ALFA LAVAL S系列凈油機(jī)工作原理簡述及典型故障分析  

1. S系列凈油機(jī)的產(chǎn)生背景：具有120多年歷史的ALFA LAVAL公司在自己的業(yè)務(wù)領(lǐng)域內(nèi)一直占據(jù)著的市場地位，其關(guān)鍵的三大核心技術(shù)之一——離心分離技術(shù)更是一直走在行業(yè)的前列，其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于海運(yùn)、電力等行業(yè)的燃油、潤滑油處理。  隨著燃油加工技術(shù)的提高和經(jīng)濟(jì)性的要求，船舶實(shí)際補(bǔ)給的燃油質(zhì)量越來越差，其比重接近甚至達(dá)到了傳統(tǒng)凈油機(jī)的處理極限值： 991 kg/m³@15℃。我們知道，對于比重不同的燃油，傳統(tǒng)凈油機(jī)必須選用正確尺寸的比重環(huán)來獲得合適的油水界面位置才能達(dá)到良好的分離效果，而隨著燃油比重的增加，僅 靠改變比重環(huán)尺寸調(diào)節(jié)界面位置就愈加困難，因?yàn)橛绊懡缑嫖恢玫囊蛩爻嗣芏韧猓€有燃油黏度、流量和溫度等。當(dāng)燃油比重超過960 kg/m³時，界面位置對上述參數(shù)的敏感度就大大增加

（如圖：1）。上述任何因素的擾動都可能使界面偏離正常位置，實(shí)際上凈油機(jī)這時已經(jīng)難以保證有效凈化了。因此傳統(tǒng)凈油機(jī)在處理這部分燃油時顯得力不從心，從而使高密度燃油的使用受到了限制。  在這種情況下，基于ALCAP技術(shù)（ALCAP的說明見附注）開發(fā)的，擁有多項(xiàng)技術(shù)和設(shè)計(jì)理念的 ALFA LAVAL S系列凈油機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，該機(jī)型是ALFA LAVAL 
Alfa Labal公司新開發(fā)的可用于燃油和潤滑油凈化的全自動單級碟片式離心分離系統(tǒng)，是主要處理高密度燃油的新一代產(chǎn)品。而專門處理潤滑油和柴油等低密度油料的是在S凈油機(jī)技術(shù)平臺上開發(fā)的P系列凈油機(jī)。S 凈油機(jī)是*臺能夠滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會關(guān)于燃油處理技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（CWA 15 375）的凈油機(jī)！在處理大比重燃油時，它具有傳統(tǒng)凈油機(jī)*的超越性能，很快在范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。  2. S凈油機(jī)的系統(tǒng)組成及工作原理      這里先簡單介紹一下該系統(tǒng)的基本組成和工作原理，以期取得一個比較全面的認(rèn)識，然后就S凈油機(jī)主要的技術(shù)改進(jìn)和革新及一例典型故障作深入討論，希望能對同行的實(shí)際工作起到一點(diǎn)幫助。  S凈油機(jī)系統(tǒng)的zui基本組成包括高速旋轉(zhuǎn)的分離機(jī)、EPC50控制單元和MT50水分傳感器（電容性）。

如圖2：待處理的燃油通過供給泵、加熱器（PI調(diào)節(jié)）、溫度變送器TT1和TT2、壓力變送器PT1（檢測當(dāng)前的溫度和壓力值送至EPC50）及氣控三通閥V1（未進(jìn)入實(shí)際分離程序時回流至沉淀柜）進(jìn)入的凈油機(jī)。  在系統(tǒng)啟動時，控制單元EPC50在Ti51~53時間內(nèi)分別檢測油壓、凈油機(jī)轉(zhuǎn)速以及 油溫是否滿足預(yù)設(shè)的條件，若滿足則允許啟動分離程序，否則就發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警。

