CN104777072A - 一种可控压力体积修正式汽轮机油含气量的测量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可控压力体积修正式汽轮机油含气量的测量计算方法，包括初始测量，加入油样，搅拌脱气，油中所释放气体和油样体积的折算，计算油中含气量等步骤；该方法采用可控制压力的真空测量室对被测油样进行脱气，通过真空控制器对真空测量室初始压力设定，使压力控制在大于汽轮机油汽化发生的最小压力之上，从而避免高真空条件汽轮机油汽化带来误差；当初始压力不是真空时，油样进入真空室后，会对原残留的空气进行压缩，也就会引起压力的变化，从而产生误差。本发明的计算方法考虑了油样进入真空测量室后对残余气体压缩效应产生的压力变化，并对其进行了修正，从而提高了油中含气量测量的准确性。

Description

一种可控压力体积修正式汽轮机油含气量的测量计算方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，具体设计涉及一种可控压力体积修正式汽轮机油含气量的测量计算方法。

背景技术

汽轮机油是一种液态的工业润滑剂，具有良好的流动性及一定的粘性，主要成分为基础油及少量的为改善其理化性能的添加剂。汽轮机油根据粘度划分为标准的等级及牌号序列，广泛应用于在蒸汽轮机、大型空气压缩机、水泵等重载旋转机械中，是滑动轴承、齿轮及控制系统等设备中的工作介质，主要作用为减小动静部件之间的摩擦、承担转子自重及高速旋转和涡动产生的静、动载荷及传递控制系统中的压力信号等。

在现场使用中，汽轮机油在储油箱、油泵、输油管道、用油设备，回油管道等组成的油系统中循环流动，流动情况较为复杂，形成的局部漩涡、湍流等流动结构对管道系统中存在的空气有强烈的卷吸、混合作用，并且其粘度减缓了气泡、气核的析出过程，油中包含有一定量的空气，形成了复杂的气液两相流形态。油中的空气在日常使用条件下为不凝结气体，不仅直接影响油品的粘度及密度，而且在压力降低时会直接析出形成空气泡，以及降低汽轮机油的饱和蒸汽压，更易于发生汽化，形成蒸汽泡，并会与空气泡相互耦合。因此，与油品生产及机械设备设计时依据的纯液体油品相比，运行中的汽轮机油由于包含有空气使性能发生了一定的改变，可能会致使机械设备的性能偏离设计工况。尤其对于滑动轴承、齿轮等承载部件，其中承压区域的压力场分布及动、静承载力受其影响更为敏感，严重时威胁设备的安全稳定运行。因此，测量与监测现场使用条件的汽轮机油中含气量对优化设备的设计、运行及维护具有重要的意义。

汽轮机油含气量一般用一定体积(或质量)的油样中含有气体的体积(或质量)来表示，测量技术的关键是使被测油样中含有的空气从中析出(该过程称为脱气)并测量其体积(或质量)。目前脱气方法主要采用真空法，将空气等效为一种气体，根据亨利定律，等温等压下空气在汽轮机油中含量(溶解度)与液面上空气的压力成正比，如式(a)所示：

p_g＝Hx_g   (a)

式中p_g是油所在环境的空气压力，x_g是空气在汽轮机油中的物质的量分数，H为亨利常数，其值与温度，溶质和溶剂的本性有关。可看出：润滑油中空气物质的量分数x_g随环境空气压力p_g降低而降低。因此，将油试样引入一压力很低的封闭真空测量室中可使油中的空气析出。析出空气的体积(或质量)可根据理想气体的性质通过测量脱气前后的压力变化求得。以求体积为例进行分析，设脱气前真空测量室(4)中m千克的空气体积为V_a，压力为p_a，状态可用理想气体状态方程描述，如式(b)所示：

