ALFALAVALS系列净油机工作原理简述及典型故障分析.docx
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ALFALAVALS系列净油机工作原理简述及典型故障分析
ALFALAVALS系列净油机工作原理简述及典型故障分析
作者：
耿、李
1.S系列净油机的产生背景：
具有120多年历史的ALFALAVAL公司在自己的业务领域内一直占据着全球领先的市场地位，其关键的三大核心技术之一——离心分离技术更是一直走在行业的前列，其产品广泛应用于海运、电力等行业的燃油、润滑油处理。
随着燃油加工技术的提高和经济性的要求，船舶实际补给的燃油质量越来越差，其比重接近甚至达到了传统净油机的处理极限值：
991kg/m³@15℃。
我们知道，对于比重不同的燃油，传统净油机必须选用正确尺寸的比重环来获得合适的油水界面位置才能达到良好的分离效果，而随着燃油比重的增加，仅靠改变比重环尺寸调节界面位置就愈加困难，因为影响界面位置的因素除了密度外，还有燃油黏度、流量和温度等。
当燃油比重超过960kg/m³时，界面位置对上述参数的敏感度就大大增加（如图：
1）。
上述任何因素的扰动都可能使界面偏离正常位置，实际上净油机这时已经难以保证有效净化了。
因此传统净油机在处理这部分燃油时显得力不从心，从而使高密度燃油的使用受到了限制。
在这种情况下，基于ALCAP技术（ALCAP的说明见附注）开发的，拥有多项专利技术和最新设计理念的ALFALAVALS系列净油机应运而生，该机型是ALFALAVAL公司新开发的可用于燃油和润滑油净化的全自动单级碟片式离心分离系统，是主要处理高密度燃油的新一代产品。
而专门处理润滑油和柴油等低密度油料的是在S净油机技术平台上开发的P系列净油机。
S净油机是第一台能够满足欧洲标准委员会关于燃油处理技术标准（CWA15375）的净油机！
在处理大比重燃油时，它具有传统净油机无法比拟的超越性能，很快在全球范围内得到广泛应用。
2.S净油机的系统组成及工作原理
这里先简单介绍一下该系统的基本组成和工作原理，以期取得一个比较全面的认识，然后就S净油机主要的技术改进和革新及一例典型故障作深入讨论，希望能对同行的实际工作起到一点帮助。
S净油机系统的最基本组成包括高速旋转的分离机、EPC50控制单元和MT50水分传感器（电容性）。
如图2：
待处理的燃油通过供给泵、加热器（PI调节）、温度变送器TT1和TT2、压力变送器PT1（检测当前的温度和压力值送至EPC50）及气控三通阀V1（未进入实际分离程序时回流至沉淀柜）进入的净油机。
在系统启动时，控制单元EPC50在Ti51~53时间内分别检测油压、净油机转速以及油温是否满足预设的条件，若满足则允许启动分离程序，否则就发出相应的报警。
进入分离程序后，气动三通阀动作，油料经进口管引入分油机，（如图3）在分离筒内燃油中不同比重的成分由于高速旋转产生的离心力在水平方向产生分离。
油泥、颗粒等重质成分积累在分离筒的最边缘，其次是分离出的水，然后是净化后的燃油。
净油通过位于分离盘架顶部具有向心叶片的paringdisc（分界盘）泵出，经过PT4压力监测和MT50水分监测，及背压调节阀等排至日用柜，处理过程中，若PT4监测到净油压力不在设定的范围，则发出报警。
分离水的排出有两种方式：
1.通过V5阀排出；2.通过排渣连同油泥、残渣等一起排出，具体通过何种方式由控制系统决定。
残渣、油泥通过排渣程序排出，排渣按照设定的时间间隔进行（由参数Ti68或Pr1设定，二者同效，修改其中一个另一个自动改变）。
但在一个循环周期内如排水电磁阀V5动作了5次（Fa28，排水次数），则分离程序中断，跳转至Ti74，增加一次排渣。
如排水阀动作5次之后，MT50检测到水分没有降至70以下（即大于Fa27的值），则EPC50发出“waterdrain-INSUFFICIENT”（排水不足）报警。
净油中水分哪怕微量的增加即说明净油机分离效率的下降，而EPC50和MT50相结合保证了分离水的及时排出，因而实现了净油机高效、可靠的运行。
当然，基于ALCAP概念的S净油机性能上的超凡表现更离不开其硬件设计上的重大改进和理念的进步，深入了解其结构和技术特点对我们工作实践中分析和解决问题有很大的帮助，同时我们也能领略到ALFALAVAL研发人员的智慧结晶。
3.S系列净油机性能特点和结构改进
