Турбинни масла:класификация и използване

1. Въведение

Парните турбини съществуват вече над 90 години. Те представляват двигатели с въртящи се елементи, които превръщат енергията на парата в механична работа в една или няколко степени. Парната турбина обикновено е свързана с задвижваща машина, често скоростна кутия.

Температурата на парата може да достигне 560 °С, а налягането да се намира в предели от 130 до 240 атм. Повишаване ефективността за сметка повишаване на температура и налягане на пара се явява фундаментален фактор при усъвършенстване на парните турбини. Но високи температури и налягане повишават изискванията към смазочните материали, използвани за смазване на турбини. Първоначално турбините масла са се произвеждали без присадки и не са могли да удовлетворят тези изисквания. А от около 50 години в парните турбини се използват масла с присадки. Такива турбинни масла съдържат инхибиторри на окисление и антикррозионни агенти и при съблюдаване на някои специфични правила осигуряват висока надеждност. Съвременните турбинни масла съдържат малко количество противозадирни и противоизносни присадки, които защитават смазваните възли от износване. Парните турбини се използват на електростанции за задвижване на електрогенератори. Обикновено тяхната изходна мощност е 700—1000 МВт, докато на атомни електростанции тази цифра достига около 1300 МВт.

2. Изисквания към турбинни масла — характеристики

Изискванията към турбинните масла се определя от турбините и специфичните условия при експлоатация. Маслото в системите трябва да изпълнява следните функции:
• смазване на всички лагери и задвижващи части;
• разсейване на топлина;
• функционална течност за управляващите контури и безопасност;
• предупреждение за възникнало триене и износване на зъбците в скоростната кутия на турбините при ударни ритми и работни турбини.
Наред с тези механико-динамични изисквания турбинните масла трябва да притежават следните физико-химически характеристики:
• устойчивост към стареене при продължителна експлоатация;
• хидролитична стабилност (особено, ако се използват присадки);
• антикорозионни свойства даже в присъствие на вода/пара, кондензат;
• надеждно водоотделяне (пари и отделяне на кондензирана вода);
• бързо деаериране — ниско разпенване;
• добра филтрация и висока степен на чистота. Само внимателно подбрани базови масла, съдържащи специални присадки, могат да удовлетворят тези строги изисквания към смазочните материали за парни и газови турбини.

3. Композиции на турбинните масла

Съвременните смазочни материали за турбини съдържат специални парафинови масла с добри вискозитетно-температурнии характеристики, а така също антиоксиданти и инхибитори на корозия. Ако турбини със зъбни скоростни кутии се нуждаят от висока степен на носеща способност (например: степен на отказ при изпитване FZG не по ниско от 8 DIN 51 354-2, то в маслото се въвеждат противозадирни присадки.
Днес турбинните базови масла се получават изключително от екстракция и хидриране. Такива операции, като очистка и последваща хидроочистка под високо налягане, в значителна степен определя и влиянието на такива характеристики, като окислителна стабилност, водоотделяне, деаерация и ценообразуване. Това особено много важи по отношение на водоотделянето и деаерацията, защото тези свойства не могат съществено да се подобрят с помощта на присадки. Турбинните масла, по принцип се получават от специални парафинови фракции базови масла.
В турбините масла за подобряване на окислителната стабилност се въвеждат фенолни антиоксиданти в съчетание с аминни антиоксиданти. За подобряване на антикорозийоните свойства се използват неемулгирани антикорозионни агенти и пасиватори на цветни метали. Замърсяване с вода или водни пари не оказва вредно влияние, защото тези вещества остават в свързано състояние. При използване на стандартни турбинни масла в турбини със зъбни кутии в маслата се добавя малко количество термически устойчиви и устойчиви на окисление противозадирни/противоизносни присадки с удължен експлоатационен срок (фосфорорганични и/или сернисти съединения). Освен това, в турбинните масла се използват не съдържащи силиконови антипенни и депресорни присадки.
Следва да се обърне особено внимание на пълното изключване на силикони в антипенните присадки. Освен това, тези присадки не трябва отрицателно да влияят на деаерационните характеристики (много са чувствителни) на маслата. Присадките не трябва да съдържат пепел (например цинк). Чистотата на турбинните масла в резервоарите е необходимо да съответстват на ISO 4406. Необходимо е напълно да се изключи контакт на турбинно масло с различни контури, проводници, кабели, изолационни материали, съдържащи силикони (строго да се съблюдава при производство и използване).