$V_a=\frac{m{R}_g{T}_e}{p_a}---\left(b\right)$

其中，p_a为真空测量室中气体压力，m为真空测量室中空气质量，R_g为气体常数，T_e为环境温度。当油中的气体析出后，气体质量增大，压力随之增大为p_b，根据亚美格分体积定律，脱气前真空测量室中m千克的空气在脱气后所占体积V_b为：

$V_b=\frac{m{R}_g{T}_e}{p_b}---\left(c\right)$

比较式(b)、(c)可知，由于压力p₂较大，V_b减小，其与V_a的差值即为释放出空气在压力p₂时所占的体积，传统的真空脱气法存在以下问题：

1)对真空测量室中初始压力的具体数值不做控制，一般抽至真空泵及测试室系统能达到的极限压力；这样在过低的压力下会导致汽轮机油中高挥发成分发生汽化，形成油蒸汽，使真空测量室压力升高，增大测量误差。

2)为收集被测试油样释放出空气，所以在进油之前需要对测量室抽真空，但真正的真空不可能达到，会残留一定量的气体在真空室中，因此，当测试油样进入测量室后会压缩剩余气体，使压力升高，增大了计算误差。

发明内容

针对现有技术中上述问题，本发明提出了一种可控压力体积修正式汽轮机油含气量的测量计算方法，采用真空测试与控制装置控制真空测量室中的初始压力，以避免被测油样发生汽化，在计算中修正了由于被测试油样进入测量室压缩剩余气体引起的压力变化。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

步骤一：初始测量，控制真空测量室初始压力p₁；

测量真空测量室总体积V_r1；将真空测量室抽真空至初始压力p₁，所述p₁大于汽轮机油样发生汽化时的最小压力；测量油样的温度T_O1，环境温度T_e；设真空测量室(4)剩余空气质量为m_r，此时剩余空气体积为总体积V_r1，气体常数为R_g；由理想气体状态方程，该状态下真空测量室(4)中的剩余空气的基本状态参数满足下式：

p₁V_r1＝m_rR_gT_e   (1)

步骤二：加入油样，计算剩余空气体积V_r2和压力变化p₂；

向真空测量室(4)中加入体积为V₀的油样，此时剩余空气的体积变化为V_r2，压力变化为p₂，于是满足下式：

$p_2=\frac{m_r{R}_g{T}_e}{V_{r2}}---\left(2\right)$

且加入油样后剩余空气体积V_r2满足下式：

V_r2＝V_r1-V₀   (3)

由于进油过程很短，则认为环境温度T_e保持不变，由式(1)-(3)可得：

$P_2=\frac{P_1{V}_{r1}}{V_{r2}}=\frac{P_1{V}_{r1}}{V_{r1}-V_o}---\left(4\right).$

步骤三：搅拌油样使其脱气，计算质量为m_r的原剩余空气在此时变化压力p₃下的分体积V_r3、以及油样中释放出的空气的分体积V_t3；

搅拌真空测量室(4)中的油样，使油样中的空气全部放出，此时真空测量室(4)中的压力变化为p₃，根据亚美格分体积原理，真空测量室(4)质量为m_r的原剩余空气在p₃下的分体积V_r3为：

$V_{r3}=\frac{p_2}{p_3}{V}_{r2}---\left(5\right)$

此时计算油样中释放出的空气在p₃下的分体积V_t3：

$V_{t3}=V_{r2}-V_{r3}=V_{r2}-\frac{p_2}{p_2}{V}_{r2}=\left(\frac{p_3-p_2}{p_3}\right)V_{r2}---\left(6\right).$

步骤四：将油中释放出的空气分体积V_t3和油样体积V₀分别换算成标准状况下对应的体积V_ts和V_os；

根据理想气体方程可得：

$\frac{p_3{V}_{t3}}{T_e}=\frac{p_s{V}_{\mathrm{ts}}}{T_s}---\left(7\right)$

其中，P_s为标准状态下大气压，T_s为标准状态下的温度，于是获得标准状态下释放的空气的体积V_ts：

$V_{\mathrm{ts}}=\frac{p_3}{p_s}\frac{T_s}{T_e}{V}_{t3}---\left(8\right)$

将环境温度下被测油样体积V₀换算成标准状态下的油样体积V_os：

V_0S＝V₀-V₀(T₀₁-T_e)A   (9)

