氣封技術(shù)在變壓器油生產(chǎn)中的應(yīng)用

徐輝

中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司上海分公司

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，對(duì)電力等能源的需求也在持續(xù)增加，越來越多的變電站投入使用，變壓器油用量也隨之不斷增長(zhǎng)。中國(guó)石化潤(rùn)滑油有限公司上海分公司（以下簡(jiǎn)稱上海分公司）生產(chǎn)的變壓器油具有良好的熱傳導(dǎo)性、流動(dòng)性和優(yōu)秀的絕緣性、氧化安定性，同時(shí)具有使用周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，得到了市場(chǎng)用戶的廣泛認(rèn)可。變壓器油銷量2006年為3 000 t，到2017年一舉突破60 000 t，呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)。

近年來，客戶對(duì)變壓器油的電氣性能等要求越來越高，其中一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)就是擊穿電壓。將電壓施加于絕緣油時(shí)，隨著電壓增加，通過油的電流劇增，使之完全喪失所固有的絕緣性能而變成導(dǎo)體，這種現(xiàn)象稱為絕緣油的擊穿，而絕緣油發(fā)生擊穿時(shí)的臨界電壓值就是擊穿電壓[1]。

國(guó)標(biāo)GB 2536—2011《電工流體變壓器油和開關(guān)用的礦物絕緣油》?中對(duì)變壓器油擊穿電壓的要求為≥30 kV，上海分公司的內(nèi)控指標(biāo)為擊穿電壓≥35 kV，而部分OEM（原始設(shè)備制造商）客戶，如正泰電氣提出了擊穿電壓≥40 kV的要求。

因此，如何進(jìn)一步提升油品質(zhì)量，滿足客戶的特殊要求，使長(zhǎng)城變壓器油成為市場(chǎng)同類產(chǎn)品中的佼佼者，是擺在上海分公司面前的一道重要課題。

變壓器油生產(chǎn)中擊穿電壓的影響因素分析

上海分公司共有4個(gè)儲(chǔ)罐用來調(diào)合、儲(chǔ)存長(zhǎng)城I-10 ℃變壓器油（通用）。儲(chǔ)罐為1 300 m3的拱頂罐，于2012年投用。儲(chǔ)罐的頂部設(shè)置有一個(gè)DN150的鵝頸彎透氣孔，調(diào)合方式采用氣動(dòng)脈沖攪拌。

在一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)，上海分公司共生產(chǎn)94批次合計(jì)49 000 t變壓器油，不同批次油品的擊穿電壓情況見表1。

由表1可見，擊穿電壓＜40 kV的比例達(dá)到17%，這不能夠滿足部分OEM客戶對(duì)擊穿電壓≥40 kV的需求。

原材料質(zhì)量

上海分公司生產(chǎn)變壓器油的原材料為A、B 2種基礎(chǔ)油，這2種基礎(chǔ)油的擊穿電壓見表2。

對(duì)原材料A和B的擊穿電壓指標(biāo)進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)入廠的96批次原材料A與9批次原材料B的擊穿電壓指標(biāo)均≥40 kV。因此，原材料質(zhì)量不是造成擊穿電壓＜40 kV的原因。

加劑方式

由于抗氧劑的介電常數(shù)高于基礎(chǔ)油，如果抗氧劑加入過量或攪拌不均勻都會(huì)大幅降低變壓器油的擊穿電壓。變壓器油在調(diào)合過程中會(huì)脈沖攪拌2次，每次≥120 min，符合工藝通知書的要求。同時(shí)，對(duì)擊穿電壓＜40 kV的5個(gè)批次的變壓器油抗氧劑含量進(jìn)行分析，見表3。

由表3可見，5個(gè)批次的變壓器油的抗氧劑含量均小于0.28 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的理論值，說明沒有加入過量抗氧劑的情況。因此，加劑方式也不是造成變壓器油擊穿電壓＜40 kV的原因。

水分

純凈的絕緣油與通常含有水等雜質(zhì)的絕緣油具有不同的擊穿機(jī)理，前者的擊穿是由于在高電場(chǎng)強(qiáng)度下，油分子碰撞游離成正離子和電子，進(jìn)而形成電子崩。電子崩向陽極發(fā)展，而積累的正電荷則聚集在陰極附近，最后形成一個(gè)具有高電導(dǎo)的通道，導(dǎo)致絕緣油的擊穿。后者則是受水分含量等影響。水是強(qiáng)極性物質(zhì)，油中水滴和其他雜質(zhì)的介電常數(shù)ε比油要大的多（水的ε=80，而變壓器油的ε≈2.3），在電場(chǎng)作用下易電離分解，從而增加了油的電導(dǎo)電流，使油的擊穿強(qiáng)度降低。