4. Турбинни смазочни материали

За газови и парни турбини обикновено, като смазочен материал се използват специални парафинови минерални масла. Те служат за защита на лагерите на вала на турбините и генератора, а така също на кутията в съответните конструкции. Тези масла също така могат да се използват, като хидравлични течности в управляващи системи и безопасност. В хидравлични системи, експлатирани под налягане около 40 атм (ако има разделни контури за смазочното масло и маслото за регулиране, така наречените спирални контурни системи) обикновено се използват огнеустойчиви синтетични течности тип HDF-R . През 2001 г. е преразгледан DIN 51 515 под название „Смазочни и управляващи течности за турбини“ (част 1-L-TD официален сервиз, спецификации), а новите така наречени високотемпературни турбинни масла са описани в DIN 1515, част 2 (част 2-L-TG смазочни материали и управляващи течности за турбини — за високотемпературни експлоатационни условия и спецификации). Следващият стандарт — ISO 6743, част 5, семейство Т (турбини), класификация на турбинни масла; последен вариант стандарт DIN 51 515, публикуван през 2001/2004 г., съдържа класификация на турбинни масла, която е приведена в табл. 1.

Изисквания към DIN 51 515-1 — масла за парни турбини и DIN 51 515-2 — високотемпературни турбинни масла са приведени в табл. 2 и 3.

Атмосферният въздух постъпва през входяща тръба 1, през филтрираща система и се подава на входа на многостепенен осев компрессор 2. Компресорът сгъстява атмосферния въздух и го подава под високо налягане в камерата за изгаряне 3 , където чрез дюзи се подава и определено количество газово гориво. Въздухът и горивото се смесват и възпламеняват. горивовъздушната смес изгаря, отделяйки голямо количество енергия. Енергията от газообразните продукти при изгаряне се преобразуват в механична работа на въртене на турбинните лопатки. Част от получената енергия сгъстява въздуха в компресор 2 на турбината. Останалата част от работата се передава на електрическия генератор чрез задвижващата ос 7. Тази работа се явява полезна работа на газовата турбина. Продуктите от изгаряне, които имат температура от порядъка на 500-550 °С, се извеждат от изпускателя 5 и турбинният дифузор 6 и могат да бъдат повторно използвани, например, в топлоутилизатор за получаване на топлинна енергия.

ISO 6743-5 класифицира турбинните масла по предназначение (за парни или газови турбини) и по съдържание на противозадирни агенти (табл. 4).

Спецификацията съгласно ISO 6743-5 и в съответствие с ISO CD 8086 „Смазочни материали. Индустриални масла и родствени на тях продукти (клас L)— Семейство T (турбинни масла), ISO-L-Т все още се намират в стадии на разглеждане“ (2003).
Синтетични течности тип ПАО и сложни естери на фосфорната киселина също са описани в ISO CD 8068 2003 г. (виж. табл. 5).

