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ALFA LAVAL S系列凈油機工作原理簡述及典型故障分析  

1. S系列凈油機的產生背景：具有120多年歷史的ALFA LAVAL公司在自己的業務領域內一直占據著的市場地位，其關鍵的三大核心技術之一——離心分離技術更是一直走在行業的前列，其產品廣泛應用于海運、電力等行業的燃油、潤滑油處理。  隨著燃油加工技術的提高和經濟性的要求，船舶實際補給的燃油質量越來越差，其比重接近甚至達到了傳統凈油機的處理極限值： 991 kg/m³@15℃。我們知道，對于比重不同的燃油，傳統凈油機必須選用正確尺寸的比重環來獲得合適的油水界面位置才能達到良好的分離效果，而隨著燃油比重的增加，僅 靠改變比重環尺寸調節界面位置就愈加困難，因為影響界面位置的因素除了密度外，還有燃油黏度、流量和溫度等。當燃油比重超過960 kg/m³時，界面位置對上述參數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，實際上凈油機這時已經難以保證有效凈化了。因此傳統凈油機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（ALCAP的說明見附注）開發的，擁有多項技術和設計理念的 ALFA LAVAL S系列凈油機應運而生，該機型是ALFA LAVAL 
Alfa Labal公司新開發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，是主要處理高密度燃油的新一代產品。而專門處理潤滑油和柴油等低密度油料的是在S凈油機技術平臺上開發的P系列凈油機。S 凈油機是*臺能夠滿足歐洲標準委員會關于燃油處理技術標準（CWA 15 375）的凈油機！在處理大比重燃油時，它具有傳統凈油機*的超越性能，很快在范圍內得到廣泛應用。  2. S凈油機的系統組成及工作原理      這里先簡單介紹一下該系統的基本組成和工作原理，以期取得一個比較全面的認識，然后就S凈油機主要的技術改進和革新及一例典型故障作深入討論，希望能對同行的實際工作起到一點幫助。  S凈油機系統的zui基本組成包括高速旋轉的分離機、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調節）、溫度變送器TT1和TT2、壓力變送器PT1（檢測當前的溫度和壓力值送至EPC50）及氣控三通閥V1（未進入實際分離程序時回流至沉淀柜）進入的凈油機。  在系統啟動時，控制單元EPC50在Ti51~53時間內分別檢測油壓、凈油機轉速以及 油溫是否滿足預設的條件，若滿足則允許啟動分離程序，否則就發出相應的報警。

進入分離程序后，氣動三通閥動作，油料經進口管引入分油機，（如圖3）在分離筒內燃油中不同比重的成分由于高速旋轉產生的離心力在水平方向產生分離。

油泥、顆粒等重質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，經過PT4壓力監測和MT50水分監測，及背壓調節閥等排至日用柜，處理過程中，若PT4監測到凈油壓力不在設定的范圍，則發出報警。  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、殘渣等一起排出，具體通過何種方式由控制系統決定。  殘渣、油泥通過排渣程序排出，排渣按照設定的時間間隔進行（由參數Ti68或Pr1設定，二者同效，修改其中一個另一個自動改變）。但在一個循環周期內如排水電磁閥V5動作了5次（Fa28，排水次數），則分離程序中斷，跳轉至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發出“water drain-INSUFFICIENT”（排水不足）報警。  凈油中水分哪怕微量的增加即說明凈油機分離效率的下降，而EPC50和MT50
相結合保證了分離水的及時排出，因而實現了凈油機、可靠的運行。當然，基于ALCAP概念的S 凈油機性能上的超凡表現更離不開其硬件設計上的重大改進和理念的進步，深入了解其結構和技術特點對我們工作實踐中分析和解決問題有很大的幫助，同時我們也能領略到ALFA LAVAL研發人員的智慧結晶。  3. S系列凈油機性能特點和結構改進  *，傳統的分水機和分雜機有各自的優缺點：前者水處理能力強、工作中油品損失少。但需要根據燃油比重調節比重環，遇到高比重燃油時無能為力；后者除雜能力強，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系列凈油機做到了對二者的取長補短，原理上S系列凈油機可以看作是分水機和分雜機的串聯，并偏重工作于分雜機模式。但其性能上的表現遠遠大于一臺分水機和一臺分雜機的簡單串聯。  

