ОЙЛТЕХЭНЕРГО
+7(8452) 34-84-09
ИНФОРМАЦИЯ О МАСЛООЧИСТИТЕЛЬНОМ ОБОРУДОВАНИИ
Технологический цикл энергетического масла и основные способы утилизации
Отработанные турбинные и трансформаторные масла являются канцерогенными продуктами, способными оказать негативное влияние на окружающую среду и здоровье человека [1, 2]. Поэтому в основных нормативных документах регламентированы требования к замене и сбору отработанных масел на энергетических предприятиях. Отработанные масла подлежат обязательной утилизации [1, 3-6]. Утилизация отработанных масел может быть осуществлена несколькими способами (Рис.1).
Технологический цикл энергетического масла и основные способы утилизации
Наиболее перспективным и актуальным в настоящее время способом утилизации отработанных масел на энергетических предприятиях является их регенерация с целью многократного применения по прямому назначению[1, 2, 6]. Применение современных малоотходных технологий регенерации отработанных масел позволяет существенно уменьшить количество отходов, снизить негативное воздействие на окружающую среду, увеличить срок службы масел в оборудовании, повысить надежность эксплуатации и уменьшить расходы на замену отработанных масел свежими [2, 6-9]. В соответствии с требованиями действующих НТД регенерация масла – это технологический процесс, предусматривающий селективное удаление из масла продуктов старения и загрязнения и последующую стабилизацию присадками с целью восстановления качества масла отработанного или некондиционного, для его повторного применения по прямому назначению в соответствии с требованиями, предъявляемыми к регенерированному маслу действующими стандартами (нормативными документами) [1, 3-5]. Технология регенерации должна обеспечить удаление из масла следующих нежелательных компонентов:
- Механические примеси (твердые частицыразличной природы и волокна). - Масляный шлам (потенциальные осадки). - Вода (дисперсная и растворенная). - Газы (воздух и газообразные продукты разложения масел). - Кислоты (низко и высоко молекулярные). - Смоло-асфальтовые вещества. - Металлорганические соединения (мыла). - Полиароматические соединения. - Непредельные углеводороды. - Остатки присадок и продукты их функционального действия. - Продукты разложения масла (под воздействием высоких температур, электрических разрядов, кавитации). - Различные гетероатомные углеводородные соединения.
Поэтому очевидно, что процесс регенерации отработанного масла должен включать в себя стадию очистки от загрязнения, селективное удаление продуктов старения и стабилизацию присадками (как финишную стадию регенерации). Это очень важно! Термины «очистка» и «регенерация» очень часто искусственно подменяются, наиболее вероятно в силу экономических причин. И многие «специалисты» простую очистку от загрязнения считают регенерацией. Опасное заблуждение! Без операций удаления канцерогенных продуктов старения масла и стабилизации базового регенерированного масла с помощью присадок регенерация в соответствии с требованиям действующих НТД не возможна! [6, 7]. Стабилизация масел присадками без знания химии присадок и химмотологии, а также специфичных особенностей их применения в различных композициях определяет значительный риск. Можно не добиться желаемого результата по восстановлению качества масла и нанести ущерб оборудованию за счет инициализации образования осадков в маслосистеме. Особенно это актуально для применения регенерированных турбинных масел, если при использовании они будут смешиваться с другими маслами различных изготовителей (совместимость масел) и заливаться в неподготовленные грязные маслосистемы. В действующих документах по эксплуатации масляных хозяйств и масел в оборудовании электрических станций и сетей, которые были разработаны под техническим руководством или с участием специалистов ОАО «Фирма ОРГРЭС», даются очень четкие критерии применения очистки или регенерации [1, 3-5].
Область применения регенерации можно определить следующим образом: -Очистка масла в работающих агрегатах (паровые и газовые турбины, гидроагрегаты) и мощных насосах. -Очистка и регенерация масла при ремонте оборудования электротехнического, тепломеханического, гидромеханического).
- Регенерация масла на масляных хозяйствах. - Очистка и регенерация промывочного турбинного или трансформаторного масла.
