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移動式溶劑汽相干燥設備的傳熱傳質過程系統(tǒng)模型
來源
:真空技術網 保定天偉電子有限公司 作者:王彥昌
溶劑汽相干燥處理是大型油浸式電力變壓器生產和維修過程中zui重要的工藝過程之一,。本文首先詳細介紹了移動式溶劑汽相干燥技術的工作原理,、設備系統(tǒng)組成、以及生產工藝流程,。在對移動式溶劑汽相干燥設備及流程做了必要的簡化和假設基礎上，建立了一個包括40 個數(shù)學方程的熱質傳遞數(shù)學模型,，完整地表征了工藝過程中溶劑,、水、空氣三種介質的相變與遷移過程的熱力學規(guī)律,，詳細地描述了設備關鍵單元和流程中溫度,、壓力、流量等重要物理量間的定量關系,。采用Matlab 軟件編程,，以一個來自生產現(xiàn)場的500 kV /750 MVA 變壓器處理的實際工藝過程為例，開展了一個完整工藝處理過程的模擬計算,，獲得了干燥工藝過程中器身溫度,、油箱內壓力、出水量等關鍵工藝參數(shù)隨時間變化的關系曲線,。對照實際生產記錄數(shù)據,，發(fā)現(xiàn)理論模擬結果與實際數(shù)據在變化趨勢上十分吻合，驗證了所建立模型的正確性,。該模型的應用,，將有希望為干燥工藝過程控制和結果預測提供理論依據?？晒┫嚓P技術人員,，在改進設備的結構設計和優(yōu)化工藝運行時，參考借鑒,。
1,、引言
大型電力變壓器是輸變電系統(tǒng)中的重要設備。變壓器的絕緣系統(tǒng),，是影響變壓器可靠運行的zui關鍵因素,。變壓器器身絕緣系統(tǒng)會因各種原因而受潮，導致其絕緣性能和運行可靠性降低,。隨著我國電力行業(yè)的不斷發(fā)展,，變壓器的電壓等級越來越高,，容量越來越大，使用的絕緣材料越來越多,，處理質量要求越來越高,，因此使得變壓器干燥處理工藝過程越來越難。干燥處理在變壓器制造過程中,，占非常重要的地位,，歷來是影響變壓器生產質量和產量的關鍵環(huán)節(jié)。
溶劑汽相干燥處理是大型油浸式電力變壓器生產和維修過程中zui重要的工藝過程之一,。由于是注油前的zui后一道工藝環(huán)節(jié),，直接影響變壓器的絕緣水平和耐壓特性。目前溶劑汽相干燥設備,，用于干燥處理大型變壓器,，具有許多優(yōu)點，已經成為干燥處理特高電壓,、大容量的巨型電力變壓器*的,、理想可靠的*設備。
由于變壓器特性和實際的需求,，變壓器做得越來越大,。而大型電站大多建在中國西南、西北的能源中心,。往往運輸條件極差,，整體運輸運費昂貴，并且有些根本就不可能實現(xiàn)總體運輸,。因此,，現(xiàn)場裝配式(Advanced on site Assemble，簡記為ASA)變壓器應運而生,，繼而用來干燥處理變壓器的移動式溶劑汽相干燥設備MVPD 應運而生,。ASA 的特征就是把巨無霸的變壓器，試驗后拆分成方便運輸?shù)妮^小的部件,。運送到電站工作場地,，再組裝起來。因為分解和組裝過程必然受潮,，所以需要在電站對變壓器進行溶劑汽相干燥處理,。另外，維修和維護的舊變壓器,，要在變壓器安裝工位上干燥處理,，使用MVPD 也是的選擇。近些年移動式干燥設備備受關注,，中國已有公司在試制生產出了幾套移動式干燥設備系統(tǒng),，并實際應用處理了多臺大型變壓器設備,。中國還有多個廠家也正在開發(fā)試制移動式干燥設備[5-6]圖1 即是MPVD 設備的結構示意圖和現(xiàn)場照片。
然而,，關于移動式溶劑汽相干燥技術的相關基礎理論研究工作，目前尚十分薄弱,。在設備制造和使用過程中,，基本還是照搬或套用固定式設備的實際經驗數(shù)據，而缺乏理論指導,。但是,，移動式設備與原來的固定式設備有許多不同之處，如：移動式干燥設備實行分布式控制,，管路分開,，結構更緊湊;考慮到運輸問題，移動式設備系統(tǒng)中的每個單體部件都不易過大(如儲油罐);移動式設備直接采用變壓器殼體作為處理真空室;移動式設備主要以電力作為原始動力,，而傳統(tǒng)固定式多以燃煤鍋爐作為加熱源等等,。移動式干燥設備這些變化為其設計制造人員和使用者帶來的新的問題，需要結合其具體特點來分析解決,。實際上,，關于變壓器溶劑汽相干燥技術及設備的技術文獻一直很少，而且其中大部分相關的文獻主要是定性地介紹變壓器干燥的工藝流程,，而在研究變壓器溶劑汽相干燥過程的傳熱傳質機理方面,，很少有人做過相關研究，基本處于空白,。但是,，關于這一方面的研究，對于變壓器溶劑汽相干燥技術及設備的發(fā)展卻會有著重要的意義和作用,。