ALFA LAVAL S系列凈油機工作原理簡述及典型故障分析

由于后文引用的參數較多，在此需簡單介紹一下：參數分為Installation parameters（裝置參數）, Process parameters （程序參數）和 Factory set parameters（廠方設定參數） 三部分。分別簡寫為：Inxx, Prxx, x（xx代表數字）。還有一部分重要的時序參數：Tixx，排在Factory set parameters后面，對凈油機的啟動、凈化、排渣及停止等過程進行控制，三類參數均可進入設置界面根據需要進行更改。  S型凈油機分離水的排出不同于早期的產品，結構上取消了進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卻仍然能保證有效的油水界面，并且可以自動適應不同比重的油料，大大超越了傳統凈油機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1010 kg/m³@15℃，和黏度超過700cst@50℃的燃油，是離心分離技術上的一大進步，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，有效減少對機械設備的磨損。  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行中水份被長時間攪動產生的熱量，因為用于排水的V5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不至于因攪拌導致凈油機頭部“過熱”。  排渣系統做了重大改進并取得國家，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*的經濟性。相同的處理能力下，S系列凈油機產渣減小為75%。這歸功于兩個方面：首先，S凈油機具有更為緊湊小巧的的分離筒；其次，ALCAP技術做到了對工作水的控制，密封水、置換水、打開水、關閉水等的進入均受監測，過量將觸發報警或導致凈油機無法正常工作。  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，則系統進入有水封水流量校驗過程的啟動程序，在Ti59時間內，系統會計算當前SV10（水封水、置換水電磁閥）的流量大小，Ti59為電磁閥SV10的工作水流速計算時間，既定型號（由參數In4設定）的凈油機容水量、密封水、置換水等是一定的，在Ti59時間內電磁閥SV10進水、計時，當控制系統EPC50收到凈油出口壓力變送器PT4的壓力(由Fa6設定)反饋，表明分離筒內已經滿水，系統便可計算出SV10的水流速，并儲存在參數In32里），由此來確定Ti63（密封水時間）和 Ti72（置換水時間）的初步數值，然后每次排渣后在Ti65內若檢測到凈油中含有過量水份，則控制系統自動修正Ti72（置換水時間）數值，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技術的S系列凈油機由MT50型水份（電容性）變送器時刻全流量地檢測凈油中的水份，經過排渣后新的循環開始時刻水份含量zui低，所以在Ti67時間內系統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，則控制系統觸發V5電磁閥動作，排出過量的水份，使油水界面外移，當水分含量低于70（由Fa27設定）時，V5閥關閉，從而得以維持S系列凈油機的率運行。但在一個分離程序內，這種排水不超過5次。  擁有技術的彈簧卡環取代了早期的螺紋鎖環，這項技術稱為centrilock（不銹鋼材料的彈簧卡環取代原碳鋼螺紋鎖環，），減少了部件間磨損，且使凈油機拆裝變得輕輕松松，不再需要大榔頭和笨重的工具。  S系列凈油機對所有的重要參數實行有效監控，從而保證凈油機可靠安全的運行。每次排渣后以及兩次排渣的中間時刻都會進行分離筒密封性實驗，嚴防“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的打開與關閉、放水閥V5的泄放等，EPC50控制系統都必須在特定的時間內收到反饋信號，否則發出相應的報警。
4. S凈油機結構上的其他改變和重要缺陷：  S凈油機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。立軸在結構上有較大改變，底部設計有一油泵，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個離心式油霧風扇。在高速旋轉時，油霧風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象，zui嚴重的一次由于上軸承燒融，導致分離盆與立軸的配合錐面金屬粘結而無法拆解（如圖3粗實線所示部分），由于新船出廠不久，所以整機吊出返廠保修。  究其原因，關鍵是僅靠離心風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荷增加等，更易造成該軸承的損壞。  ALFA LAVAL也認識到了其設計上的缺陷，采取了一定的補救措施。如發布技術通告建議縮短備用凈油機的停用時間，若停機超過30天，啟動前要求拆解分油機，人工對上軸承加油預潤滑。實際工作中我們往往采用更為保守的措施，每隔10天或一周將兩臺機器交替使用，或將備用機啟動運轉，使其達到正常轉速運行幾分鐘，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的麻煩。另一方面，部分船舶已經收到ALFA LAVAL免費配送的改進后的皮帶輪轂（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。