Наиболее надежно выполнять регенерацию отработанных масел слитых из оборудования в резервуары масляных хозяйств. Это позволяет с помощью оборудования для регенерации масел даже невысокой производительности (0,5-1,5 м3/ч) создать необходимый запас подготовленного к заливу масла для обеспечения замены отработанного масла в период проведения плановых ремонтов маслонаполненного энергетического оборудования. Известно достаточно много различных технологий и способов очистки или регенерации трансформаторных и турбинных масел. Главным при регенерации будет являться экологический и экономический аспект. Технология регенерации должна быть не только эффективной и экономически выгодной, но и малоотходной! В Таблице 1 приведен сравнительный табличный анализ различных технологий по эффективности очистки масел в соответствии с требованиями действующих НТД.
На основании результатов обследования энергетических предприятий и анализа действующих НТД можно сделать вывод, что наибольшей эффективностью и экономичностью обладает оборудование комбинированного типа, в котором используют комбинированную технологию, включающую предварительную грубую очистку от механических примесей, вакуумную осушку (дегазацию) и градиентную объемную фильтрацию или электрофизическую очистку, способного обеспечить очистку масел в полном соответствии с требованиями действующих НТД [8, 9]. Экономичность применения современных фильтров тонкой очистки зависит от исходного уровня загрязнения трансформаторных и турбинных масел, их применение рекомендуется при очистке масел с невысоким начальным уровнем загрязнения, или после предварительной грубой очистки (отстой, центробежная сепарация, грубая фильтрация (сетки, щелевые фильтры и др.)). Возникает вопрос - есть ли техническая возможность сделать адсорбционную очистку малоотходной, без применения дорогостоящих сорбентов, как расходного материала. Ответ – да! Для этих целей необходимо использовать современные синтетические алюмосиликатные адсорбенты, которые обладают высокой механической прочностью и устойчивостью к воздействию высоких температур. Это позволит селективно удалить нежелательные компоненты из отработанного масла, а затем с помощью контролируемого высокотемпературного окисления восстановить сорбционные свойства и использовать адсорбент многократно. ОАО «Фирма ОРГРЭС» проводило работы по поиску таких сорбентов течение последних 30-40 лет, что позволяет утверждать о наличии таких сорбентов, не только зарубежного, но и отечественного производства. Такие сорбенты применялись в нефтепереработке как катализаторы, но на предприятиях электроэнергетики не использовались. На рис. 2 приведена схема адсорбера, которая была разработана специалистами Фирмы ОРГРЭС лет так 50 тому назад, но с применением новых сорбентов позволяет сделать процесс регенерации масел эффективным, экономически выгодным и малоотходным.
Интересным для энергетических предприятий будет применение нетканных сорбционных материалов многократного применения для сбора протечек масла на промышленных площадках и оборудовании, что позволяет значительно уменьшить количество загрязненных нефтепродуктами отходов (ветошь, опилки, песок), которые требуют утилизации.
Надежная и безопасная эксплуатация маслосистем энергетического оборудования - это сложный технологический процесс, включающий в качестве важнейших следующие элементы [8, 9]:
- выбор производителя и типа высококачественного энергетического масла, отвечающего требованиям изготовителя соответствующего оборудования, применение масел, совместимых при смешении; - эффективный входной и эксплуатационный контроль важнейших показателей качества применяемых масел, обеспечение необходимых нормативных и метрологических требований;
- систематическую, высокоэффективную очистку масла от воды и механических примесей до нормируемых показателей;
- регенерацию отработанных масел; - модернизацию устаревших технологических схем масляных хозяйств и замену морально устаревшего и физически изношенного оборудования;
- подготовку маслосистем энергетического оборудования перед заливом масла после монтажа или ремонта. Специалисты ОАО «Фирма ОРГРЭС» обладают богатым производственным опытом, позволяющим повысить культуру и надежность эксплуатации масел в оборудовании и обеспечить необходимые экологические требования. Мы всегда рады помочь в решении вопросов охраны окружающей среды и внедрении современных технологий.