此外，水分還能促進(jìn)有機(jī)酸對(duì)銅、鐵等金屬的腐蝕作用，產(chǎn)生的皂化物會(huì)惡化油的介質(zhì)損耗因數(shù)，增加油的吸潮性，并對(duì)油品氧化起催化作用，使油生成雜質(zhì)，導(dǎo)致絕緣電阻降低和絕緣強(qiáng)度進(jìn)一步下降，并使油擊穿電壓降低[2]。一般情況下，變壓器油擊穿電壓與含水量的關(guān)系見圖1。

由圖1可見，當(dāng)含水量小于0.01 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，擊穿電壓隨水分增加而急劇降低，而含水量大于0.01 %（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，擊穿電壓隨水分增加而下降，但下降速度已趨于平緩。但這只是反映了一般變化規(guī)律，由于不同油品質(zhì)量、測(cè)試環(huán)境的不同，臨界變化數(shù)值也會(huì)有差異。因此，選取了5批次擊穿電壓＜40 kV的變壓器油與5批次擊穿電壓＞50 kV的變壓器油進(jìn)行水分的對(duì)比分析，結(jié)果見表4。

表1 不同批次變壓器油擊穿電壓統(tǒng)計(jì)

表2 原材料的擊穿電壓

表3 擊穿電壓＜40 kV的變壓器油抗氧劑含量

從表4可以看出，擊穿電壓＞50 kV的5個(gè)批次，其水分均低于13 mg/kg，說明變壓器油中的水分含量是影響擊穿電壓的一個(gè)重要因素。

對(duì)生產(chǎn)的94批次變壓器油的生產(chǎn)月份進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)擊穿電壓＜40 kV的批次集中出現(xiàn)在6～8月份，共12批，占全年不合格批次的75 %。6～8月份為長(zhǎng)江中下游地區(qū)的梅雨季，空氣中相對(duì)濕度較高，平均濕度可達(dá)到80%以上。而4個(gè)變壓器油罐均安裝了DN150的鵝頸彎透氣孔，變壓器油直接與環(huán)境中的潮濕空氣接觸，造成水分上升，最終導(dǎo)致了擊穿電壓降低。

綜上所述，水分是影響變壓器油擊穿電壓的主要原因。要消除這個(gè)不利影響，最直接的方法是采取措施把儲(chǔ)罐中油品與自然環(huán)境中的潮濕空氣隔絕開。

氣封技術(shù)的原理

表4 不同批次變壓器油的水分與擊穿電壓

目前成熟的隔絕罐內(nèi)介質(zhì)與外界空氣的方法有2種：

◇采用浮頂罐來儲(chǔ)存介質(zhì)；

◇在儲(chǔ)罐上加裝氮封系統(tǒng)，使儲(chǔ)罐的上部空間處于惰性氣體保護(hù)和微壓的控制之下，從而隔絕罐內(nèi)油品與潮濕空氣的接觸。

由于拱頂罐改造為浮頂罐的費(fèi)用高，且施工周期長(zhǎng)，同時(shí)結(jié)合變壓器油的產(chǎn)品性質(zhì)、工藝狀態(tài)及經(jīng)濟(jì)性，決定采用經(jīng)過干燥裝置處理過的壓縮空氣對(duì)變壓器油儲(chǔ)罐進(jìn)行氣封，達(dá)到阻止油品與潮濕空氣接觸，最終提升產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

氣封系統(tǒng)是利用經(jīng)過干燥的壓縮空氣，使儲(chǔ)罐的氣相空間充滿干燥空氣，從而避免罐內(nèi)油品的水分增加。氣封系統(tǒng)主要由氣封閥、呼吸閥、緊急泄壓閥等組成，其原理見圖2。

氣封系統(tǒng)改造方案

上海分公司使用高橋石化的壓縮空氣作為氣源。壓縮空氣經(jīng)儲(chǔ)氣緩沖罐、油水分離器和氧化鋁干燥器的初級(jí)處理后進(jìn)入變壓器油罐區(qū)，在變壓器油儲(chǔ)罐的進(jìn)口再經(jīng)過水氣分離器和油霧過濾器的二級(jí)處理；對(duì)初級(jí)處理過的干燥壓縮空氣進(jìn)一步除水、除油等之后進(jìn)入變壓器油儲(chǔ)罐作為氣封介質(zhì)使用。