5. Контури на циркулация на турбинни масла

За масла на турбини в електростанции особено важна роля играят контурите при циркулация на маслата. Парните турбини обикновено са снабдени с контури при циркулация на маслото под налягане и регулиращите контури, а така също с разделителни съдове за контурите на смазочното масло и маслата за регулиращия контур.
В нормални експлоатационни условия основната маслена помпа задвижвана от турбинния вал всмуква маслото от резервоар и нагнетява в регулиращите контури и лагерите. Контурите под налягане и регулиране обикновено се намират под налягане в предели 10—40 атм (налягането на главния турбинен вал може да достигне 100—200 атм). Температурата в маслените резервоари се намират в предели от 40 до 60 °С. Скоростта на подаване на маслото е от 1,5 до 4,5 м/сек (около 0,5 м/сек във възвратен контур). Охладеното и преминало през редукционните клапани масло постъпва в лагерите на турбината, генератора и възможно на скоростната кутия под налягане 1—3 атм. Индивидуалните масла се връщат в масления резервоар под налягане, равно на атмосферното. В голяма част от случаите лагерите на вала, турбините и генератора имат черупка от бял метал. Аксиалните натоварвания обикновено се поглъщат от лагерите. Контурите на смазочното масло на газовите турбини основно е подобен на контурите на парните турбини. Но в газовите турбини понякога се използват търкалящи и плъзгащи лагери.
Големите маслени контури са снабдени с центробежни филтрационни системи. Тези системи осигуряват отстраняване на малки частици замърсители заедно с продуктите от стареене и шлам. В зависимост от размера на турбините в пренаточваните системи маслото се пропуска през филтри на всеки пет часа с помощта на специални помпи. Маслото се извежда от най-ниската точка на масления съд и се подлага на филтрация непосредствено преди да се върне обратно. Ако маслото се отбира от основния поток, то скоростта на потока трябва да бъде намален до 2—3% от производителността на основната помпа. Често се използват следните видове оборудване: маслени центрофуги, хартиени филтри, целулозни картриджни филтри за фина очистка и филтриращи установки със сепаратори. Препоръчва се също така използването на магнитни филтри. Понякога филтри байпасен тип се снабдяват с охлаждащи устройства за намаляване на температурата на филтрираното масло. Ако съществува вероятност от попадане в системата на вода, пара или други замърсители, то трябва да бъде разгледана възможността за отстраняване на маслото от резервоара с помощта на мобилен филтър или центрофуга. Поради тази причина в долните части на резервоарите е необходимо да се поставят специални съединителни тръбни отклонители, които също така могат да бъдат използвани за вземане на проби от маслата.
Стареенето на маслата също така зависи от това, как и с каква скорост маслото се изпомпва през контура. В случаи, когато маслото се изпомпва много бързо, то излишния въздух диспергира или се разтваря (проблем: кавитация в лагерите, преждевременно стареене и др.). Също трябва да се има в предвид разпенването на маслото в маслените резервоари, но тази пяна обикновено бързо се разрушава. Положително влияние на деаерация и разпенване в маслените съдове оказват различни инженерни мерки. Към такива мерки се отнасят маслени съдове с голяма повърхностна площ и възвратни контури с тръба с голямо сечение. Прости мерки, например връщане на маслото в резервоара, чрез обърната U-образна тръба, също положително влияе на деаерационната способност на маслото и дава добър ефект. Установка на дросел в резервоара също така дава положителни резултати. Тези мерки удължават интервала от време, през което водата и твърдите замърсители могат да бъдат отстранени от маслото.

6. Контури за промиване на турбинно масло

Всички маслопроводи преди въвеждане в експлоатация трябва да бъдат механически очистени и промити. Следва да се отстранява от системите даже такива замърсители, като почистващи средства и агенти предотвратяващи корозия (масла/пластични смазки). След това е необходимо да се извърши промивка. За промивка се изисква около 60-70% от общия обем масло. Промивъчната помпа трябва да работи на пълна мощност. Лагерите следва да се отстраняват временно и да се заменят с чисти (за избягване попадане на замърсители в хлабините между вала и черупките на лагерите). Маслото следва нееднократно да се подгрява до температура 70 °С, а след това да се охлажда до 30 °С. Разширението и свиването в тръбопроводите и фитингите отстраняват замърсители в контурите. Черупките на лагерните ваци трябва да се промиват последователно за поддържане на високи скорости при работа. След 24-часова промивка маслените филтри, маслените сита и ситата за маслата от лагерите може да бъдат установени. Мобилните филтриращи установки, които също така могат да бъдат използвани, трябва да имат размер на клетките не повече от 5 мкм. Всички части снабдяващи с масло, включително и резервното оборудване, трябва да бъде внимателно промито. Всички възли и детайли на системите трябва да бъдат очистени отвън. След което промивъчното масло се излива от масления резервоар. Възможно е и вторично използване на излятото масло, но само след много фина филтрация (байпасна филтрация). Освен това, маслото трябва да бъде предварително подложено на внимателен анализ на съответствие с изискванията според спецификация DIN51 515 или специалните спецификации на оборудването. Промивката следва да се извърши до тогава, докато на филтъра не бъдат забелязани твърди замърсители и/или не бъде регистрирано повишено налягане в байпасните филтри след 24 ч. Препоръчва се да се извърши промивка в течение на няколко дни, а така също анализ на маслата след всякакви модификации или ремонтни работи.