СПОСОБ ОЧИСТКИ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ МАСЕЛ И ГИДРОЖИДКОСТЕЙ ОТ ВОДЫ И РАСТВОРЕННЫХ ГАЗОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Может быть использовано при очистке турбинных и трансформаторных масел. Сущность изобретения: процесс очистки исходной жидкости от воды и растворенных газов проводится в два этапа. Первый этап - удаление воды. Второй этап - удаление растворенных газов и воздуха. На первом этапе эжектируют исходной жидкостью атмосферный воздух и смешивают их при обеспечении соотношения суммарного массового расхода воздуха, выделившихся из исходной жидкости газа и водяного пара к массовому расходу этой жидкости от 0,00001 до 0,005. При этом обеспечивают скорость исходной жидкости не менее 30 м/с и ее температуру больше температуры, при которой давление насыщения удаляемой воды оказывается равным минимальному абсолютному давлению, создаваемому этой жидкостью без атмосферного воздуха. На втором этапе прекращают подачу атмосферного воздуха к исходной жидкости при сохранении значений скорости исходной жидкости и температуры, указанных в первом этапе. Устройство для очистки трансформаторных масел и гидрожидкостей от воды и растворенных газов содержит вакуумируемый от независимого вакуумирующего устройства бак со сверхзвуковым жидкостно-газовым эжектором, который герметично соединен своей выходной частью с баком, сопловым блоком с магистралью подачи отфильтрованной исходной жидкости от электронасоса, а приемной камерой с атмосферой через редуктор и воздушный фильтр. Изобретение позволяет повысить эффективность очистки исходных жидкостей от воды и растворенных газов за счет ее дробления в косых скачках уплотнений. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к способам и устройствам очистки трансформаторных масел и гидрожидкостей от воды и растворенных газов. Предлагаемые способ и устройство могут найти применение при очистке турбинных и трансформаторных масел, а также гидравлических жидкостей.
Известен способ вакуумной очистки масел и гидрожидкостей (исходных жидкостей) [1]. Способ состоит в том, что в непрерывно вакуумируемом объеме увеличивают поверхность исходной жидкости за счет использования центробежного эффекта, который обеспечивает растекание непрерывно утончающейся пленки исходной жидкости по поверхности вращающегося диска, и одновременно обдувают исходную жидкость атмосферным воздухом. При этом воздух при пониженном давлении увлажняется парами воды и удаляется независимым вакуумирующим устройством.
Недостатком этого способа является недостаточная площадь контакта искусственно увеличенной поверхности исходной жидкости и воздуха, используемого для эвакуации удаляемых водяных паров.
Наиболее близким по технической сущности является способ вакуумной очистки исходных жидкостей, выбранный в качестве прототипа, включающий разбрызгивание исходной жидкости в непрерывно вакуумируемом объеме при одновременном обдуве атмосферным воздухом [2].
Недостатком известного способа вакуумной очистки исходных жидкостей является недостаточная эффективность их дробления, что приводит к соответствующему увеличению времени очистки.
Известно устройство, осуществляющее способ вакуумной очистки исходных жидкостей [1].
Недостатки известного устройства заключаются в необходимости иметь отдельный дополнительный привод вращающегося диска и уплотнение между этим приводом и вращающимся диском, и возросший из-за этого вес устройства.
Известно устройство, выбранное в качестве прототипа, содержащее вакуумируемый от независимого вакуумирующего устройства бак, заполненный исходной жидкостью с установленным в нем узлом обдува воздухом и форсункой, соединенной через фильтр тонкой очистки с жидкостным электронасосом [2].
Недостатком известного устройства является его низкая эффективность, обусловленная тем, что форсунка, установленная в баке, не обеспечивает максимально возможного увеличения поверхности контакта исходной жидкости и используемого для осушки воздуха.
Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков прототипов и повышение эффективности очистки исходных жидкостей от воды и растворенных газов. Предлагаемое техническое решение заключается в том, что площадь контакта очищаемой исходной жидкости с атмосферным воздухом увеличивают за счет ее дробления в косых скачках уплотнений. При прохождении газа через скачки уплотнений происходит не только резкое изменение его скорости по величине и направлению, но и очень резкое изменение давления. В результате реализуется перекрестное движение жидкой составляющей потока и газовой, приводящее к дроблению жидкости до капель и пленок субмикронного размера. Кроме того, скачки уплотнений эффективно препятствуют процессу коагуляции. В связи с этим, для увеличения поверхности исходной жидкости необходимо создать условия для реализации сверхзвукового течения двухфазной смеси, состоящей из исходной жидкости и выделившихся из нее пара и газов. В прототипе для повышения эффективности процесса осушки используется обдув исходной жидкости атмосферным воздухом, который увлажняется парами воды, выделившимися из нее, и удаляется независимым вакуумирующим устройством. Поэтому при создании условий для реализации сверхзвукового течения двухфазной смеси учитывают и возможное наличие атмосферного воздуха в ней.