众所周知，传统的分水机和分杂机有各自的优缺点：
前者水处理能力强、工作中油品损失少。
但需要根据燃油比重调节比重环，遇到高比重燃油时无能为力；后者除杂能力强，分水能力差，特别是含水量高的燃油，基本上难以处理，而且无论全排渣还是部分排渣，油品损失都很大。
而S系列净油机做到了对二者的取长补短，原理上S系列净油机可以看作是分水机和分杂机的串联，并偏重工作于分杂机模式。
但其性能上的表现绝对远远大于一台分水机和一台分杂机的简单串联。
由于后文引用的参数较多，在此需简单介绍一下：
参数分为Installationparameters（装置参数）,Processparameters（程序参数）和Factorysetparameters（厂方设定参数）三部分。
分别简写为：
Inxx,Prxx,Faxx（xx代表数字）。
还有一部分重要的时序参数：
Tixx，排在Factorysetparameters后面，对净油机的启动、净化、排渣及停止等过程进行控制，三类参数均可进入设置界面根据需要进行更改。
S型净油机分离水的排出不同于早期的产品，结构上取消了进出油管上原来的双向心轮，改为只有底部一个向心叶轮（排出净油），而上部用于分离水排出的paringdisc（分界盘）被拥有专利技术的paringtube（分界管，或作剥离管）取代，paringtube可以看做是有固定支点的水平作用半径可以改变的单叶片向心泵。
在平衡弹簧和流体力的作用下paringtube象“冲浪”一样跟踪在界面处，其向心作用保持排水口一定的压力PT5（压力变送器）。
其可变的作用半径始终大于排油的paringdisc半径，因而虽然取消了比重环却仍然能保证有效的油水界面，并且可以自动适应不同比重的油料，大大超越了传统净油机处理油料的比重范围，突破了991比重的限制，可以净化比重高达1010kg/m³@15℃，和黏度超过700cst@50℃的燃油，是离心分离技术上的一大进步，它可以分离出燃油中超过85%的5微米以上的颗粒，最大限度地去除水分、催化剂粉末等其他微粒，有效减少对机械设备的磨损。
之所以用paringtube取代paringdisc，除了其界面跟踪性外，更主要的是单叶片可以减少运行中水份被长时间搅动产生的热量，因为用于排水的V5电磁阀只是间歇地打开很短时间，在封闭期间，单叶片的paringtube不至于因搅拌导致净油机头部“过热”。
排渣系统做了重大改进并取得国家专利，靠自身变形来启闭排渣口的柔性排渣盘dischargeslide（中央由螺帽固定，四周在水压作用下可变形的金属薄盘）取代了早期的活动滑盘。
其全置换全空排渣方式号称油品零损失，具有分杂机无法比拟的经济性。
相同的处理能力下，S系列净油机产渣减小为75%。
这归功于两个方面：
首先，S净油机具有更为紧凑小巧的的分离筒；其次，ALCAP技术做到了对工作水的精确控制，密封水、置换水、打开水、关闭水等的进入均受监测，过量将触发报警或导致净油机无法正常工作。
在初次启动时EPC50会提出三个问题：
1.分离筒是否解体？
2.是否按照说明手册正确安装?
3.分离盘是否清洁？
如果三个问题均回答为YES，则系统进入有水封水流量校验过程的启动程序，在Ti59时间内，系统会计算当前SV10（水封水、置换水电磁阀）的流量大小，Ti59为电磁阀SV10的工作水流速计算时间，既定型号（由参数In4设定）的净油机容水量、密封水、置换水等是一定的，在Ti59时间内电磁阀SV10进水、计时，当控制系统EPC50收到净油出口压力变送器PT4的压力（由Fa6设定）反馈，表明分离筒内已经满水，系统便可计算出SV10的水流速，并储存在参数In32里），由此来确定Ti63（密封水时间）和Ti72（置换水时间）的初步数值，然后每次排渣后在Ti65内若检测到净油中含有过量水份，则控制系统自动修正Ti72（置换水时间）数值，以减小下次排渣的置换水量。
如果问题回答均为NO，则程序跳过水封水校验过程，直接从Ti60开始，V10的流量参考上一次的储存值。
基于ALCAP技术的S系列净油机由MT50型水份（电容性）变送器时刻全流量地检测净油中的水份，经过排渣后新的循环开始时刻水份含量最低，所以在Ti67时间内系统检测净油中水份并储存作为参考值，此后水份升高超过参考值允许范围说明分离效率的降低，则控制系统触发V5电磁阀动作，排出过量的水份，使油水界面外移，当水分含量低于70（由Fa27设定）时，V5阀关闭，从而得以维持S系列净油机的高效率运行。