氣封閥

氣封閥選用自力式調(diào)節(jié)閥。根據(jù)《中國(guó)石油化工股份有限公司煉油輕質(zhì)油儲(chǔ)罐安全運(yùn)行指導(dǎo)意見（試行）》附件中氮封設(shè)計(jì)的推薦，在儲(chǔ)罐罐頂增加氮?dú)饨尤肟诤鸵龎嚎凇Ｋ詺夥忾y應(yīng)安裝在罐頂，同時(shí)為確保壓力取值的準(zhǔn)確性，接入口與引壓口之間的距離不宜小于1 m。

因?yàn)闅夥忾y閥后壓縮空氣管道為動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)，管道背壓控制管道流量。當(dāng)氣封閥的引壓管道由儲(chǔ)罐氣相空間引出時(shí)，可以使氣封閥的控制開度由儲(chǔ)罐的氣相壓力確定。當(dāng)氣相空間的通氣量加大時(shí)，罐頂氣相空間壓力下降，氣封調(diào)節(jié)閥開啟，開始提供壓縮空氣。若壓縮空氣流量不足時(shí)，罐頂氣相壓力會(huì)持續(xù)下降使氣封閥增大調(diào)節(jié)量，直至壓縮空氣管道流量與氣相空間通氣量相等。當(dāng)氣相空間通氣量減小并趨于靜止時(shí)，罐頂氣相空間壓力上升，氣封調(diào)節(jié)閥逐漸關(guān)閉減少壓縮空氣供應(yīng)，直至氣封閥閥后背壓與儲(chǔ)罐氣相空間壓力相同。氣封閥安裝在罐頂，可以盡可能地減少壓縮空氣的消耗，同時(shí)滿足儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力及其氣相空間靜止時(shí)的密閉要求。

綜上所述，在每臺(tái)儲(chǔ)罐的罐頂設(shè)置氣封閥組和限流孔板旁路，維持罐內(nèi)氣相空間的壓力在1.2 kPa左右，當(dāng)氣相空間壓力高于1.4 kPa時(shí)氣封閥關(guān)閉，停止壓縮空氣的供應(yīng)；當(dāng)氣相空間壓力低于0.8 kPa時(shí)氣封閥開啟，開始補(bǔ)充壓縮空氣；當(dāng)氣封閥需要檢修或故障時(shí)，可臨時(shí)使用限流孔板旁路給儲(chǔ)罐內(nèi)補(bǔ)充壓縮空氣，壓力高于1.5 kPa時(shí)，通過呼吸閥外排，保證儲(chǔ)罐在正常運(yùn)行過程中不吸入大氣環(huán)境中的潮濕空氣。

呼吸閥

呼吸閥是利用正負(fù)壓閥盤的重量，來控制排氣正壓和吸氣負(fù)壓。作用是在儲(chǔ)罐進(jìn)、出物料的情況下，提供壓力或真空泄放，從而防止儲(chǔ)罐破裂或被抽癟。呼吸閥的數(shù)量及規(guī)格按照SH/T 3007—2014《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》來確定。該標(biāo)準(zhǔn)5.1.6條規(guī)定，儲(chǔ)罐呼吸閥的通氣量不得小于下列各項(xiàng)的呼出量與吸入量之和：

A：液體出罐時(shí)所造成的罐內(nèi)氣體吸入量；

B：液體進(jìn)入固定頂儲(chǔ)罐時(shí)造成的罐內(nèi)氣體呼出量；

C：因大氣最大溫降導(dǎo)致罐內(nèi)氣體收縮所造成儲(chǔ)罐吸入的空氣量和因大氣最大溫升導(dǎo)致罐內(nèi)氣體膨脹而呼出的空氣量。

A、B又稱為大呼吸損耗，是指油品收發(fā)時(shí)罐內(nèi)液面的升降而造成的蒸發(fā)損耗，是壓縮空氣消耗量的主因。按照SHS 01012—2004《常壓立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐維護(hù)檢修規(guī)程》附錄B儲(chǔ)罐呼吸閥的要求：應(yīng)按油品最大出油量考慮吸入量；當(dāng)油品閃點(diǎn)（閉口）高于45 ℃時(shí)，應(yīng)按最大進(jìn)油量的1.07倍考慮呼出量。C又稱為小呼吸損耗，是指因晝夜氣溫的變化而造成的蒸發(fā)損耗，宜按表5確定。