進(jìn)入分離程序后，氣動三通閥動作，油料經(jīng)進(jìn)口管引入分油機(jī)，（如圖3）在分離筒內(nèi)燃油中不同比重的成分由于高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力在水平方向產(chǎn)生分離。

油泥、顆粒等重質(zhì)成分積累在分離筒的zui邊緣，其次是分離出的水，然后是凈化后的燃油。凈油通過位于分離盤架頂部具有向 心葉片的paring disc（分界盤）泵出，經(jīng)過PT4壓力監(jiān)測和MT50水分監(jiān)測，及背壓調(diào)節(jié)閥等排至日用柜，處理過程中，若PT4監(jiān)測到凈油壓力不在設(shè)定的范圍，則發(fā)出報(bào)警。  分離水的排出有兩種方式：1.通過V5閥排出； 2. 通過排渣連同油泥、殘?jiān)纫黄鹋懦觯唧w通過何種方式由控制系統(tǒng)決定。  殘?jiān)⒂湍嗤ㄟ^排渣程序排出，排渣按照設(shè)定的時間間隔進(jìn)行（由參數(shù)Ti68或Pr1設(shè)定，二者同效，修改其中一個另一個自動改變）。但在一個循環(huán)周期內(nèi)如排水電磁閥V5動作了5次（Fa28，排水次數(shù)），則分離程序中斷，跳轉(zhuǎn)至Ti74，增加一次排渣。如排水閥動作5次之后，MT50檢測到水分沒有降至70以下(即大于Fa27的值)，則EPC50發(fā)出“water drain-INSUFFICIENT”（排水不足）報(bào)警。  凈油中水分哪怕微量的增加即說明凈油機(jī)分離效率的下降，而EPC50和MT50
相結(jié)合保證了分離水的及時排出，因而實(shí)現(xiàn)了凈油機(jī)、可靠的運(yùn)行。當(dāng)然，基于ALCAP概念的S 凈油機(jī)性能上的超凡表現(xiàn)更離不開其硬件設(shè)計(jì)上的重大改進(jìn)和理念的進(jìn)步，深入了解其結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)對我們工作實(shí)踐中分析和解決問題有很大的幫助，同時我們也能領(lǐng)略到ALFA LAVAL研發(fā)人員的智慧結(jié)晶。  3. S系列凈油機(jī)性能特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)  *，傳統(tǒng)的分水機(jī)和分雜機(jī)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)：前者水處理能力強(qiáng)、工作中油品損失少。但需要根據(jù)燃油比重調(diào)節(jié)比重環(huán)，遇到高比重燃油時無能為力；后者除雜能力強(qiáng)，分水能力差，特別是含水量高的燃油，基本上難以處理，而且無論全排渣還是部分排渣，油品損失都很大。而S系列凈油機(jī)做到了對二者的取長補(bǔ)短，原理上S系列凈油機(jī)可以看作是分水機(jī)和分雜機(jī)的串聯(lián)，并偏重工作于分雜機(jī)模式。但其性能上的表現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一臺分水機(jī)和一臺分雜機(jī)的簡單串聯(lián)。  

ALFA LAVAL S系列凈油機(jī)工作原理簡述及典型故障分析