На фиг. 1 приведены кривые зависимости двухфазной скорости звука aс в равновесной смеси воздуха и воды [3]. Здесь K - коэффициент эжекции, равный отношению массового расхода воздуха к массовому расходу воды. Аналогичные кривые могут быть построены для любых других равновесных смесей жидкости и газа (пара). На фиг. 1 виден диапазон значений коэффициента K, которому соответствуют значения местной скорости звука aс = 20 - 50 м/с. Скорость исходной жидкости в 20 - 50 м/с может быть реально получена при перепадах давлений, создаваемых большинством используемых в промышленности насосов. Таким образом, возможна реализация течения двухфазной смеси со скоростью большей, чем скорость звука в этой смеси, при обеспечении соотношения суммарного массового расхода газов и водяного пара к массовому расходу жидкости в диапазоне от 0,00001 до 0,005.
Известно явление эжекции, когда активная среда (жидкость) отсасывает пассивную (воздух). Из теории эжекторов известно, что максимальное разрежение, создаваемое жидкостными эжекторами, ограничено линией насыщения используемой жидкости. При уменьшении расхода отсасываемого воздуха (уменьшение натекания) снижается абсолютное давление в приемной камере такого эжектора. При снижении давления в приемной камере эжектора до давления на линии насыщения происходит вскипание активной жидкости и эжектор теряет работоспособность с точки зрения откачки воздуха. При этом эжектор начинает работать сам на себя, откачивая образующийся пар. Аналогичная картина наблюдается и при наличии в жидкости растворенных газов - начинается массивное газовыделение при полном прекращении подачи воздуха. Линия насыщения очищаемой исходной жидкости должна быть всегда ниже линии насыщения удаляемой из нее воды. При этом исходная жидкость должна иметь температуру большую, чем температура, при которой давление насыщения удаляемой воды оказывается равным минимально достижимому абсолютному давлению, создаваемому исходной эжектирующей жидкостью без натекания воздуха.
В предлагаемом изобретении атмосферный воздух используется в качестве второй фазы (газовой) для получения сверхзвукового потока и одновременного уноса выделяющихся из исходной жидкости водяных паров. Однако использование воздуха дает и отрицательный эффект - одновременно с осушкой происходит насыщение исходной жидкости воздухом. Поэтому процесс проводят в два этапа. Первый - удаление воды. Второй - удаление растворенных газов и воздуха. Из сказанного выше следует, что для увеличения поверхности исходной жидкости и повышения эффективности ее очистки от воды и растворенных газов необходимо использовать:
явление резкого уменьшения местной скорости звука в двухфазной равновесной смеси до значений менее 30 м/с при соотношении суммарного массового расхода воздуха, выделившихся из исходной жидкости газа и водяного пара к массовому расходу этой жидкости от 0,00001 до 0,005, и возможности получения сверхзвукового потока двухфазной смеси для реализации течения со скачками уплотнения;
явление дробления исходной жидкости в скачках уплотнений на капли и пленки субмикронных размеров;
эжекцию для подсоса атмосферного воздуха, смешения этого воздуха с раздробленной в скачках уплотнения исходной жидкостью и создания разрежения в зоне контакта раздробленной исходной жидкости и воздуха;
свойство вскипания воды, содержащейся в исходной жидкости, при снижении давления до давления на линии насыщения воды, и свойство массированного газовыделения растворенных газов при прекращении подачи атмосферного воздуха.
Используемые для реализации изобретения приемы заключаются в том, что процесс очистки исходной жидкости от воды и растворенных газов проводится в два этапа. Первый этап - удаление воды. Второй этап - удаление растворенных газов и воздуха.
На первом этапе эжектируют исходной жидкостью атмосферный воздух и смешивают их при обеспечении соотношения суммарного массового расхода воздуха, выделившихся из исходной жидкости газа и водяного пара к массовому расходу этой жидкости от 0,00001 до 0,005. При этом обеспечивают скорость исходной жидкости не менее 30 м/с и ее температуру больше температуры, при которой давление насыщения удаляемой воды оказывается равным минимальному абсолютному давлению, создаваемому этой жидкостью без натекания атмосферного воздуха.