例如：在工藝過程控制方面,，決定加熱、降壓階段轉換和干燥過程結束的終點判斷條件是十分重要的,。如果能夠借助理論模型,，準確預測加熱、降壓階段轉換和干燥終點,，將大大提高干燥效率,，達到節(jié)能降耗的目的。
針對在工藝過程控制方面缺乏定量理論研究和模擬計算這一問題,，本文嘗試對移動式溶劑汽相干燥的工藝過程,，建立一個綜合的傳熱傳質數(shù)學模型，詳細地定量描述移動式溶劑汽相干燥設備的關鍵單元和流程中溫度,、壓力,、流量等重要物理量間的定量關系,，從而為設備的設計和使用提供理論上的參考。
圖1 可移動式汽相干燥設備示意圖和現(xiàn)場照片
2,、MVPD 技術原理與設備結構
2.1,、MVPD 設備工作原理
根據干燥理論，變壓器絕緣材料中的水分,，主要是以毛細吸附的形式存在于變壓器內的絕緣材料之中的,。其干燥過程是：使水分子獲取足夠能量變?yōu)樗羝肿樱缓笸ㄟ^絕緣材料中的毛細孔隙從材料內部向周圍空間擴散,，從而脫離絕緣材料的過程,。驅使水蒸汽分子向絕緣材料外遷移的動力是材料內部和周圍空間的水蒸汽分壓差ΔP。因此,，ΔP 越大,，干燥速度越高。提高分壓差ΔP,，可以主要通過兩種途徑來實現(xiàn)：一是提高絕緣材料的溫度從而提高其內部水分的飽和蒸汽壓;二是降低周圍空間的壓力,。
移動式溶劑汽相干燥技術的工作原理是：利用電力變壓器的殼體作為真空室，對其抽真空;以溶劑作為傳熱載體,，利用一個蒸發(fā)器將液體溶劑加熱汽化成為溶劑蒸汽,，高溫溶劑蒸汽進入真空室后，遇到低溫的變壓器芯體發(fā)生凝結相變,，重新成為低溫液體溶劑,，并被送回蒸發(fā)器循環(huán)使用。變壓器殼體,、器身中的鐵芯,、銅線和絕緣材料吸收溶劑蒸汽放出的相變潛熱，從而溫度升高,。其內部水分的溫度也隨之升高,，并發(fā)生汽化相變，從絕緣材料中逸出,。為加快干燥速度,，還在對變壓器加熱的過程中穿插必要的抽真空過程，以促進凝結的溶劑和水分的蒸發(fā),。直至絕緣材料中的含水量達到規(guī)定的指標要求,。
2.2、MVPD 設備系統(tǒng)結構組成
移動式溶劑汽相干燥設備與固定式溶劑汽相干燥設備有所不同,，但工作原理相似,。主要由以下幾個系統(tǒng)組成：改造后的變壓器油箱、真空系統(tǒng)、冷凝系統(tǒng),、汽相系統(tǒng),、溶劑儲存輸送系統(tǒng)、導熱油加熱系統(tǒng),、氣動系統(tǒng),、冷卻水系統(tǒng)、控制系統(tǒng),、通風系統(tǒng)等,，其工作原理框圖如圖2 所示。
圖2 移動式溶劑汽相干燥系統(tǒng)結構原理圖
中國內*臺制造出來的移動式汽相干燥設備采用雙蒸發(fā)器組裝式設計模式,，其系統(tǒng)原理圖如圖3 所示。設備有如下幾個單元模塊組成：
圖3 MVPD 8.2 雙蒸發(fā)器移動式溶劑汽相干燥設備的系統(tǒng)原理圖
a)主體大模塊1：真空機組與冷凝模塊;
b)主體大模塊2：蒸發(fā)器和電加熱器模塊;
c)設備小模塊：粗過濾器和返回溶劑泵模塊;
d)輔助設備模塊1：儲油罐+ 廢油罐模塊;
e)輔助設備模塊2：水箱和冷水機組模塊;含空壓機和氣動柜;
f)輔助件模塊：裝聯(lián)接的管道的箱子(兩根粗管子,，3 根細管子);
g)保溫被及油箱加熱裝置模塊,。
2.3、MVPD 設備的工作流程
按照時間順序,，移動式溶劑汽相干燥設備工作主要分為以下幾個過程[1,，15-16]：
(1)準備階段
首先用泄漏泵對冷凝系統(tǒng)和蒸發(fā)器抽真空，然后由溶劑儲存罐向蒸發(fā)器中注入足夠的溶劑,。啟動主真空系統(tǒng)對變壓器殼體抽真空,，使其壓力降到700 Pa 以下。為了節(jié)省時間,，在準備階段時,，就對蒸發(fā)器加熱，蒸發(fā)器加熱溫度控制在80 ℃~90 ℃,。