由于后文引用的參數(shù)較多，在此需簡單介紹一下：參數(shù)分為Installation parameters（裝置參數(shù)）, Process parameters （程序參數(shù)）和 Factory set parameters（廠方設(shè)定參數(shù)） 三部分。分別簡寫為：Inxx, Prxx, x（xx代表數(shù)字）。還有一部分重要的時序參數(shù)：Tixx，排在Factory set parameters后面，對凈油機(jī)的啟動、凈化、排渣及停止等過程進(jìn)行控制，三類參數(shù)均可進(jìn)入設(shè)置界面根據(jù)需要進(jìn)行更改。  S型凈油機(jī)分離水的排出不同于早期的產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)上取消了進(jìn)出油管上原來的雙向心輪，改為只有底部一個向心葉輪（排出凈油），而上部用于分離水排出的paring disc（分界盤）被擁有技術(shù)的paring tube（分界管，或作剝離管）取代， paring tube可以看做是有固定支點(diǎn)的水平作用半徑可以改變的單葉片向心泵。在平衡彈簧和流體力的作用下paring tube象“沖浪”一樣跟蹤在界面處，其向心作用保持排水口一定的壓力PT5（壓力變送器）。其可變的作用半徑始終大于排油的paring disc半徑，因而雖然取消了比重環(huán)卻仍然能保證有效的油水界面，并且可以自動適應(yīng)不同比重的油料，大大超越了傳統(tǒng)凈油機(jī)處理油料的比重范圍，突破了991比重的限制，可以凈化比重高達(dá)1010 kg/m³@15℃，和黏度超過700cst@50℃的燃油，是離心分離技術(shù)上的一大進(jìn)步，它可以分離出燃油中超過85%的5微米以上的顆粒，zui大限度地去除水分、催化劑粉末等其他微粒，有效減少對機(jī)械設(shè)備的磨損。  之所以用paring tube取代paring disc，除了其界面跟蹤性外，更主要的是單葉片可以減少運(yùn)行中水份被長時間攪動產(chǎn)生的熱量，因?yàn)橛糜谂潘腣5電磁閥只是間歇地打開很短時間，在封閉期間，單葉片的paring tube不至于因攪拌導(dǎo)致凈油機(jī)頭部“過熱”。  排渣系統(tǒng)做了重大改進(jìn)并取得國家，靠自身變形來啟閉排渣口的柔性排渣盤discharge slide（中央由螺帽固定，四周在水壓作用下可變形的金屬薄盤） 取代了早期的活動滑盤。其全置換全空排渣方式號稱油品零損失，具有分雜機(jī)*的經(jīng)濟(jì)性。相同的處理能力下，S系列凈油機(jī)產(chǎn)渣減小為75%。這歸功于兩個方面：首先，S凈油機(jī)具有更為緊湊小巧的的分離筒；其次，ALCAP技術(shù)做到了對工作水的控制，密封水、置換水、打開水、關(guān)閉水等的進(jìn)入均受監(jiān)測，過量將觸發(fā)報(bào)警或?qū)е聝粲蜋C(jī)無法正常工作。  在初次啟動時EPC50會提出三個問題：1.分離筒是否解體？2. 是否按照說明手冊正確安裝? 3. 分離盤是否清潔？如果三個問題均回答為YES，則系統(tǒng)進(jìn)入有水封水流量校驗(yàn)過程的啟動程序，在Ti59時間內(nèi)，系統(tǒng)會計(jì)算當(dāng)前SV10（水封水、置換水電磁閥）的流量大小，Ti59為電磁閥SV10的工作水流速計(jì)算時間，既定型號（由參數(shù)In4設(shè)定）的凈油機(jī)容水量、密封水、置換水等是一定的，在Ti59時間內(nèi)電磁閥SV10進(jìn)水、計(jì)時，當(dāng)控制系統(tǒng)EPC50收到凈油出口壓力變送器PT4的壓力(由Fa6設(shè)定)反饋，表明分離筒內(nèi)已經(jīng)滿水，系統(tǒng)便可計(jì)算出SV10的水流速，并儲存在參數(shù)In32里），由此來確定Ti63（密封水時間）和 Ti72（置換水時間）的初步數(shù)值，然后每次排渣后在Ti65內(nèi)若檢測到凈油中含有過量水份，則控制系統(tǒng)自動修正Ti72（置換水時間）數(shù)值，以減小下次排渣的置換水量。如果問題回答均為NO，則程序跳過水封水校驗(yàn)過程，直接從Ti60開始，V10的流量參考上一次的儲存值。  