7. Мониторинг и техническо обслужване на турбинните масла

В нормални условия е напълно достатъчно да се произведе мониторинг на маслата с интервал от 1 година . По принцип, тази процедура се осъществява в лаборатория на производителя. Освен това е необходима ежеседмична визуална проверка за своевременно забелязване и отстраняване на замърсените с масло примеси. Най-надежден метод се явява филтриране на маслата с помощта на центрофуги в байпасен контур. При експлоатация на турбините следва да се отчита замърсяването от околната турбина с въздушни газове и други частици. Понякога във филтрираното масло се добавят присадки. Филтри, сита, а такa също такива параметри, като температура и ниво на масло, трябва да се проверяват регулярно. В случаи на продължителен престой (над два месеца) маслото следва ежедневно да се рециркулира, а така също регулярно да се проверява съдържанието на вода в него. Извършва се контрол на отработени:
• огнеустойчиви течности в турбините;
• отработени смазочни масла в турбините;
• отработени масла в турбините.
които се осъществяват в лаборатории на доставчика на маслата. Във VGB Kraftwerktechnic Merkbl tter, Германия (VGB — асоциация на германските електростанции) е описан анализ, а така също изисквани значения на различни свойства.

8. Експлоатационен срок на масла за парни турбини

Обикновено експлоатационния срок за парни турбини е 100 000 ч. Но нивото на антиоксиданта пада до 20-40% от нивото на свежото масло (окисление, стареене). Експлоатационният живот на турбините в значителна степен зависи от качествата на турбинното базово масло, условията на експлоатации — температура и налягане, скорост на циркулация на маслото, филтрация и качество на техническото обслужване и накрая от количеството влято свежо масло (това помага да се поддържа адекватно ниво на присадките). Температурата на маслото в турбината зависи от натоварването на лагерите, размера им и скоростта на течение на маслото. Радиационната топлина може също да бъде важен параметър. Факторът циркулация на маслото, т. е. отношението между обема поток h^-1 и обема на резервоара с маслото, трябва да бъде в граници от 8 до 12 ч^-1. Такъв относително нисък фактор на циркулация на маслата осигурява ефективно разделяне на газообразни, течни и твърди замърсители, като въздуха и другите газове могат да бъдат изпускани в атмосферата. Освен това, ниските фактори на циркулация намаляват термичните натоварвания на маслото (в минералните масла скоростта на окисление се увеличава двойно при повишаване на температурата на 8-10 К). По време на експлоатация турбинните масла са подложени на значително обогатяване с кислород. Турбинните смазочни материали изпитват въздействието на въздуха в редица точки около турбината. Температурата на лагерите може да се контролира с помощта на термоелементи. Teса много високи и могат да достигнат 100 °С, а в смазочните хлабини и по-високи. Температурата на лагерите може да достигне 200 °С при локално прегряване. Такива условия могат да се срещнат само в големи обеми масло и при висока скорост на циркулация. Температурата на маслото, излято от плъзгащите лагери, обикновено се намира в предели 70-75 °С, а температурата на маслото в резервоара може да достигне 60—65 °С в зависимост от фактора циркулация на маслото. Маслото остава в в резервоара в течение на 5—8 мин. За това време въздуха, увлечен с потока масло, деаерира, твърдите замърсители падат се отделят. Ако температурата в резервоара е по-висока, то компонентите в присадките са с по- високо налягане на наситените пари и могат да се изпарят. Проблемът с изпарението се усложнява при установка на устройства за екстракция на пари. Максималната температура на плъзгащите лагери се ограничава с гранични температури на черупките на лагерите произведени от бял метал. Тези температури са около 120 °С. Днес се разработват черупки за лагери от метали, по-малко чувствителни на високи температури.

