ， 玻尔兹曼常数， 一每一个具体系统的常数称为“碰撞因子”， e 聚结过程的能量屏障( k j ) ， 口动力粘度( c p ) ， f 绝对温度( k ) 。 界面张力描述了两相之间对自己相分的引力。由于乳状液具有很大的界面面 积，界面张力的减小会降低乳状液向着聚结发展的驱动力，也就是提高了乳化的 稳定性。因此，界面张力越高就越有利于聚结过程的进行。增加油相的粘度”会 降低水滴的分散系数d ，这些影响体现在如下的公式，称作爱因斯坦方程： d = 七撕，( 2 ) 其中，d 水滴的分散系数( c m 2 s 。c ) ， _ 连续相的动力粘度( c p ) ， 七玻尔兹曼常数， 7 1 绝对温度( 鼬， r 水滴的半径，( c m ) 。 当扩散率降低时，水滴的碰撞频率也随之降低，亦即聚结的发生率降低，这 种影响可以从公式( 1 ) 看出。通常，油液的粘度会随着温度的升高而显著降低，所 以温度的升高会降低乳化的稳定性从而提高聚结率。然而，温度的升高会增加水 在油液里的溶解度( 例如。某种透平油在室温下对水的溶解度约为5 0 p p m ，1 1 5 0 f 时增加为9 0 p p m ，1 6 0 。f 时则为2 0 0 p p m ) 。溶解在油液中的水无法通过聚结方法 分离出来，也就是说温度的升高也会给聚结分离过程带来不利因素。因此，从去 除油液中总体含水量的角度考虑，聚结脱水的效果存在着合适的温度范围。 如果油里含有表面活性剂，则会使乳化液变得更稳定。表面活性剂被液液界 面吸收，极性基团朝向水，非极性基团则朝向油，形成定向界面膜。这种定向膜 减小了界面张力，在热力学上增加了乳化液的稳定性；在液滴周围形成了一种能 量屏障，增加了水滴的抗震荡能力，提高了水滴之间的排斥力，阻碍了在水滴相 互碰撞的过程中相互聚结，在动力学上降低了聚结效率。表面活性剂对聚结效率 的影响可以用公式( 1 ) 来定量的估算，式中能量屏障e 就代表表面活性剂对聚结效率 的影响。界面张力越低，则e 值越大，越不利于聚结【1 2 l 。 北京化工丈学硕士学位论文 分散相尺寸越小，乳化液越稳定。在油液除水的过程中，分散相是乳化的水 滴，大小一致的乳化水比大小不均的乳化水更稳定。表面活性剂则可以导致微乳 化( 水滴尺寸在0 o l o 2 u 之间) ，这种情况下的水更加难以去除【”。 另外，油和水的相对密度对于聚结过程中的水滴沉降也有重要意义。通常油 液的密度比水小，两者密度相差越大就越有利于水滴从油液中分离出来【2 0 1 。 水滴同聚结纤维层的相互作用主要有三种情况：截获( 运动的微小水滴直接同 纤维接触) 、布朗扩散和惯性碰撞。重力、静电电荷和范德华力均会对这三种相互 作用施加影响。水滴在这些作用下与纤维接触时，它们之间滞留有油膜。但聚结纤 维层是亲水物质，水滴可以从纤维上将油膜置换并使纤维湿润，使水滴粘附于纤维 之上。水滴在纤维上的粘附效率取决于纤维表面的接触角、纤维直径以及水滴的 粒度。接触角越小，纤维的直径越小，水漉的粒度越大。水滴就越易在纤维表蕊粘 附。根据表面自由能减少的原则，水滴在润湿纤维后将聚结长大，聚结的方式有两 种：一是水滴在纤维表面聚结，二是水滴在纤维孔隙的聚结。当水滴达到一定的粒 度时，在油液流动力作用下，水滴从纤维表面脱离或沿着纤维向翦流动，并在纤维 层间形成水道。油液流过多层纤维介质后，在重力和流动的冲击力共同作用下，水 滴从纤维表面脱落f 2 5 】。 