基于ALCAP技術(shù)的S系列凈油機(jī)由MT50型水份（電容性）變送器時刻全流量地檢測凈油中的水份，經(jīng)過排渣后新的循環(huán)開始時刻水份含量zui低，所以在Ti67時間內(nèi)系統(tǒng)檢測凈油中水份并儲存作為參考值，此后水份升高超過參考值允許范圍說明分離效率的降低，則控制系統(tǒng)觸發(fā)V5電磁閥動作，排出過量的水份，使油水界面外移，當(dāng)水分含量低于70（由Fa27設(shè)定）時，V5閥關(guān)閉，從而得以維持S系列凈油機(jī)的率運(yùn)行。但在一個分離程序內(nèi)，這種排水不超過5次。  擁有技術(shù)的彈簧卡環(huán)取代了早期的螺紋鎖環(huán)，這項(xiàng)技術(shù)稱為centrilock（不銹鋼材料的彈簧卡環(huán)取代原碳鋼螺紋鎖環(huán)，），減少了部件間磨損，且使凈油機(jī)拆裝變得輕輕松松，不再需要大榔頭和笨重的工具。  S系列凈油機(jī)對所有的重要參數(shù)實(shí)行有效監(jiān)控，從而保證凈油機(jī)可靠安全的運(yùn)行。每次排渣后以及兩次排渣的中間時刻都會進(jìn)行分離筒密封性實(shí)驗(yàn)，嚴(yán)防“跑冒滴漏”。此外，幾乎每一個重要程序, 如排渣是否成功、置換水的引入、供油閥V1的打開與關(guān)閉、放水閥V5的泄放等，EPC50控制系統(tǒng)都必須在特定的時間內(nèi)收到反饋信號，否則發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警。
4. S凈油機(jī)結(jié)構(gòu)上的其他改變和重要缺陷：  S凈油機(jī)采用皮帶傳動取代了蝸輪蝸桿傳動，立軸底部更加緊湊、簡化。立軸在結(jié)構(gòu)上有較大改變，底部設(shè)計(jì)有一油泵，下軸承采用自對中式滾柱軸承，立軸的皮帶輪轂（spindle pulley）上有4個孔作為對上軸承潤滑的油霧通道。上軸承為單列滾珠軸承，緊靠上軸承裝有1個離心式油霧風(fēng)扇。在高速旋轉(zhuǎn)時，油霧風(fēng)扇通過輪轂通道抽吸底部油室的油霧供給上軸承潤滑。也即，上軸承不是飛濺或壓力注油潤滑，而是氣霧潤滑！氣霧油分濃度的大小直接影響到上軸承的潤滑和散熱。筆者工作中曾多次遇到上軸承因缺油而損壞的現(xiàn)象，zui嚴(yán)重的一次由于上軸承燒融，導(dǎo)致分離盆與立軸的配合錐面金屬粘結(jié)而無法拆解（如圖3粗實(shí)線所示部分），由于新船出廠不久，所以整機(jī)吊出返廠保修。  究其原因，關(guān)鍵是僅靠離心風(fēng)扇抽吸的油霧本來就很難保證上軸承得到充分的潤滑和冷卻，再加上其他可能的異常情況，如：風(fēng)扇變形，降低了油霧抽吸效果；油泵油孔堵塞；立軸對中不良和分離筒不平衡造成軸承負(fù)荷增加等，更易造成該軸承的損壞。  ALFA LAVAL也認(rèn)識到了其設(shè)計(jì)上的缺陷，采取了一定的補(bǔ)救措施。如發(fā)布技術(shù)通告建議縮短備用凈油機(jī)的停用時間，若停機(jī)超過30天，啟動前要求拆解分油機(jī)，人工對上軸承加油預(yù)潤滑。實(shí)際工作中我們往往采用更為保守的措施，每隔10天或一周將兩臺機(jī)器交替使用，或?qū)溆脵C(jī)啟動運(yùn)轉(zhuǎn)，使其達(dá)到正常轉(zhuǎn)速運(yùn)行幾分鐘，讓上軸承得到一定的油霧潤滑，這樣可以免去人工潤滑需解體凈油機(jī)的麻煩。另一方面，部分船舶已經(jīng)收到ALFA LAVAL免費(fèi)配送的改進(jìn)后的皮帶輪轂（spindle pulley，將油霧通道增加為9孔），供替換，目的是改善軸承的潤滑條件。工作中發(fā)現(xiàn)，相對于早期產(chǎn)品，立軸上軸承是該型凈油機(jī)zui易出現(xiàn)損壞性故障的部件，其帶來的問題遠(yuǎn)不止損壞一只軸承這么簡單，往往同時會造成與其相鄰的油霧風(fēng)扇的損壞。