На втором этапе прекращают подачу атмосферного воздуха к исходной жидкости при сохранении значений скорости исходной жидкости и температуры, указанных в первом этапе.
Экспериментальные исследования сверхзвуковых вакуумных водовоздушных эжекторов, проводившиеся в ЦИАМ, подтверждают реализуемость течения двухфазных газопарожидкостных смесей со скачками уплотнений [4].
Устройство для реализации предлагаемого способа очистки исходных жидкостей от воды и растворенных газов приведено на фиг. 2. Оно состоит из последователно соединенных герметичного бака с исходной жидкостью 1, электронасоса 2, фильтра тонкой очистки исходной жидкости 3, трубки 4, соплового блока эжектора 5, в приемной камере которого 6 установлен манометр 7 для измерения давления воздуха, поступающего через редуктор с воздушным фильтром 8. При этом камера смешения сверхзвукового жидкостно-газового эжектора 9, объединяющего форсунку и узел подачи воздуха, своей выходной частью герметично соединена с баком 1, в котором контролируется давление манометром 10, а сам бак 1 соединен в свою очередь трубкой 11, через кран 12 с приемной камерой 2-го эжектора 13, установленного на втором баке 14 и соединенного с атмосферой через фильтр-улавливатель паров 15 исходной жидкости. Циркуляция рабочей жидкости вакуумирующего устройства осуществляется через фильтр тонкой очистки 16 с помощью насоса 17. Кроме того, дно бака 14 установлено выше дна бака 1 и соединено трубкой 18 через кран 19 с нижней частью вакуумируемого бака 1, при этом в нижней части этого бака установлена сливная трубка с краном 20.
Работа устройства для очистки исходных жидкостей от воды и растворенных газов может быть продемонстрирована на процессе очистки 30 кг трансформаторного масла.
На первом этапе трансформаторное масло с температурой 318К (давление насыщения водяного пара над плоской поверхностью раздела фаз Ps = 9600 Па) циркулирует с помощью электронасоса 2 по замкнутому контуру: бак 1, электронасос 2, фильтр тонкой очистки 3, трубка 4, сопловой блок эжектора 5, камера смешения эжектора 9 и опять бак 1. При этом электронасос обеспечивает абсолютное давление масла перед сопловым блоком PО ж = 0,7 - 0,75 МПа (скорость жидкости более 30 м/с) и секундный массовый расход масла, равный 0,5 кг/с. Засасываемый через редуктор с фильтром 8 воздух попадает в камеру смешения эжектора 9, где он смешивается с маслом и образует равновесную сверхзвуковую двухфазную смесь. Эта смесь тормозится на выходе из камеры смешения в скачках уплотнений. Увлажненный воздух и трансформаторное масло в виде пены поступают в бак 1, в котором контролируется давление манометром 10. При этом бак 1 непрерывно вакуумируется другим независимым вакуумирующим устройством, которое соединено с ним через трубку 11 с краном 12. Вакуумирующее устройство удаляет увлажненный воздух из бака 1 в свой бак 14, из которого этот воздух выбрасывается в атмосферу через фильтр-улавливатель масляных паров 15. При этом редуктор с фильтром 8 может быть перекрыт в любой момент для контроля за степенью осушки по показанию манометра 7. Дело в том, что с уменьшением влагосодержания уменьшается и величина абсолютного давления, которое может создавать эжектор. На практике время, необходимое для удаления воды и окончания первого этапа, составляет около 7 минут при исходном количестве воды в масле до 1%.
На втором этапе перекрывается подача воздуха через редуктор с фильтром 8 и производится удаление оставшейся в масле связанной воды и дегазация. При этом независимое вакуумирующее устройство продолжает откачивать из бака 1 газы и пары воды, содержавшиеся в масле. В приемной камере эжектора 6 при этом давление падает до уровня 2000 Па, что обеспечивает быструю и качественную дегазацию масла. Процесс заканчивается по результатам проверки пробы масла на пробой электрическим напряжением, величина которого поднимается от исходных 10 кВ до 80 - 90 кВ, что соответствует влагосодержанию не более 4 г на тонну масла и обеспечивает удаление 100% свободных и до 80% растворенных газов. На практике такой результат достигается при продолжительности второго этапа не более 8 минут.