1 5 存在的问题与本文研究的内容 ( 1 ) 聚结脱水试验装置蛇优化设计。 目前市场上的聚结脱水装置种类繁多，虽然采用的原理相同，但是其除水效 果、易用性等方面存在很多不足之处。特别是大多数聚结脱水产品，是根据经验 来设计的，缺乏或者根本没有理论依据。无法量亿控制，浪费滤芯的处理性能或 者处理能力不足。针对这种状况，本文试图对聚结脱水装置进行优化设计，并根 据试验结果，进行机理分析，期望对以后的聚结脱水装置设计作出理论上的指导 作用。 ( 2 ) 聚结脱水效果的影响因素。 影响聚结过程的因素到底有哪些，这些影响因素是如何产生作用的，前人的 研究对这些影响舀素的看法莫衷一是，总结出来的聚结脱水理论也是纷繁复杂。 苎塞! 兰三奎兰堡圭堂垂堡苎 本文通过试验考察温度、系统流量、油液初始含水量、滤芯压差等因素对聚结效 果的量化影响，根据试验数据详细分析影响聚结效果的因素。 ( 3 ) 聚结过程的机理。 在前人的许多研究中，并没有对聚结过程给出一个普遍被认可的作用。本文 依据试验，详细讨论聚结过程的作用机理，并利用所建立的聚绪过程机理，分析 聚结分离装置除水效果的影响因素。 ( 4 ) + 分离过程的机理。 同样，前人的研究工作在分离过程的机理方面也存在很多分歧。没有一个统 一而合理的理论模型。本文依据试验及理论分析，详细讨论分离过程的作用机理， 量化影响分离过程的因素。 ( 5 ) 自动控制系统的改进设计。 本次设计的聚结脱水装置，无论作为试验装置还是实际产品，都需要一套稳 定可靠、方便快捷的控制系统来完成操作过程。本文结合聚结脱水过程的影响因 素，对装置的控制系统重新进行了设计。不但继承了以往聚结脱水装置控制系统 的各种功能，而且创新性的实现了自动手动互补控制、手机短信报警、滤芯寿命 预测等实用功能。 北京化工人学硕士学位论j l 第二章聚结分离装置的设计与制作 2 1 聚结分离装置的原理 聚结分离装置是利用聚结分离的方法去除油液中的非溶解承以及固体颗粒污 染物的装置。其原理是将油液泵入一系列过滤、聚结、分离滤芯，使固体颗粒污 染物和非溶解水逐步从油液中脱离出来1 2 ”，原理图如图2 1 所示。 8 1 吸油过滤器 2 真空袭 3 电机 4 摆线象 5 入口取样阀 6 压力袭l 7 一缎过滤器 8 压力最2 9 温度计 图2 1 聚结分离装置系统原理图 1 0 聚结器 l i 放水球阀 1 2 电动放水闽 1 3 压力衰3 1 4 水位计 1 5 压力表4 1 6 二级过滤器 1 7 出口取样阀 吸油过滤器( 1 ) 的滤芯材料孔径比较丈，其作用是去除油液中的尺寸较大的固 体颗粒污染物，保护油泵( 4 ) 安全工作。 位于吸油过滤器和油泵( 4 ) 之间的真空表( 2 ) ，是测试吸油过滤器是否通畅的元 件。如果真空表的压力值超标，则应该更换吸油过滤器的滤芯。 油液流经油泵之后通过一级过滤器( 7 ) ，该过滤器去除油液中的固体颗粒污染 物，以提高后面聚结滤芯的除水效率，并增加聚结滤芯的工作寿命。 在油泵和一级过滤器之间设置了入口取样阀( 5 ) ，可以在此处取样，测试未经 聚结分离装置除水的油液含水量。压力表( 6 ) 和( 8 ) 用来测量一级过滤器前后的 压力，从而得到一级过滤器两端的压力差值，以判断一级过滤器是否需要更换滤 芯。 ! 油液流经聚结器( 1 0 ) ，进行聚结分离除水。聚结器内部构造又分为聚结部分和 分离部分，最终油液中的水聚结形成大水滴沉降到聚结器底部的积水槽中。