更有甚者，由于該軸承燒融、粘結(jié)，立軸必將突然降速或停轉(zhuǎn)，而高速運(yùn)轉(zhuǎn)的分離筒組件因強(qiáng)大的慣性力無法立即停止，從而導(dǎo)致分離盤底盤（bowl body）與立軸在配合錐面處發(fā)生滑動摩擦而粘著（圖3所示部位），皮帶燒壞等。為避免此類故障的發(fā)生，管理者應(yīng)密切關(guān)注運(yùn)行凈油機(jī)的震動狀況和聲響，任何震動和異響都可能造成軸承過載，帶來嚴(yán)重后果。另外，定期檢查更滑滑油，保證滑油清潔，油質(zhì)良好也是十分必要的工作。  5．S凈油機(jī)配水機(jī)構(gòu)的改進(jìn)和故障分析：  工作水對維持凈油機(jī)的正常運(yùn)行起著極其重要的作用，也是解決許多問題的關(guān)鍵。有典型一例：某VLCC，航行于中東---國內(nèi)航線，配S855凈油機(jī)2臺，在某航次開航前No.2凈油機(jī)因本體故障（正是上述提到的立軸錐面粘著）整個轉(zhuǎn)動組件拆下進(jìn)廠，故接下來的航次里只有一臺FO凈油機(jī)。某日在印度洋海域，F(xiàn)O凈油機(jī)突然發(fā)出OIL LEAKING FORM BOWL(分離盤跑油)報(bào)警，然后轉(zhuǎn)速快速下降直到低于Fa11（分離機(jī)zui低轉(zhuǎn)速設(shè)定）而自動停車，多次重新起動均是如此！日用柜的存量只能維持消耗10多個小時，這段時間內(nèi)必須恢復(fù)凈油機(jī)的運(yùn)行。zui后查明其實(shí)故障原因非常簡單，但由于沒有理性的分析和對本機(jī)型工作水的深刻認(rèn)識，解決這個問題時走了很大的彎路：花費(fèi)10多小時，整臺機(jī)器被反反復(fù)復(fù)拆解了好幾遍，幾乎所有的易損件、密封件包括摩擦片、皮帶、軸承等都先后做了更換，但始終沒有解決問題。在凈油機(jī)*次拆檢后，輪機(jī)長曾抽出V16（關(guān)閉水）閥的節(jié)流板，發(fā)現(xiàn)小孔堵塞但沒有清通，而是隨手與No.2凈油機(jī)的節(jié)流板對換了一下，但對換后故障現(xiàn)象依然如故！所以大家便沒有再從關(guān)閉水方面考慮，以致后來做了很多冤枉工作。  此時日用柜油位低到了極限，大家也實(shí)在束手無策了，不得不考慮主機(jī)停車，將存油維持輔機(jī)發(fā)電。正在此時，筆者將兩臺凈油機(jī)的V16（關(guān)閉水）閥節(jié)流板抽出做了對比，頓時恍然大悟！對比發(fā)現(xiàn)No.2的節(jié)流孔（約4mm）至少比（約1.5-2mm)大一倍， 的節(jié)流板因?yàn)槎氯斐申P(guān)閉水不足，當(dāng)然分離盆無法關(guān)閉，而換用的No.2的節(jié)流板因?yàn)楣?jié)流孔異常變大（中間帶孔的非金屬材料嵌入節(jié)流板中，這個小孔由于沖刷或別的原因明顯變大）造成關(guān)閉水過量，在Ti62（關(guān)閉水進(jìn)入時間）時間內(nèi)分離盆關(guān)閉后又因關(guān)閉水過量而再次打開！所以兩種截然相反的原因產(chǎn)生了*相同的故障結(jié)果，（后來想到No.2凈油機(jī)進(jìn)廠前也有同樣的故障現(xiàn)象還沒有解決，現(xiàn)在也清楚原因了）。將堵塞的節(jié)流板清通后裝復(fù)，凈油機(jī)運(yùn)行*正常！  分析：產(chǎn)生這種“過猶不及”的現(xiàn)象是S系列凈油機(jī)配水系統(tǒng)的特殊性決定的。*，早期的ALFA LAVAL凈油機(jī)開、關(guān)盆工作水分別由V15、V16電磁閥控制，分兩路進(jìn)入配水盤。S凈油機(jī)的工作水雖然也分別由V15、V16電磁閥控制，但在閥后兩路水合二為一，即通過同一根管系進(jìn)入配水盤，至于是開盆還是關(guān)盆，*由“流量”決定！因?yàn)閮蓚€電磁閥的節(jié)流孔徑不同，V15（打開水）孔徑約4mm，短時大流量，起開盆作用；V16（關(guān)閉水）孔徑約1.5mm，長時小流量，起關(guān)盆作用。   在系統(tǒng)啟動之初，無論是有水封水校驗(yàn)的啟動還是無校驗(yàn)的啟動，電磁閥V15都分別在Ti56和Ti60內(nèi)有3~5秒的打開時間，這是很關(guān)鍵的一步，主要目的有兩個：一是為后面的關(guān)閉動作提供必要的工作水，即空間4中充滿水。ALFA LAVAL S系列凈油機(jī)工作原理簡述及典型故障分析（參考圖4）否則，后續(xù)的水流量校驗(yàn)或者燃油凈化程序都無從談起。