但在一个分离程序内，这种排水不超过5次。
拥有专利技术的弹簧卡环取代了早期的螺纹锁环，这项技术称为centrilock（不锈钢材料的弹簧卡环取代原碳钢螺纹锁环，），减少了部件间磨损，且使净油机拆装变得轻轻松松，不再需要大榔头和笨重的专用工具。
S系列净油机对所有的重要参数实行有效监控，从而保证净油机可靠安全的运行。
每次排渣后以及两次排渣的中间时刻都会进行分离筒密封性实验，严防“跑冒滴漏”。
此外，几乎每一个重要程序,如排渣是否成功、置换水的引入、供油阀V1的打开与关闭、放水阀V5的泄放等，EPC50控制系统都必须在特定的时间内收到反馈信号，否则发出相应的报警。
4.S净油机结构上的其他改变和重要缺陷：
S净油机采用皮带传动取代了蜗轮蜗杆传动，立轴底部更加紧凑、简化。
立轴在结构上有较大改变，底部设计有一油泵，下轴承采用自对中式滚柱轴承，立轴的皮带轮毂（spindlepulley）上有4个孔作为对上轴承润滑的油雾通道。
上轴承为单列滚珠轴承，紧靠上轴承装有1个离心式油雾风扇。
在高速旋转时，油雾风扇通过轮毂通道抽吸底部油室的油雾供给上轴承润滑。
也即，上轴承不是飞溅或压力注油润滑，而是气雾润滑！
气雾油分浓度的大小直接影响到上轴承的润滑和散热。
笔者工作中曾多次遇到上轴承因缺油而损坏的现象，最严重的一次由于上轴承烧融，导致分离盆与立轴的配合锥面金属粘结而无法拆解（如图3粗实线所示部分），由于新船出厂不久，所以整机吊出返厂保修。
究其原因，关键是仅靠离心风扇抽吸的油雾本来就很难保证上轴承得到充分的润滑和冷却，再加上其他可能的异常情况，如：
风扇变形，降低了油雾抽吸效果；油泵油孔堵塞；立轴对中不良和分离筒不平衡造成轴承负荷增加等，更易造成该轴承的损坏。
ALFALAVAL也认识到了其设计上的缺陷，采取了一定的补救措施。
如发布技术通告建议缩短备用净油机的停用时间，若停机超过30天，启动前要求拆解分油机，人工对上轴承加油预润滑。
实际工作中我们往往采用更为保守的措施，每隔10天或一周将两台机器交替使用，或将备用机启动运转，使其达到正常转速运行几分钟，让上轴承得到一定的油雾润滑，这样可以免去人工润滑需解体净油机的麻烦。
另一方面，部分船舶已经收到ALFALAVAL免费配送的改进后的皮带轮毂（spindlepulley，将油雾通道增加为9孔），供替换，目的是改善轴承的润滑条件。
工作中发现，相对于早期产品，立轴上轴承是该型净油机最易出现损坏性故障的部件，其带来的问题远不止损坏一只轴承这么简单，往往同时会造成与其相邻的油雾风扇的损坏。
更有甚者，由于该轴承烧融、粘结，立轴必将突然降速或停转，而高速运转的分离筒组件因强大的惯性力无法立即停止，从而导致分离盘底盘（bowlbody）与立轴在配合锥面处发生滑动摩擦而粘着（图3所示部位），皮带烧坏等。
为避免此类故障的发生，管理者应密切关注运行净油机的震动状况和声响，任何震动和异响都可能造成轴承过载，带来严重后果。
另外，定期检查更滑滑油，保证滑油清洁，油质良好也是十分必要的工作。
5．S净油机配水机构的改进和故障分析：
工作水对维持净油机的正常运行起着极其重要的作用，也是解决许多问题的关键。
有典型一例：
某VLCC，航行于中东---国内航线，配S855净油机2台，在某航次开航前No.2净油机因本体故障（正是上述提到的立轴锥面粘着）整个转动组件拆下进厂，故接下来的航次里只有一台FO净油机。
某日在印度洋海域，No.1FO净油机突然发出OILLEAKINGFORMBOWL（分离盘跑油）报警，然后转速快速下降直到低于Fa11（分离机最低转速设定）而自动停车，多次重新起动均是如此！
日用柜的存量只能维持消耗10多个小时，这段时间内必须恢复净油机的运行。
最后查明其实故障原因非常简单，但由于没有理性的分析和对本机型工作水的深刻认识，解决这个问题时走了很大的弯路：
花费10多小时，整台机器被反反复复拆解了好几遍，几乎所有的易损件、密封件包括摩擦片、皮带、轴承等都先后做了更换，但始终没有解决问题。
在净油机第一次拆检后，轮机长曾抽出V16（关闭水）阀的节流板，发现小孔堵塞但没有清通，而是随手与No.2净油机的节流板对换了一下，但对换后故障现象依然如故！
所以大家便没有再从关闭水方面考虑，以致后来做了很多冤枉工作。
此时日用柜油位低到了极限，大家也实在束手无策了，不得不考虑主机停车，将存油维持辅机发电。