当水位 计( 1 4 ) 检测到聚结器内部水位超过定标准的时候，自动打开电动放水阀( 1 2 ) 进 北京化工大学硕士学位论文 行排水，当水位降到一定标准时，电动放水阀自动关闭。聚结器罐体上设置的温 度计( 9 ) 用来检测油液的温度；压力表( 1 3 ) 用来测量聚结器罐体中的油液压力，其 与压力表( 8 ) 联合使用，可以获得聚结滤芯两端的压力差值，这个压差是决定是否 更换聚结离滤芯的重要指标。 经过聚结器除水之后的油液，再通过二级过滤器( 1 6 ) ，以去除残留在油液中的 各种细小的纤维与颗粒污染物，达到最后的净化效果。压力表( 1 5 ) 用来测量聚结 器和二级过滤器之间的油液压力，其既代表了二级过滤器的压差，又与压力表1 3 联合使用，从而获得分离滤芯两端的压差，以决定是否更换分离滤芯和二级过滤 器滤芯。 通过出口取样阀( 1 7 ) 取得油样，可测试聚结分离装置除水之后的油液含水量。 另外，为了实现聚结分离装置的自动控制和手动控制的互幸 操作，还需要设计 自动控制系统。 2 2 聚结分离装置的设计 22 1 装置的机械部分设计 本次试验以3 皑汽轮机油为研究对象，以流量为1 0 0 i m i n 来设计聚结分离装 图2 2 聚结分离装置外形图 北京化- 亡丈学硕士学位论文 鹭。根据聚结分离装置工作的原理设计整个聚结分离装置，其外形如图2 2 所示。 ( 1 ) 整个装置的底部采用了喷涂防锈漆和面漆的钢板制作的1 6 8 0 9 0 0 嬲2 的 底平面，并采用外缘卷边处理，以防止泄漏的油液污染操作环境。底平面下面装 配了4 只m 3 0 0 的橡胶轮，方便装置的移动和调整位置。装置的外型尺寸为1 6 8 0 9 0 0 1 4 0 0 咖3 。 ( 2 ) 底平面左边垂直放置的是一级过滤器与二级过滤器，中间横卧的是聚结 器，聚结器灌体的内径为5 9 0 m 。考虑到系统注入油液时的气体排放，在一级过滤 器、二级过滤器和聚结器的项部都设置了j 气溷。 ( 3 ) 聚结器底部设置了积水槽，积水槽侧面连接着水位计，其结构如图2 3 所示。 圈2 3 积水槽和水位计 积水槽的内径为1 4 8 舢、高度为2 7 0 m m ( 含封头) ，积水槽封头的下面设有放 水管，放水管上设置有放水球阀和电动放水阀。 ( 4 ) 聚结器罐体正下方的底平面上安放了主油泵及其电机。主油泵选用型号 为g b 一阴一b 1 0 0 y l 的自带安全阀的外啮合摆线齿轮泵，配备1 5 k w 三相异步电动机 ( 1 4 5 0 r p m ) 。考虑到更换聚结滤芯、分离滤芯的时候，需要排空聚结器罐体内部 的油液，增加了辅助泵及其电机。当需要排空聚结器罐体时，打开辅助泵和聚结 器罐体顶部的放气阀，便可以将聚结器罐体内部的油液抽出来。辅助泵选取型号 为g b b 8 一b 2 5 y l 的外啮合摆线齿轮泵，配备0 5 k w 的三相异步电动机( 1 4 0 0 r p ) 。 北京化工大学硕1 学位论文 ( 5 ) 系统压油管路的内径为2 5 硼，为了保证吸油通畅，吸油管路的内径大， 为3 6 唧。装置的吸油口、出油口设置软管接头，均未设置阀门。 ( 5 ) 聚结器的正面是控制柜。控制柜外形为8 0 0 8 0 0 2 5 0 m 一的长方体，采 用壁厚2 0 唧的高分子材料粘结板制作，达到了强度高、质量轻、外形美观的设计 要求。控制柜的正面为采用了按键锁的对开门，顶部是与水平面成4 5 。