二是清空分離筒（如果上次是失電等非正常停止，會造成分離筒內(nèi)留有殘油）。經(jīng)Ti61（15秒，工作水泄放時間）穩(wěn)定之后的 狀態(tài)是空間3通過通道10放空，空間5中的水通過nozzle（噴嘴）放空，operating slide （控制滑盤）在水靜壓力（空間4）的作用下上移，則valve plug（閥塞） 關(guān)閉泄放口10，discharge slide（排渣盤） 處于自由狀態(tài)，排渣口開啟。  關(guān)盆工作水流量小（不會進(jìn)入6或少量進(jìn)入但被泄放），路徑如下：V16（小流量）→1→2→3，由于分離筒的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，室3中的水產(chǎn)生很大的靜壓力，迫使discharge slide（排渣盤）周邊變形上移，關(guān)閉排渣口，從而完成關(guān)盆動作。  而開盆水的流量很大，空間1中的水界面內(nèi)移，除了進(jìn)入2、3外，過量水的路徑：V15→1→6→4→5，在5處，一部分水會通過nozzle（噴嘴）泄放，但供水量大于泄放，故空間5虛線之外仍然充滿水，虛線以內(nèi)的水從11孔泄放。此時operating slide（控制滑盤）同時受空間4、5的水壓作用，但向下的受力面積大于向上的面積。因此，operating slide（控制滑盤）下移，valve plug（閥塞）打開泄放口10，空間3中的水被泄放，discharge slide（排渣盤）在自身彈性和離心力的作用下復(fù)位，從而打開排渣口。分離盆中的內(nèi)容物呈“噴射式”全部排出，這就是ALFA LAVAL稱之為centrishoot（具有上述功能的ALFA LAVAL新開發(fā)的中央固定的排渣盆，通過其周邊撓性變形啟閉排渣口）的排渣技術(shù)。V15的打開時間僅約3秒，空間5的水很快通過nozzle（噴嘴）排出，在4的靜壓力作用下，operating slide（控制滑盤）再次上移（早期型號靠復(fù)位彈簧上移），關(guān)閉泄放口10，為下一個循環(huán)的關(guān)盆程序做準(zhǔn)備。  從上述實(shí)例可以看出弄清楚設(shè)備工作原理對于分析和解決問題非常重要。上例中本是舉手之勞便可解決的故障，卻花了輪機(jī)人員大量的人力、時間，做了大量的拆檢、更換工作。如果能按照先易后難的原則，先冷靜地從原理上認(rèn)真分析一下，或許更有助于解決問題。    附：關(guān)于ALCAP概念：  ALCAP是Alfa Laval Clarifier And Purifier的縮寫，從字面不難看出， 基于該技術(shù)開發(fā)的凈油機(jī)同時具有分雜機(jī)和分水機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，但更側(cè)重于分雜性能，甚至于可以看做成一臺兼有分水機(jī)優(yōu)良分水性能的分雜機(jī)！因此S凈油機(jī)甚至能夠處理比重為1010kg/m3的高比重的燃料油。  根據(jù)ALCAP概念要求，EPC50和MT50相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了對凈油全流量的水分監(jiān)測，水分的微量增加即認(rèn)為凈油機(jī)分離效率下降，則控制系統(tǒng)發(fā)出排水或排渣的指令，從而保證凈油機(jī)地運(yùn)行。