同時(shí)，根據(jù)SHS 01012—2004《常壓立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐維護(hù)檢修規(guī)程》附錄B儲(chǔ)罐呼吸閥的要求：呼吸閥應(yīng)按確定的通氣量和呼吸閥的通氣量曲線來選定呼吸閥的規(guī)格，當(dāng)缺乏呼吸閥的通氣量曲線時(shí)，可按表6確定。

綜上所述，應(yīng)在每臺(tái)儲(chǔ)罐的罐頂設(shè)置2臺(tái)Dn150的呼吸閥。當(dāng)罐內(nèi)壓力高于1.5 kPa時(shí)，可通過呼吸閥外排；當(dāng)罐內(nèi)壓力低于-0.29 kPa時(shí)，可通過呼吸閥向罐內(nèi)補(bǔ)充壓縮空氣，確保罐內(nèi)壓力不低于儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)負(fù)壓-0.49 kPa。

緊急泄壓閥

緊急泄壓閥的主要功能是快速泄放由于介質(zhì)快速進(jìn)入儲(chǔ)罐造成的急劇上升的壓力。緊急泄壓閥的設(shè)計(jì)泄放流量必須保證滿足事故超壓狀態(tài)下的排放，保證儲(chǔ)罐的安全。緊急泄壓閥的定壓值不應(yīng)高于儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力1.96 kPa，所以將泄壓閥的整定壓力設(shè)為1.76 kPa。

表5 儲(chǔ)罐小呼吸通氣需要量

表6 呼吸閥規(guī)格的選擇

報(bào)警系統(tǒng)

為了有效監(jiān)控氣封系統(tǒng)功能和安全性能，儲(chǔ)罐配備了氣封壓力報(bào)警系統(tǒng)。在儲(chǔ)罐頂部設(shè)置壓力變送器，壓力信號(hào)傳入到中央控制室，并組態(tài)到上位機(jī)生成數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖，使操作人員可以隨時(shí)觀察和記錄儲(chǔ)罐的實(shí)時(shí)壓力參數(shù)。同時(shí)，設(shè)定壓力值的報(bào)警區(qū)間，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐壓力的高位和低位壓力報(bào)警。

方案實(shí)施效果

產(chǎn)品質(zhì)量

儲(chǔ)罐氣封系統(tǒng)實(shí)施后，4個(gè)變壓器油儲(chǔ)罐共進(jìn)行了12批次變壓器油的生產(chǎn)，對(duì)水分和擊穿電壓的情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，見表7。

對(duì)變壓器油在氣封罐內(nèi)的儲(chǔ)存穩(wěn)定性進(jìn)行了跟蹤分析，見表8。

由表7、表8可見，采用氣封系統(tǒng)后，變壓器油擊穿電壓均≥40 kV，且當(dāng)環(huán)境中的大氣濕度波動(dòng)時(shí)，變壓器油的水分和擊穿電壓基本沒有受到影響。擊穿電壓≥40 kV的通過率達(dá)到100%，說明儲(chǔ)罐氣封系統(tǒng)起到了良好效果。同時(shí)，由于罐內(nèi)的氣相空間保持微壓，也降低了油品中輕組分的蒸發(fā)損耗，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

安全環(huán)保

采用氣封系統(tǒng)后，呼吸閥的安全防護(hù)性能比原先直通大氣的鵝頸彎透氣孔有所提高。同時(shí)，由于呼出氣體主要是干燥空氣，也降低了油氣量。

經(jīng)檢測(cè)，非甲烷總烴排放濃度檢測(cè)值為2.38 mg/m3，遠(yuǎn)低于DB 31/933—2015《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的排放限值4.0 mg/m3，有效減少了油氣外排對(duì)大氣造成的環(huán)境污染。

表7 氣封后的變壓器油水分與擊穿電壓

表8 氣封后的變壓器油儲(chǔ)存穩(wěn)定性

結(jié)束語

變壓器油在儲(chǔ)存過程中接觸潮濕空氣會(huì)造成水分增高，這是導(dǎo)致變壓器油擊穿電壓偏低的主要原因。采用儲(chǔ)罐氣封技術(shù)后，用微壓的干燥壓縮空氣來隔絕油品與大氣環(huán)境中的潮濕空氣接觸，可以有效避免這一負(fù)面影響。該技術(shù)的成功應(yīng)用使上海分公司變壓器油產(chǎn)品的擊穿電壓≥40 kV的通過率達(dá)到了100%，滿足了大客戶對(duì)產(chǎn)品指標(biāo)的特殊需求，為今后公司進(jìn)一步開拓高端油市場(chǎng)做好了技術(shù)儲(chǔ)備。