的控制面 板。控制面板上，左侧安放了工业控制计算机的液晶显示器，自动控制程序可以 通过显示器上的触摸屏来控制。控制面板的右侧排列着系统压力表、温度计、指 示灯和控制按钮等。 2 2 2 聚结器的改进设计 聚结器内部油液流动的均匀性是影响聚结分离脱水效果的重要因素，针对以往 聚结分离装置的设计经验，本次试验采取了如下改进措施。 在以前的设计中，油液是从进油口直接流向聚结滤芯的陶( 如图2 4 ) ，在使 用多支聚结滤芯的情况下，这样的设计会使得各聚结滤芯的流量分配不均匀，其 中正对着进油口的聚结滤芯流量最大，离进油口较远的聚结滤芯流量较小。由于 聚结滤芯的脱水效果与通过滤芯的流量关系极大，因此，这种结构会影响聚结滤 芯的聚结效果。本文对进油口结构进行了改进，将进油管在聚结器罐体内部的出 口端封住，在迸油管道侧面开设诸多小孔，分散油液流量，使各支聚结滤芯的流 量基本一致( 如图2 5 ) 。 同样，在出油口也做了相同的改进。 圉2 4 末改进的进出j 由口雷2 5 改进后的迸出油口 2 2 3 装置的滤芯选取 ( 1 ) 根据吸油过滤器、一级过滤器、二级过滤器各自的作用，可以确定各过 滤器滤芯的过滤精度。 苎塞些三查兰堕主兰堡丝皇 吸油过滤器是用来给油液进行预过滤的，需要保证的是去除油液中尺寸较大的 固态污染物，保护吸油泵通畅地工作，因此可以选取过滤精度比较低的滤芯。装 置中吸油过滤器滤芯的过滤精度为8 0u m 。 级过滤器是用来去除油液中的小颗粒固体沉淀物，以保证后面的聚结分离过 程的除水效率，并增加聚结滤芯的工作寿命。装置中一级过滤器滤芯的过滤精度 为l o um 。 二级过滤器是最后一遍的精过滤，目的是去除残留在油液中尺寸细小的各种纤 维物与颗粒物。装置中二级过滤器滤芯的过滤精度为3 um ，以保证处理过的油液 达到使用标准。 ( 2 ) 根据3 0 # 气轮机油使用标准，选取v e l c o n c c 6 3 3 8 5 型聚结滤芯，并自制 与聚结滤芯配套使用的0 1 0 0 8 4 0 的分离滤芯。 表2 1 各渡苍形的精度及型号 流量吸油过滤器一级过滤器聚结滤芯分离滤芯二级过滤嚣 l 滤芯精度滤芯精度 型号型号滤芯精度 l o o l p m 8 0 肚町 1 0um o c - 6 3 3 8 5 m 1 0 0 8 4 0 3um ( 3 ) ，根据聚结滤芯单位长度上的流速署分离滤芯表蕊进入流速来分别选取聚 结滤芯和分离滤芯的数量。 v d c o nt o c 系列透平油聚结系统的聚结滤芯单位长度上的流速和分离滤芯表 面进入流速如表2 2 所示。 袭2 2v e l c o n1 d c 系列透平油聚结系统 型号聚结滤芯单位长度流速分离滤芯表面进入流速 i 僦1 0 c c 6 2 2 8 5 x 3 o 0 2 2 3 i 删，m m s o _ 4 24 _ v lo 0 1 9 5 i p m c i n 2 1 d c3 0c c 6 3 3 8 5 4 o 0 3 3 9u ，m m s o - 4 3 0 2o 0 2 3 4 l p m c m 2 若选取4 支v r e l c o nc c 6 3 3 8 5 型聚结滤芯，则其单位长度上的流速为： v l ：i 黑：o _ 0 2 9 8 ( 枷m m ) 3 3 4 x 2 5 4 若选取2 支母1 0 0 8 4 0 的分离滤芯，则其表面进入流速为： 北京化工大学硕十学位论文 v 2 ：j 堕i ：o 0 1 9 0 2 )v z = i = u u 1 7 uo p 用， 1 0 0 石x 8 4 0 x 2 x 1 0 2 由此可见，本装置所使用的聚结滤芯与分离滤芯的工作状况是比较合理的。 