其中，A为油样体积膨胀系数。

步骤五：计算油样中含气量；

采用油样中的体积含气量表示油样中含气量α：

$\mathrm{\α}=\frac{V_{\mathrm{ts}}}{V_{\mathrm{os}}}\×100\%---\left(10\right).$

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)在进行初始压力的测量和控制中，通过真空控制器对真空测量室初始压力设定，使压力控制在大于汽轮机油汽化发生的最小压力；从而避免高真空条件汽轮机油汽化，产生的油蒸汽会计入油搅拌释放的空气中，从而带来误差。

(2)当初始压力不再是真空时，油样进入真空室后，会对原残留的空气进行压缩，也就会引起压力的变化，从而产生误差。本发明的计算方法考虑了油样进入真空测量室后对残余气体压缩效应产生的压力变化，用脱气后的真空室的压力减去因压缩产生的压力变化，得到由于脱气产生的气体的压力，从而对原来的直接用真空室脱气后压力减去初始压力得到的脱气产生气体的压力进行了修正。

附图说明

图1是本发明测量计算方法的流程图

图2是本发明测量装置的示意图。

图中：1为体积流量计，2为流量控制阀门，3为进油容器，4为真空测量室，5为磁力搅拌器，6为压力传感器，7为真空控制器，8为真空泵，9为排油孔，10为排油孔阀门。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1-2所示，本发明可控压力体积修正式汽轮机油含气量的测量计算方法，包括以下步骤：

1)初始测量，控制真空测量室(4)初始压力p₁。

首先用排水法和量筒测真空测量室4总体积V_r1；采用真空泵(ILMVAC GmbH提供的412543)及真空控制器(ILMVAC GmbH提供的600053)对测量室抽真空至初始压力p₁，使p₁大于汽轮机油样发生汽化时的最小压力；使用温度测量传感器DS18B20测量环境温度T_e，油样的温度为T_O1，此时设真空测量室4中剩余空气质量为m_r，剩余空气体积为V_r1(此时剩余空气体积为真空测量室4总体积V_r1)，气体常数为R_g。则根据理想气体状态方程，该状态下真空测量室中的剩余空气的基本状态参数满足下式：

p₁V_r1＝m_rR_gT_e   (1)。

2)向真空测量室(4)中加入体积为V₀的油样，计算剩余空气体积V_r2和压力变化p₂。

打开进油容器3的进油管道的控制阀门2，向真空测量室4中加入润滑油样，通过体积流量计1，LC-B4读出其体积为V₀；则油样进入后首先会压缩真空测量室残存的空气，此时剩余空气的体积为V_r2，压力变化为p₂，于是满足下式：

V_r2＝V_r1-V₀   (2)

$p_2=\frac{m_r{R}_g{T}_e}{V_{r2}}---\left(3\right)$

由于进油过程很短，则认为环境温度T_e保持不变，由式(1)-(3)可得：

$P_2=\frac{P_1{V}_{r1}}{V_{r2}}=\frac{P_1{V}_{r1}}{V_{r1}-V_o}---\left(4\right)$

3)搅拌油样使其脱气，计算质量为m_r的原剩余空气在此时变化压力p₃下的分体积V_r3、以及油样中释放出的空气的分体积V_t3。

采用磁力搅拌器5搅拌进入真空测量室的油样，所述磁力搅拌器为南京科尔仪器设备有限公司提供的KR-180，足够长时间后当油中含有的空气全部放出后，采用压力传感器MPX4115A6的读出此时变化压力p₃，则根据亚美格分体积原理，真空测量室质量为m_r的原剩余空气在p₃下的分体积V_r3为：