Источники информации
1. HSP 180 Series. Pell Industrial Hydraulics.-September 1995. Printed in England.
2. HNP 070 Series. Pell Industrial Hydraulics.-September 1995. Printed in England.
3. Васильев Ю.Н. Теория двухфазного газожидкостного эжектора с цилиндрической камерой смешения. В сб.: Лопаточные машины и струйные аппараты. Вып. 5. М.: Машиностроение, 1971.
4. Васильев Ю.Н., Гладков Е.П. Экспериментальное исследование вакуумного водо-воздушного эжектора с многоствольным соплом. В сб.: Лопаточные машины и струйные аппараты. Вып. 5. - М.: Машиностроение, 1971.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ очистки трансформаторных масел и гидрожидкостей от воды и растворенных газов, включающий разбрызгивание исходной жидкости в непрерывно вакуумируемом объеме при одновременном обдуве атмосферным воздухом, отличающийся тем, что сначала осуществляют осушение эжектированием атмосферного воздуха исходной жидкостью с температурой, большей, чем температура, при которой давление насыщения удаляемой воды оказывается равным минимальному абсолютному давлению, создаваемому исходной эжектирующей жидкостью без натекания атмосферного воздуха, и смешение этой жидкости с атмосферным воздухом при обеспечении массового отношения суммарного расхода эжектируемого воздуха, выделявшихся водяного пара и растворенных газов к расходу исходной жидкости в диапазоне от 0,00001 до 0,005 с образованием сверхзвуковой двухфазной равновесной смеси, которую выбрасывают в непрерывно вакуумируемый объем, откуда увлажненный воздух удаляют независимым вакуумирующим устройством, а затем осуществляют дегазацию путем прекращения подачи атмосферного воздуха к эжектирующей исходной жидкости, причем в течение всего процесса осушки и дегазации поддерживают скорость исходной эжектирующей жидкости не менее 30 м/с.
2. Устройство для очистки трансформаторных масел и гидрожидкостей от воды и растворенных газов, содержащее вакуумируемый от независимого вакуумирующего устройства бак, заполненный исходной жидкостью с установленным в нем узлом подачи воздуха и форсункой, соединенной через фильтр тонкой очистки с жидкостным электронасосом, отличающееся тем, что форсунка и узел подачи воздуха объединены в сверхзвуковой жидкостно-газовый эжектор, который герметично соединен своей выходной частью с баком, сопловым блоком с магистралью подачи отфильтрованной жидкости от электронасоса, а приемной камерой - с атмосферой через редуктор и воздушный фильтр.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве независимого вакуумирующего устройства используется сверхзвуковой жидкостно-газовый эжектор, который соединен своей приемной камерой с вакуумируемым баком и установлен в независимом замкнутом контуре, состоящем из последовательно установленных бака, соединенного с атмосферой через фильтрулавливатель паров исходной жидкости, электронасоса, фильтра тонкой очистки и трубки подвода жидкости к сопловому блоку вакуумирующего эжектора, причем бак заполнен обрабатываемой жидкостью, нижние точки обоих баков соединены между собой трубкой с краном, а дно бака вакуумирующей системы установлено выше дна вакуумируемого бака.
Физико-химический анализ масла как инструмент контроля
за ресурсом твердой изоляции силовых трансформаторов
Аннотация.
В настоящее время выработка нормативного ресурса установленных силовых трансформаторов составляет в среднем около70%. В таких условиях оптимизации материальных и финансовых затрат энергетики переходят от регламентных ремонтно-профилактических работ к профилактике и ремонту по реальному состоянию агрегатов. Применение комплексного диагностического обследования трансформаторов различными методами позволяет снизить вложения средств в профилактику, ремонт или замену проблемных узлов. При этом, на первый план выходит не только выявление остаточного ресурса, но и его продление разработанными методами.