2 。2 。4 聚结器内郝的流场分析 根据a p i ，i p l 5 8 l 规范，装置内滤葛之间以及滤芯与壳体之间的油液流速越低， 同时油液在装置内部各处的滞留时间越久，聚结分离的效果就越好1 。 为了简化计算，可以撮据a p i ，i p l 5 8 2 规范推荐的简化流动模型来计算装鐾内 部的流动参数。假设油液为单相流体，流动均匀分布于所有滤芯，滤芯之间垂直 于流向的任意截面的流速相等。滤芯的位置由距灌体中心的距离和其与水平直径 所成的角度确定。本次试验所用的滤芯位置森置如图2 6 所示。 图2 6 滤芯分布圈 在图2 6 中，a 、b 、c 、d 表示4 支聚结滤芯，e 、f 表示z 支分离滤芯，w 表示聚结器灌体内壁。在图中，将滤芯之间及滤芯与灌体内壁之间用线段连接起 来，得到w a 、w b 、w cw d 、a b 、b c 、c d 、a d 、a e 、d f 、w e 、w f 和 袭2 3 滤芯的位置 滤芯 类型距灌体中心的距离( 删) 角度( 9 ) a聚结 1 7 01 8 0 b 聚结 1 9 52 4 0 c 聚结 1 9 53 0 0 d 聚结 1 7 00 e 分离 2 0 51 1 5 f 分离 2 0 56 5 托京化工大学硕士学位论文 e f 各线段。这些线段将灌体截面分割成w a b w 、w c d w 、a b c d 等9 个不同的区 域。聚结滤芯和分离滤芯在灌体截面中的位置如表2 3 所示： 下面根据上述布置，计算灌体内各线段的流速及流体在各区域的滞留时间。 首先，必须计算各线段的长度和通过各线段的总流量。各线段的长度按几何关系 可以方便地计算出来，通过各线段的总流量按下述步骤进行计算： ( 1 ) 将线下方的所有聚结滤芯流量相加，从中减去线下方所有分离滤芯的流 量。 ( 2 ) ，对于线上的每一支滤芯，计算滤芯在线下僦的角度。计算出该线下侧部分 所有聚结滤芯的流量总和，减去该线下侧部分所有分离滤芯的流量，然后加上第 一步的结果，即为通过该线的总流量。 ( 3 ) 计算出该线上所有线段长度的总和。各线段的漉量等于其长度与线段长度 总和的比值乘以该线的总流量。 ( 4 ) 从靠近内壁的区域开始，按照质量守恒的原则，确定不在线上的其他各线 段的流量。习惯上按照流入区域的漉量为负，漉出区域的流量为正来计算。将经 线段流出区域的流量和区域内分离滤芯部分的流量相加，减去经线段流入区域的 流量和区域内分离滤芯部分的流量，即可得出区域内未知线段的流量。 表2 4 线段的长度、流量和流速 线段长度( m )流量( l n m ) 流速( m ，s ) w a5 08 5 2o 3 3 8 w b2 51 7 00 1 3 5 w c2 5 1 7 0 o 1 3 5 w d 5 0 8 5 2 0 3 3 8 a b1 7 09 8 50 3 3 8 b c1 9 51 3 2 70 1 3 5 c d 1 7 0 9 ，8 50 3 3 8 a d 3 4 0 5 7 9 5 o 3 3 8 a e2 0 5 5 3 7 o 1 1 5 1 d f2 0 55 3 70 1 1 5 w e 4 0 5 ，5 6o 1 1 5 w f4 05 5 60 1 1 5 e f 1 6 0 2 2 2o _ 3 s l 各线段的流速计算按照如下步骤： ( 1 ) 两滤芯之间的线断长度乘以两滤芯长度之和的一半，即得到面积。 