(2)加熱階段
主真空系統(tǒng)停止工作,，主真空閥關閉。通向油箱內的溶劑蒸汽閥打開,，進入蒸發(fā)器的溶劑受熱變成溶劑蒸汽,，通過管路進入變壓器油箱，在器身冷的表面凝結并釋放熱能,。冷凝后的溶劑從油箱底排出,，返回蒸發(fā)器重新加熱汽化。這樣,，溶劑蒸汽循環(huán)加熱變壓器器身,，使得器身溫度逐步均勻升高。隨著溫度的升高,，絕緣材料中的水分開始大量蒸發(fā),。為保證變壓器油箱和蒸發(fā)器的壓差，加熱階段時，需利用泄漏泵對變壓器油箱抽真空,，箱體內未凝結的溶劑蒸汽,、釋放出的水蒸氣和漏入的空氣所組成的混合氣體進入主冷凝器，前二者冷凝后流入收集罐,。由于溶劑和水的密度不同,，水沉積在收集罐的底部，其中下部的水經收集罐底部排出,，而上部的溶劑被收集返回到蒸發(fā)器,，形成一個循環(huán)。
加熱階段中,，溶劑蒸汽溫度控制在130 ℃~135 ℃,，是根據A 級絕緣材料在無氧條件下zui高允許溫度而確定的。此階段,，絕緣材料中約90%的含水量將被排除,。
(3)降壓階段
當絕緣材料吸收了較多溶劑液體后，會抑制后續(xù)溶劑蒸汽的凝結,，并阻礙內部水分的向外遷移,。為了提高加熱速度，使絕緣材料內的水分快速蒸發(fā),，需要停止對器身加熱,，進入中間降壓階段。關閉溶劑蒸汽閥,，停止溶劑進入蒸發(fā)器,。由泄漏泵對油箱抽真空，使殘留在絕緣材料中的溶劑重新蒸發(fā),，大量的溶劑蒸汽和部分水蒸汽經冷凝器進入收集罐,，使水與溶劑分離，系統(tǒng)中所有的溶劑均收回到儲油罐,。當油箱內的真空度達到4.5 kPa 時,，降壓階段結束。根據被處理變壓器的規(guī)格不同,，需要多次循環(huán)重復進行加熱階段和中間降壓階段,。
(4)高真空階段
當進入高真空階段，變壓器絕緣材料中含水量已經很少,，約占總含水量的10%,。這部分水分分散在絕緣材料內部，尤其是較厚的絕緣件中,，很難排出,。此時器身溫度很高，接近設定溫度，不能用提高溫度的方法加快水分蒸發(fā),，只能降低外部壓力,，利用主真空泵對變壓器油箱抽真空，使得殘留在絕緣件中的溶劑和水分進一步蒸發(fā),，直至達到干燥標準結束,。
(5)注油階段
絕緣材料中水分被排除后，原有水分所占空間需立即被變壓器油填充,，以防止暴露在濕度較大空間中重新吸收水分,。在真空狀態(tài)下，將變壓器油注入油箱,，使變壓器油充分浸透絕緣件,。在整個工作流程中，MPVD 設備始終自動記錄,、監(jiān)控干燥過程的重要工藝參數(shù),，如變壓器內器芯的溫度、殼體內的氣體壓力,、總出水量等。操作人員可根據這些過程參數(shù)做出后續(xù)工藝流程的決策,。
5,、結論
本文在詳細剖析了移動式溶劑汽相干燥設備的工作原理、設備系統(tǒng)組成和生產工藝流程的基礎上,，提煉出了一個反映其內部作業(yè)單元及流程間關系的簡化流程模型;從質量和能量守恒原理出發(fā),，建立了一個包括40 個數(shù)學方程的熱質傳遞數(shù)學模型。該模型完整地表征了工藝過程中溶劑,、水,、空氣三種介質的相變與遷移過程的熱力學規(guī)律，詳細地描述了設備關鍵單元和流程中溫度,、壓力,、流量等重要物理量間的定量關系，反映了設備工作過程的熱質傳遞與轉換內在機制,。
依據該模型,，采用Matlab 軟件編程，以一個來自生產現(xiàn)場的500 kV/750 KVA 變壓器處理的實際工藝過程為例,，完成了一個完整工藝處理過程的模擬計算,。模擬結果給出了干燥工藝過程中器身溫度、油箱內壓力,、出水量等關鍵工藝參數(shù)隨時間變化的關系曲線,，將模擬結果與實際生產記錄數(shù)據相比較，發(fā)現(xiàn)二者在變化趨勢上十分吻合，從而驗證了所建立模型的正確性,。
今后,，以此模型為基礎，可以定量研究移動式溶劑汽相干燥設備的結構參數(shù)和過程運行的工藝參數(shù)對整個干燥過程和干燥效果的影響作用;有希望為干燥工藝過程控制和結果預測提供理論依據,，可供相關技術人員在改進設備的結構設計和優(yōu)化工藝運行時參考借鑒,。
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