В процессе эксплуатации трансформаторов происходит деградация изоляционного масла и, следовательно, ухудшение его электроизоляционных свойств [1, 2].. Это ухудшение свойств масла определяется множественными деструктивными физико-химическими процессами, протекающими под воздействием температуры [3], электрического поля, кислорода, воды, продуктов старения, а также техническим состоянием самого трансформатора. К факторам интенсификации упомянутых процессов относятся повышение содержания воды, кислорода, нафтеновых кислот, смоло-асфальтовых соединений и наличие незащищенных элементов металлоконструкций. Все эти процессы и факторы их интенсификации приводят к образованию в масле полярных веществ и на их основе коллоидных частиц и шлама, т.е. являются факторами однонаправленного действия, изменяющими эксплуатационные свойства масла и в дальнейшем твердой изоляции [4]. Появление полярных веществ увеличивает диэлектрическую проницаемость и проводимость масла.
Главной задачей технического персонала является сохранение и продление эксплуатационного ресурса оборудования. Её решение реализуется периодическим контролем текущих параметров электрических аппаратов, перечень которых прописан в документе [2]. Ресурс твердой изоляции силовых трансформаторов определяется сроком службы бумажной обмотки, зависящим от степени полимеризации целлюлозы, которая не должна быть менее 250 единиц. Разрушение целлюлозы происходит в кислой среде и растет при повышении температуры обмотки. Поэтому величина ресурса оборудования будет зависеть от степени деградации масла и его температуры в баке трансформатора. Существующие нормативы по кислотному числу масла не обеспечивают контроль начала и хода процесса термического окисления масла. При существующем нормативе (0.1 мг КОН/г) на кислотное число в масле может быть обнаружен шлам, который выпадает в виде осадка на обмотки, впитывается в бумагу, снижает сопротивление изоляции обмоток и затрудняет отвод тепла, повышая эксплуатационную температуру, снижая степень полимеризации целлюлозы и эксплуатационный ресурс оборудования.
Исходя из этого, основной задачей диагностического анализа состояния трансформаторного масла, являющегося внешней средой для твердой изоляции, считается выявление возникновения физико-химических условий начала процесса выпадения шлама и его предотвращение за счет изменения степени деградации масла [5].. Эти условия можно контролировать и предотвращать разрушение бумаги, являющейся основным определителем остаточного ресурса
В процессе эксплуатации трансформаторов происходит окисление масла, которое отражается в его групповом составе (ГС) за счет изменения процентного соотношения между ароматическими (Са) нафтеновыми (Сн) и парафиновыми (Сп) углеводородами [6]. За счет окисленных углеводородов увеличивается их общее количество в группе смоло-асфальтовых соединений, которые в групповом составе следуют рядом с ароматической группой, и растет его способность к растворению воды, представляющую большую опасность при понижении температуры. Процесс окисления и возможного обводнения масла должен и может контролироваться с помощью определения сдвига ГС, величины коэффициента Вермана (Кв) и анализа масла на наличие растворимого шлама [2]. Последние экспериментальные исследования показывают, что появление растворенного в масле шлама происходит даже при «нормальном», с позиции РД 34.45-51.300-97, значении кислотного числа. Данный процесс нельзя доводить до выпадения осадков, т.к. он необратим (извлечь шлам из бумаги невозможно).
Одним из методов контроля коллоидно-дисперсных процессов образования шлама является низковольтный метод диагностики диэлектрических параметров масла. Он обладает более высокой чувствительностью, чем кислотное число к разложению и окислению масла. Непрерывное измерение удельного объемного сопротивления, относительной диэлектрической проницаемости и температуры позволяет эксплуатационному персоналу следить за деградацией изоляционного масла и приближением к запретным границам эксплуатации. Вхождение параметров в эти границы означает высокую вероятность начала процесса образования коллоидных частиц и шлама. Рабочие зоны эксплуатации на используемое в трансформаторе масло определяются индивидуально (коэффициент Вермана). Контроль коллоидно-дисперсных процессов осуществляется по предельному значению коэффициента Вермана. Необходимость разработки методики контроля этих процессов была заявлена в Решениях конференции ТРАВЭК [7] в июне 2011 года:
Предельный критерий определяет недопустимый уровень образовавшихся в масле полярных веществ и позволяет, вовремя применив регенерацию масла, своевременно убрать из него окисленные углеводороды, восстановить часть исходных свойств, предупредить образование шлама и его оседание на твердую изоляцию трансформаторов.