北京化工大学硕十学位论文 ( 2 ) 通过线段的总流量处以上一步计算出来的面积，即得到该线段的流速。 根据上述步骤，蒙结器罐体截面中各线段的长度、流量及流速计算结果列于表 2 4 中。 水滴在区域内的平均滞留时间，是影响沉降和分离效率的重要因素，它与油液 在区域内的平均时闾成正比。滞留时间定义为区域内的浊液体积除以进入该区域 的流量。 把经线段流入的流量与区域内聚结滤芯的流量相加，即得到进入区域的流量。 面区域体积可以按照下露的步骤计算出来。 ( 1 ) 首先计算出定义区域内的多边形面积，减去区域内滤芯面积的总和。区域 内滤芯面积就是区域内滤芯角度除以3 6 0 ，再乘以单支滤芯的截面积。求解边缘区 域面积的步骤是，先计算出通过罐体中心和滤芯的扇形面积，然后减去由两滤芯 和罐体的中心所组成的三角形面积，最后再减去区域内滤芯的面积。 ( 2 ) 计算区域的平均长度，方法是将组成区域的n 支滤芯的长度相加得到一个 总长度，再除以n 。 ( 3 ) 将上述两步计算出来的结果相乘，即得出区域的体积。 油液在各区域的滞留时间计算结果列于表2 5 中。 表2 5 油液在各个区域的滞留时间 区域聚结聚结( s )聚结份离( s )分离份离( s ) w a b w1 2 1 w b c w 1 1 7 w c d w1 2 1 a b c d1 5 4 w a e w1 2 7 w d f w1 2 7 a d f e1 3 9 w e f wu 7 从上面的数据可以看出，总体来说聚结器内部的流场是比较均匀的，最小滞 留时闻和最大流速也很合理。是滤芯位置的最优化布要方案。 2 3 控制系统的设计 作为实际产品或者试验装置，需要实现方便的操作。因此设计了控制系统来实 北京化工天学硕士学位论文 现自动控制、手动控制的互补功能。控制系统构架图如图2 7 所示。 为便于操作，操作面板顶端距地砸高度为1 2 m ，并与水平面成4 5 。的倾角。 _ ) 控制柜外形圈 图2 7 控制系统构架图 b ) 控制柜内部放大图 如图2 8 所示的操作面板，左侧嵌入放置工控计算机的液晶显示面板。液晶显 示面板表面安装触摸屏，配合自动控制程序的界面，可以实现全部的控制操作。 控制程序的界面以及功能在下文( 2 3 r 2 控制部分程序设计) 中有详细介绍。 压力衰4 压力衰3压力衰2 压，】_ 袁1 液晶显示器& 触攘屏 宴三宴口 _ 内岔9v ulj 温度噩示寰 z 碾 f 切# 瞒扭 放木一开关 总电京开关 圈2 s 器作面板示意图 操作面板右侧配备控制按钮、切换旋钮、指示灯、压力表、温度表等元件来实 现手动控制装置的运行。按钮用来控制装置总电源韵开关、主油泵的宿停、辅助 泵的启停，切换旋钮用来实现自动控制和手动控制的切换，指示灯用来指示系统 的总电源是否打开，压力表和温度表的显示和程序界面的显示相同，实现自动控 劁和手动控制的互补操作。 本装置选用工业控制计算机实现程序控制功能，选用p c i 接口的数据采集卡 北京化工丈学硕士学位论文 实现采集传感器信号并控制继电器通断功能，实现了用程序界面的按钮控制主油 泵电机启停和电磁放水阀的开闭。其原理图如图2 9 所示【3 3 】。 