正在此时，笔者将两台净油机的V16（关闭水）阀节流板抽出做了对比，顿时恍然大悟！
对比发现No.2的节流孔（约4mm）至少比No.1（约1.5-2mm）大一倍，No.1的节流板因为堵塞造成关闭水不足，当然分离盆无法关闭，而换用的No.2的节流板因为节流孔异常变大（中间带孔的非金属材料嵌入节流板中，这个小孔由于冲刷或别的原因明显变大）造成关闭水过量，在Ti62（关闭水进入时间）时间内分离盆关闭后又因关闭水过量而再次打开！
所以两种截然相反的原因产生了完全相同的故障结果，（后来想到No.2净油机进厂前也有同样的故障现象还没有解决，现在也清楚原因了）。
将堵塞的No.1节流板清通后装复，净油机运行完全正常！
分析：
产生这种“过犹不及”的现象是S系列净油机配水系统的特殊性决定的。
众所周知，早期的ALFALAVAL净油机开、关盆工作水分别由V15、V16电磁阀控制，分两路进入配水盘。
S净油机的工作水虽然也分别由V15、V16电磁阀控制，但在阀后两路水合二为一，即通过同一根管系进入配水盘，至于是开盆还是关盆，完全由“流量”决定！
因为两个电磁阀的节流孔径不同，V15（打开水）孔径约4mm，短时大流量，起开盆作用；V16（关闭水）孔径约1.5mm，长时小流量，起关盆作用。
在系统启动之初，无论是有水封水校验的启动还是无校验的启动，电磁阀V15都分别在Ti56和Ti60内有3~5秒的打开时间，这是很关键的一步，主要目的有两个：
一是为后面的关闭动作提供必要的工作水，即空间4中充满水。
（参考图4）否则，后续的水流量校验或者燃油净化程序都无从谈起。
二是清空分离筒（如果上次是失电等非正常停止，会造成分离筒内留有残油）。
经Ti61（15秒，工作水泄放时间）稳定之后的状态是空间3通过通道10放空，空间5中的水通过nozzle（喷嘴）放空，operatingslide（控制滑盘）在水静压力（空间4）的作用下上移，则valveplug（阀塞）关闭泄放口10，dischargeslide
（排渣盘）处于自由状态，排渣口开启。
关盆工作水流量小（不会进入6或少量进入但被泄放），路径如下：
V16（小流量）→1→2→3，由于分离筒的高速运转，室3中的水产生很大的静压力，迫使dischargeslide（排渣盘）周边变形上移，关闭排渣口，从而完成关盆动作。
而开盆水的流量很大，空间1中的水界面内移，除了进入2、3外，过量水的路径：
V15→1→6→4→5，在5处，一部分水会通过nozzle（喷嘴）泄放，但供水量大于泄放，故空间5虚线之外仍然充满水，虚线以内的水从11孔泄放。
此时operatingslide（控制滑盘）同时受空间4、5的水压作用，但向下的受力面积大于向上的面积。
因此，operatingslide（控制滑盘）下移，valveplug（阀塞）打开泄放口10，空间3中的水被泄放，dischargeslide（排渣盘）在自身弹性和离心力的作用下复位，从而打开排渣口。
分离盆中的内容物呈“喷射式”全部排出，这就是ALFALAVAL称之为centrishoot（具有上述功能的ALFALAVAL新开发的中央固定的排渣盆，通过其周边挠性变形启闭排渣口）的排渣技术。
V15的打开时间仅约3秒，空间5的水很快通过nozzle（喷嘴）排出，在4的静压力作用下，operatingslide（控制滑盘）再次上移（早期型号靠复位弹簧上移），关闭泄放口10，为下一个循环的关盆程序做准备。
从上述实例可以看出弄清楚设备工作原理对于分析和解决问题非常重要。
上例中本是举手之劳便可解决的故障，却花了轮机人员大量的人力、时间，做了大量的拆检、更换工作。
如果能按照先易后难的原则，先冷静地从原理上认真分析一下，或许更有助于解决问题。
附：
关于ALCAP概念：
ALCAP是AlfaLavalClarifierAndPurifier的缩写，从字面不难看出，基于该技术开发的净油机同时具有分杂机和分水机的优点，但更侧重于分杂性能，甚至于可以看做成一台兼有分水机优良分水性能的分杂机！
因此S净油机甚至能够处理比重为1010kg/m3的高比重的燃料油。
根据ALCAP概念要求，EPC50和MT50相结合实现了对净油全流量的水分监测，水分的微量增加即认为净油机分离效率下降，则控制系统发出排水或排渣的指令，从而保证净油机高效地运行。
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