Снижение окисленности (степени полярности) при регенерации масла уменьшает размер его кластеров, но не влияет на ГС молекул масла. Таким образом, равновесие тех реакций, которые ранее длительное время шли в масле и бумаге сохраняется, только точка равновесия будет сдвинута к исходному состоянию от точки выпадения шлама.
Большинство персонала, отвечающего за эксплуатацию маслонаполненных трансформаторов, предпочитают заменять масло. Так вроде бы надёжнее, - масло же новое. Разница между процедурой регенерации и замены в том, что структурно групповой состав регенерированного и нового масла может значительно отличаться, даже если совпадают марки масла. Существует многолетний симбиоз масла и бумаги. Регенерированное масло нейтрально к своей бумаге и, если будет залито новое масло, то, как показывает практика, замена старого масла на новое, другого группового состава стимулирует дополнительные негативные реакции их взаимодействия с бумагой, далекие от достигнутого равновесного состояния как внутри, так и на поверхности бумаги. Регенерированное масло нейтрально к «своей бумаге», в которой сидит близкий по ГС «родственник» Под регенерацией понимают полное удаление из масла окисленных углеводородов до состояния, пригодного к дальнейшей эксплуатации. Так, с помощью маслоочистительных установок необходимо восстановить масло и, при внесении в него антиокислительной присадки ионол, замедлить дальнейший процесс окисления, увеличив эксплуатационный ресурс трансформатора, продлив ресурс бумаги за счет предотвращения выпадения осадков, и, в случае необходимости, повторить регенерацию.
Предъявить претензии к диагностической организации, порекомендовавшей замену масла, будет невозможно, поскольку негативный результат замены масла на новое проявится только через 2-3 года, когда, бумага будет необратимо испорчена. Регенерация же не трогает сложившийся симбиоз физико-химических процессов обмена кластеров масла в баке с кластерами масла в бумаге. И только регенерация дает действительный восстановительный эффект, а причины этому следующие:
• при регенерации не меняется установившееся направление реакций между углеводородами, не нарушающее симбиоза масла с бумагой, которое установилось за много лет эксплуатации, а меняется только их скорость и размер кластеров масла, не нарушающий их взаимообмен в порах бумаги.
• регенерация сдвинет процесс окисления масла в начало не изменив его ГС. При этом необходимо добавить ионол до 0,4 %. Регенерация экономически целесообразнее замены масла. Регенерированным маслом хорошо промывать бак от осадков. Результат регенерации может контролироваться лабораторными анализами на ГС, Кв, tg δ.
Процесс окисления и регенерации масла может косвенно контролироваться через установление ГС масла, рекомендованного к определению Циркулярами РАО ЕС России в 90-х годах [8]. Методикой определения ГС и КВ на данный момент в стране кроме нашей организации никто не пользуется, ввиду отсутствия соответствующих РД, и оборудования в лабораториях, позволяющих определить необходимые для расчета параметры масла. Установление количества ароматических углеводородов позволяет определять не только сдвиг ГС при регенерации, но и предельную растворимость воды в масле, от которой зависит его «точка росы» (выпадение воды в масле в виде микрокапель) резко снижающая пробивное напряжение. Разница между текущей эксплуатационной температурой масла и точкой росы определяет степень надежности эксплуатации оборудования в холодное время года, особенно при низких температурах воздуха, оценить степень обводнения целлюлозы и необходимость проведения её осушки.
Выводы:
1. Процесс образования коллоидных структур и растворенного шлама может быть определен в начальной стадии по величине коэффициента Вермана, который вычисляется по диэлектрическим свойствам масла и обладает чувствительностью к степени его окисленности.
2. Коэффициент Вермана более чувствителен к процессу окисления масла, чем химический метод определения кислотного числа, которое, находясь в пределах нормы, не может гарантировать отсутствие растворенного шлама и пригодность масла к дальнейшей эксплуатации.
3. Коллоидные структуры и растворенный шлам увеличивают поглощение воды маслом, его проводимость и сокращают степень полимеризации целлюлозы и её эксплуатационный ресурс.
4. Расчет коэффициента Вермана является самостоятельным методом для определения временных границ срока нормальной эксплуатации масла и результатов регенерации его свойств на маслоочистительных установках.