图2 9 控制系统原理图 2 3 1 控制系统的硬饽逸型与电路圈 从成本方面考虑，没有直接选用压差传感器，而采用了压力传感器来监测聚结 分离装置各个位置的压力值。 参照图2 1 聚结分离装置系统原理图，图中( 2 ) 选用z 0 5 0 l 受压陶瓷电容压力 变送器，( 6 ) 、( 8 ) 、( 1 3 ) 和( 1 5 ) 选用z 0 5 0 1 表压陶瓷电容压力变送器。若各处的 压力用p i 来表示，则p 2 代表吸油过滤器产生的负压，p 6 一p 8 代表一级过滤器压 差，p g p 1 3 代表聚结滤芯的压差，p j 3 一p l s 代表分离滤芯的压差，p l s 代表二级过 滤器压差。压力变送器的外型如图2 1 0 ( a ) 所示，其输出信号为4 2 0 m a d c ，供电 电压为2 4 v d c ，精度为a 级o 2 ，6 。 图2 1 中的( 9 ) 选用p t l 热电阻的w z p 一2 3 1 一体式温度变送器，监溺系统 的工作温度。温度变送器的外型如图2 1 0 ( b ) 所示，其输出信号为4 2 0 m a d c ，供 电电压为2 4 v d c ，精度为b 级0 5 。 图2 1 中豹( 1 4 ) 选用u g z s c 3 u l 电磁浮子式界面传感器，监潞聚结器积水 槽中的水位高度。变送器的输出信号为4 2 0 i i l a d c ，供电电噩为2 4 v d c ，精度为 1 舳。 相比电压信号，电流信号的抗电磁干扰能力更好，有利于信号远传，所以装置 中压力、温度和水位变送器的输出统一为4 2 0 l l l a d c 标准信号，便于数字采集。 北京化工大学硕士学位论文 电流信号经过a p m p c d 一9 0 0 0 d 通用d 型3 2 c h 模拟量输入端子板的电流转电压 模块处理，再转换为1 5 v 的电压信号，输入采集卡。 a ) z q 5 0 1 陶瓷电容压力变迭器”- 口一2 3 1 _ 休式温度变送器 图2 1 0 压力变送器与温度变送器 选用a p m p c i 一9 1 1 0 a 型数据采集卡，将上述压力变送器、温度便送器和水位 计发送的模拟信号转换成为数字信号，输入到工控机中进行数字处理。a p m p c i 一9 1 1 0 a 型数据采集卡是一块3 2 路通道模拟量输入，并具有1 6 路通道数字量输 出的控制卡，不但可以将压力、温度和水位信号转换为数字信号，还可以发送开 关量信息以控制相应继电器的通断。 单相交流固体继电器j g x 一1 9 7 1 f 用来执行电磁放水阀的开关，三相交流固体 继电器j g 一2 7 f 用来执行主油泵电机的启停，另一个三相交流固体继电器j g 一2 7 f 用来执行辅助油泵电机的启停。 工业控制计算机是整个控制系统的核心，安装上根据工作状况编写的控制程 序后，可以将所有数据通过程序界面在显示器上实时显示，并应用数据库记录并 备份数据，以便查询参考。本次设计选用了联想天工p i 正控机，该机具有体积 小、发热量低、防震性能好等优点，能够在这种工作状况下理想地执行控制程序。 选用v c o m 2 4 0 3 型g p r s 发信器( g p r sm o d e n ) 。当压差、温度、水位超 过预设值的时候，可以实时发送手机短消息警报，并显示当前数值。 选用明纬d c 2 4 vl o o w 开关电源为控制系统提供直流2 4