9. Масла за газови турбини — използване и изисквания

Газотурбинните масла се използват в стационарни турбини, използвани за производство на електроенергия или топлинна енергия. Компресори нагнетяват налягане от газ, които се подава в камерата за изгаряне до 30 атм. Температурата на изгаряне зависи от типа на турбината и може да достине 1000 °С (обикновено 800—900 °С). Температурата на изгорелите газове обикновено се колебае около 400—500 °С. Газови турбини с мощност до 250 МВт се използват в градски и приградски системи за парно отопление, в целулозно-хартиената и химическа промишлености. Преимуществата на газовите турбини се заключават в тяхната компактност, бързо стартиране (<10 минути), а така също в малкия разход на масло и вода. Масла за парни турбини на база минерални масла се използват за обикновени газови турбини. Но следва да се знае, че температурата на някои лагери в газови турбини е по-висока, в сравнение с парните турбини, като е възможно преждевременно стареене на маслата. Освен това, около някои лагери може да се образуват „горещи участъци”, където локалните температури могат да достигнат 200—280 °С, при това температурата на маслото в резервоара да се съхранява на нива 70—90 °С (горещия въздух и горещите газове могат да ускорят процеса на стареене на маслата). Температурата на маслата, постъпващи в лагера, често е в предели 50— 55 °С, а температурата на изхода на лагера достига 70—75 °С. Във връзка с това, че обема на газотурбинните масла е по-малък, в сравнение с обема на маслата в парните турбини, а скоростта на циркулация е по-висока, експлоатационния срок на маслата е по-кратък. Обемът на масло за електрогенератор с мощност 40—60 МВт („General Electric”) е приблизително 600-700 л, а експлоатационния срок — 20 000-30 000 ч. За такива области на използване се препоръчват полусинтетични турбинни масла (специално хидроочистени базови масла) — така наречени масла от група III — или напълно синтетични масла на база синтетични ПАО. В гражданската и военна авиации газовите турбини се използват, като двигатели. Тъй като в тези турбини температурата е много висока, за тяхното смазване се използват специални нисковискозитетни (ISO VG10, 22) синтетични масла на база наситени сложни естери (например, масла на база сложни естери полиолефини). Тези синтетично сложни естери, се използват за смазване в авиационни двигатели или турбини, имат висок вискозитетен индекс, добра термична устойчивост, окислителна стабилност и превъзходни нискотемпературни характеристики. Някои от тези масла съдържат присадки. Тяхната температура на течливост се намира в предели от —50 до —60 °С. И, накрая, тези масла трябва да отговарят на всички изисквания на военните и граждански спецификации на масла за авиационни двигатели. Смазочните масла за самолетни турбини в някои случаи могат също така да се използват за смазване във въртолетни, корабни, стационарни и индустриални турбини. Използват се също така авиационни турбинни масла, съдържащи специални нефтени базови масла (ISO VG15-32) с добри нискотемпературни характеристики.