$V_{r3}=\frac{p_2}{p_3}{V}_{r2}---\left(5\right)$

根据真空测量室中的体积关系可知，此时计算油样中释放出的空气在p₃下的分体积V_t3：

V_t3＝V_r2-V_r3   (6)

4)将油中释放出的空气分体积V_t3和油样体积V₀分别换算成标准状况下对应的体积V_ts和V_os。

由于气体体积受环境温度、大气压力的影响较大，可将V_t3折算到标准状态下的体积；根据理想气体性质可得：

$\frac{p_3{V}_{t3}}{T_e}=\frac{p_s{V}_{\mathrm{ts}}}{T_s}---\left(7\right)$

其中，P_s为标准状态下大气压，一般取101.3kPa，T_s为标准状态下的温度，一般取273K，于是获得标准状态下释放的空气的体积V_ts：

$V_{\mathrm{ts}}=\frac{p_3}{p_s}\frac{T_s}{T_e}{V}_{t3}---\left(8\right)$

同理，将处于环境温度下被测油样体积换算成标准环境下的油样体积V_os：

V_0S＝V₀-V₀(T₀₁-T_e)A   (9)

其中，A为油样体积膨胀系数，一般取0.00065/K，脱气结束后，打开排油孔阀门10，经过足够长时间，使油排出。

5)计算油中含气量；采用油样中的体积含气量表示油样中含气量α：

$\mathrm{\α}=\frac{V_{\mathrm{ts}}}{V_{\mathrm{os}}}=\×100\%---\left(10\right).$

实施例1

以测某电厂所用汽轮机油的含气量为例，采用本发明的测量计算方法进行含气量的计算：

1)初始测量，控制真空测量室(4)初始压力p₁。首先用排水法和量筒测真空测量室4总体积V_r1＝1300ml；采用真空泵(ILMVAC GmbH提供的412543)及真空控制器(ILMVAC GmbH提供的600053)对测量室抽真空至初始压力p₁＝10hpa，且p₁大于汽轮机油样发生汽化时的最小压力；使用温度测量传感器DS18B20测量环境温度T_e＝16.6℃，油样的温度为T_O1＝18.9℃；此时设真空测量室4中剩余空气质量为m_r，剩余空气体积为V_r1(此时剩余空气体积为真空测量室4总体积V_r1)，气体常数为R_g。则根据理想气体状态方程，该状态下真空测量室中的剩余空气的基本状态参数满足下式：

p₁V_r1＝m_rR_gT_e   (1)

2)加入油样，计算剩余空气体积V_r2和压力变化p₂。打开进油容器3的进油管道的控制阀门2，向真空测量室4中加入润滑油样，通过体积流量计1，LC-B4读出其体积为Vo＝50ml；则油样进入后首先会压缩真空测量室残存的空气，此时剩余空气的体积为V_r2，压力变化为p₂，于是满足下式：

$p_2=\frac{m_r{R}_g{T}_e}{V_{r2}}---\left(2\right)$

且加入油样后剩余空气体积V_r2满足下式：

V_r2＝V_r1-V₀＝1300-50＝1250ml   (3)

由于进油过程很短，则认为环境温度T_e保持不变，由式(1)-(3)可得：

$P_2=\frac{P_1{V}_{r1}}{V_{r2}}=\frac{P_1{V}_{r1}}{V_{r1}-V_o}=(10*1300)/1250=10.4\mathrm{hpa}---\left(4\right)$

3)搅拌油样使其脱气，计算质量为m_r的原剩余空气在此时变化压力p₃下的分体积V_r3、以及油样中释放出的空气的分体积V_t3。具体为：采用磁力搅拌器5搅拌进入真空测量室的油样，所述磁力搅拌器为南京科尔仪器设备有限公司提供的KR-180，足够长时间后当油中含有的空气全部放出后，采用压力传感器MPX4115A6的读出此时变化压力p₃＝14hpa，则根据亚美格分体积原理，真空测量室质量为m_r的原剩余空气在p₃下的分体积V_r3为：