工作中發現，相對于早期產品，立軸上軸承是該型凈油機zui易出現損壞性故障的部件，其帶來的問題遠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扇的損壞。更有甚者，由于該軸承燒融、粘結，立軸必將突然降速或停轉，而高速運轉的分離筒組件因*的慣性力無法立即停止，從而導致分離盤底盤（bowl body）與立軸在配合錐面處發生滑動摩擦而粘著（圖3所示部位），皮帶燒壞等。為避免此類故障的發生，管理者應密切關注運行凈油機的震動狀況和聲響，任何震動和異響都可能造成軸承過載，帶來嚴重后果。另外，定期檢查更滑滑油，保證滑油清潔，油質良好也是十分必要的工作。  5．S凈油機配水機構的改進和故障分析：  工作水對維持凈油機的正常運行起著極其重要的作用，也是解決許多問題的關鍵。有典型一例：某VLCC，航行于中東---國內航線，配S855凈油機2臺，在某航次開航前No.2凈油機因本體故障（正是上述提到的立軸錐面粘著）整個轉動組件拆下進廠，故接下來的航次里只有一臺FO凈油機。某日在印度洋海域，FO凈油機突然發出OIL LEAKING FORM BOWL(分離盤跑油)報警，然后轉速快速下降直到低于Fa11（分離機zui低轉速設定）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，這段時間內必須恢復凈油機的運行。zui后查明其實故障原因非常簡單，但由于沒有理性的分析和對本機型工作水的深刻認識，解決這個問題時走了很大的彎路：花費10多小時，整臺機器被反反復復拆解了好幾遍，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*次拆檢后，輪機長曾抽出V16（關閉水）閥的節流板，發現小孔堵塞但沒有清通，而是隨手與No.2凈油機的節流板對換了一下，但對換后故障現象依然如故！所以大家便沒有再從關閉水方面考慮，以致后來做了很多冤枉工作。  此時日用柜油位低到了極限，大家也實在束手無策了，不得不考慮主機停車，將存油維持輔機發電。正在此時，筆者將兩臺凈油機的V16（關閉水）閥節流板抽出做了對比，頓時恍然大悟！對比發現No.2的節流孔（約4mm）至少比（約1.5-2mm)大一倍， 的節流板因為堵塞造成關閉水不足，當然分離盆無法關閉，而換用的No.2的節流板因為節流孔異常變大（中間帶孔的非金屬材料嵌入節流板中，這個小孔由于沖刷或別的原因明顯變大）造成關閉水過量，在Ti62（關閉水進入時間）時間內分離盆關閉后又因關閉水過量而再次打開！所以兩種截然相反的原因產生了*相同的故障結果，（后來想到No.2凈油機進廠前也有同樣的故障現象還沒有解決，現在也清楚原因了）。將堵塞的節流板清通后裝復，凈油機運行*正常！  分析：產生這種“過猶不及”的現象是S系列凈油機配水系統的特殊性決定的。*，早期的ALFA LAVAL凈油機開、關盆工作水分別由V15、V16電磁閥控制，分兩路進入配水盤。S凈油機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入配水盤，至于是開盆還是關盆，*由“流量”決定！因為兩個電磁閥的節流孔徑不同，V15（打開水）孔徑約4mm，短時大流量，起開盆作用；V16（關閉水）孔徑約1.5mm，長時小流量，起關盆作用。   在系統啟動之初，無論是有水封水校驗的啟動還是無校驗的啟動，電磁閥V15都分別在Ti56和Ti60內有3~5秒的打開時間，這是很關鍵的一步，主要目的有兩個：一是為后面的關閉動作提供必要的工作水，即空間4中充滿水。ALFA LAVAL S系列凈油機工作原理簡述及典型故障分析（參考圖4）否則，后續的水流量校驗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，會造成分離筒內留有殘油）。經Ti61（15秒，工作水泄放時間）穩定之后的 狀態是空間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） 關閉泄放口10，discharge slide（排渣盤） 處于自由狀態，排渣口開啟。  關盆工作水流量小（不會進入6或少量進入但被泄放），路徑如下：V16（小流量）→1→2→3，由于分離筒的高速運轉，室3中的水產生很大的靜壓力，迫使discharge slide（排渣盤）周邊變形上移，關閉排渣口，從而完成關盆動作。  而開盆水的流量很大，空間1中的水界面內移，除了進入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位，從而打開排渣口。分離盆中的內容物呈“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。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（早期型號靠復位彈簧上移），關閉泄放口10，為下一個循環的關盆程序做準備。  從上述實例可以看出弄清楚設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真分析一下，或許更有助于解決問題。    附：關于ALCAP概念：  ALCAP是Alfa Laval Clarifier And Purifier的縮寫，從字面不難看出， 基于該技術開發的凈油機同時具有分雜機和分水機的優點，但更側重于分雜性能，甚至于可以看做成一臺兼有分水機優良分水性能的分雜機！因此S凈油機甚至能夠處理比重為1010kg/m3的高比重的燃料油。  根據ALCAP概念要求，EPC50和MT50相結合實現了對凈油全流量的水分監測，水分的微量增加即認為凈油機分離效率下降，則控制系統發出排水或排渣的指令，從而保證凈油機地運行。