10. Огнеустойчиви течности, не съдържащи вода, използвани на електростанции

С цел безопасност в контурите за регулиране и управление, подложени на опасности от запалване и пожари, се използват огнеустойчиви течности. Например, за електростанции това се отнася до хидравлични системи във високотемпературни зони, в частност в близост до прегрети парни тръби. Огнеустойчиви течности, използвани в електростанции, по принцип, не съдържат вода; това са синтетични течности на база сложни естери на фосфорната киселина (тип DFD-Rпо DIN51 502 или ISO VG6743-0, ISO VG32-68). Тези HFD течности притежават следните особености. Спецификации на турбинни течности на база сложни триарилфосфати са описани в ISO/DIS10 050 — категория ISO-L-TCD. Съгласно тях такива течности трябва да притежават:
• огнеустойчивост;
• температура на самовъзпламеняване над 500 "С;
• устойчивост към самоокисление при повърхностни температури до 300 °C;
• добри смазочни свойства;
• добра защита от корозия и износване;
• добра устойчивост към стареене;
• добра деемулгируемост;
• ниско разпенване;
• добри деаерационни характеристики и ниско налягане на наситените пари.
За подобряване на окислителната стабилност понякога се използват присадки (възможно, инхибитори на пенообразуване), а така също инхибитори на ръжда и корозия. В съответствие с 7-ми Люксембургски доклад (The 7th Luxembourg Report) максимално допустимата температура на HFD течности в хидродинамични системи е 150 °С, а постоянната температура на течностите не трябва да превишава 50°C. Тези синтетични течности на база сложни естери на фосфорната киселина обикновено се използват в контурите на управление, но в някои особени случаи те се използват и за смазване на търкалящи лагери в турбини (а така също и в други хидравлични системи на парни и газови турбини). Системите трябва да бъдат конструирани така че да бъдат използвани именно тези течности (HFD — съвместими с еластомери, бои, лакове и покрития). В стандарт (E)DIN51 518 има набор от минимални изисквания към течности за системи на управление в електростанции. Допълнителна информация може да се почерпи в инструкциите и спецификациите, свързани с огнеустойчивите течности, например в VDMAлист 24317 и в СЕТОР препоръки R39 Н иR97 H. Информация, свързана със замяната на една течност на друга, се съдържа въвVDMA лист 24314 иСЕТОР Rp86 H.

11. Масла за хидротурбини и хидроелектростанции

Персоналът на хидроелектростанциите трябва да обръща особено внимание при използване на водозамърсяващи вещества, такива като смазочните материали. Във ВЕЦ се използват масла, както с присадки, така и без тях. Използват се за смазване на лагери и скоростни кутии на главно и вспомагателно оборудване, а така също средства за регулиране и управление. При избор на смазочни материали следва да се отчитат специфичните условия при експлоатация на хидростанциите. Маслата трябва да имат добри водоотделящи и деаерационни свойства, ниско разпенване, добри антикорозионни свойства, високи противоизносни свойства (FZG степен на натоварване в скоростни кутии), добра устойчивост към стареене и съвместимост със стандартни еластомери. Във връзка с това, че отсъстват установени стандарти на масла за хидротурбини, основно съвпадат със спецификациите на общите турбинни масла. Вискозитетът на маслата за хидротурбините зависи от типа и конструкциите на турбините, а така също от работната температура, и може да се намира в предели от 46 до 460 мм²/с (при 40 °С). За такива турбини се използват смазочни масла и масла за управляващи системи типTD иLTD поDIN 51 515. В голяма част от случаите едно и също масло може да се използва за смазване на лагери, скоростни кутии и управляващи системи. Обикновено вискозитета на такива турбини масла и масла за лагери се намират в норми от 68 до 100 мм²/сек. При стартиране на турбина температурата на маслото, използвано в управляващата системата, не трябва да пада под 5 °С, а на маслата за смазване на лагерите под 10 °С. Ако оборудването се намира в студени околни условия, настоятелно се препоръчва установка за подгряване на масла. Маслата за хидротурбини не изпитват силни термични натоварвания, а техния обем в резервоарите много висок. Във връзка с това експлоатационния срок на турбините масла е дълъг. На хидроелектростанциите интервалите при отбор на масла за анализ могат да бъдат удължени. Особено внимание следва да се обръща при уплътняване на контурите на циркулация на турбините смазочни масла за изключване попадане на вода в системата. В последните години успешно се използват биологично- разлагащи се турбинни масла на база наситени сложни естери. В сравнение с минералните масла тези продукти по-леко се подлагат на биологично разлагане и се отнасят към по- ниска категория водно замърсяване. Освен това, хидравличните масла тип HLP46 (с присадки, не съдържащи цинк), бързо биологично разлагащите се течности тип HEES46 и пластичните смазки NLGIсорта 2 и 3 се използват в хидроелектростанциите.