$\begin{array}{c}{V}_{r3}=\frac{p_2}{p_3}{V}_{r2}\\ =(10.4/14)*1250=928.6\mathrm{ml}\end{array}---\left(5\right)$

根据真空测量室中的体积关系可知，此时计算油样中释放出的空气在p₃下的分体积V_t3：

V_t3＝V_r2-V_r3＝1250-928.6＝321.4ml   (6)

4)将油中释放出的空气分体积V_t3和油样体积V₀分别换算成标准状况下对应的体积V_ts和V_os。

由于气体体积受环境温度、大气压力的影响较大，可将V_t3折算到标准状态下的体积；根据理想气体性质可得：

$\frac{p_3{V}_{t3}}{T_e}=\frac{p_s{V}_{\mathrm{ts}}}{T_s}---\left(7\right)$

其中，标准状态下大气压P_s为1013hPa，温度T_s为273K，则标准环境油中释放的空气的体积为V_ts，

$V_{\mathrm{ts}}=\frac{p_3}{p_s}\frac{T_s}{T_e}{V}_{t3}=(14/1013)*[273/(16.6+273)]*321.4=4.19\mathrm{ml}---\left(8\right)$

同理，将处于环境温度下被测油样体积换算成标准环境下的油样体积V_os：

V_0S＝V₀-V₀(T₀₁-T_e)A＝50-50*18.9*0.00065＝49.4ml   (9)

其中，A为油样体积膨胀系数，一般取0.00065/K，脱气结束后，打开排油孔阀门10，经过足够长时间，使油排出。

5)计算油中含气量；采用油样中的体积含气量表示油样中含气量α，于是含气量α为：

$\mathrm{\α}=\frac{V_{\mathrm{ts}}}{V_{\mathrm{os}}}=\×{100\%}_{=4.19/49.4*100\%=8.48\%}---\left(10\right)$

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种可控压力体积修正式汽轮机油含气量的测量计算方法，其特征在于，该计算方法包括以下步骤：

步骤一：初始测量，控制真空测量室(4)初始压力p₁；

测量真空测量室(4)总体积V_r1；将真空测量室(4)抽真空至初始压力p₁，所述p₁大于汽轮机油样发生汽化时的最小压力；测量油样的温度T₀₁，环境温度T_e；设真空测量室(4)剩余空气质量为m_r，此时剩余空气体积为总体积V_r1，气体常数为R_g；由理想气体状态方程，该状态下真空测量室(4)中的剩余空气的基本状态参数满足下式：

p₁V_r1＝m_rR_gT_e   (1)

步骤二：向真空测量室(4)中加入体积为V₀的油样，计算剩余空气体积V_r2和压力变化p₂；

V_r2＝V_r1-V₀   (2)

$P_2=\frac{P_1{V}_{r1}}{V_{r1}-V_o}---\left(3\right)$

步骤三：搅拌油样使其脱气，计算质量为m_r的原剩余空气此时在已知变化压力p₃下的分体积V_r3、以及油样中释放出的空气的分体积V_t3；

$V_{r3}=\frac{p_2}{p_3}{V}_{r2}---\left(4\right)$

V_t3＝V_r2-V_r3      (5)

步骤四：将油中释放出的空气分体积V_t3和油样体积V₀分别换算成标准状况下对应的体积V_ts和V_os；

$V_{\mathrm{ts}}=\frac{p_3}{p_s}\frac{T_s}{T_e}{V}_{t3}---\left(6\right)$

V_0S＝V₀-V₀(T₀₁-T_e)A    (7)

其中，P_s为标准状态下大气压，T_s为标准状态下的温度，A为油样体积膨胀系数；

步骤五：计算油样中含气量；

$\mathrm{\α}=\frac{V_{\mathrm{ts}}}{V_{\mathrm{os}}}\×100\%---\left(8\right)$