不同氣壓條件下變壓器油閃點(diǎn)的變化規(guī)律研究

楊雪瀅，宋玉鋒，程雪婷，何運(yùn)華

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217）

0 引言

變壓器油、汽輪機(jī)油、抗燃油、液壓油等電力用油廣泛應(yīng)用于電廠及電網(wǎng)設(shè)備中，起著冷卻、絕緣、散熱、抗燃、潤(rùn)滑等作用。通過(guò)對(duì)這些電力用油閃點(diǎn)的表征，能夠判斷相關(guān)電力設(shè)備的著火危險(xiǎn)點(diǎn)，若閃點(diǎn)過(guò)低，遇明火可能會(huì)導(dǎo)致電氣設(shè)備著火甚至爆炸，因而閃點(diǎn)的準(zhǔn)確測(cè)定對(duì)于電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。

根據(jù)油品輕質(zhì)、重質(zhì)餾分的不同，目前閃點(diǎn)的測(cè)定方法主要分為兩種，分別為開(kāi)口閃點(diǎn)法和閉口閃點(diǎn)法，其對(duì)應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)分別為GB/T 3536—2008和GB/T 261—2008，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于閃點(diǎn)的大氣壓修正適用范圍均為98.0～104.7 kPa[1-2]。而實(shí)際上，對(duì)于云南、西藏等高海拔地區(qū)，其大氣壓均低于98.0 kPa，若根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的氣壓修正公式對(duì)油品閃點(diǎn)進(jìn)行修正，得到的修正值與實(shí)際閃點(diǎn)值將存在較大偏差。因此，目前所制定的石油產(chǎn)品閃點(diǎn)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)中的氣壓修正公式不適用于高海拔低氣壓地區(qū)，給這些地區(qū)油品閃點(diǎn)的檢測(cè)帶來(lái)很大的困擾。

相關(guān)研究學(xué)者針對(duì)高海拔低氣壓特殊環(huán)境開(kāi)展了大量可燃液體燃燒特性的研究。胡小康[3]通過(guò)在合肥、拉薩、當(dāng)雄等高海拔低壓地區(qū)進(jìn)行油池火實(shí)驗(yàn)，測(cè)量不同環(huán)境氣壓下可燃液體燃燒的相關(guān)參數(shù)。結(jié)果表明，液體燃燒的速度和燃燒效率隨環(huán)境壓力的下降而降低。周志輝[4]通過(guò)在合肥、拉薩兩地開(kāi)展低壓特殊環(huán)境下的航空煤油和正庚烷油盆火實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同環(huán)境壓力下可燃液體燃燒的質(zhì)量燃燒速率正比于壓力的2/3次方，并基于沸騰理論進(jìn)行了闡釋。雖然低壓特殊環(huán)境下可燃液體的燃燒特性和閃點(diǎn)的研究已經(jīng)取得了不少成果，但是主要研究對(duì)象為純凈物以及航空煤油，低壓環(huán)境下電力用油閃點(diǎn)的研究則較少，并且缺乏電力用油閃點(diǎn)在不同環(huán)境壓力下的修正模型研究。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)和高海拔實(shí)地實(shí)驗(yàn)進(jìn)行變壓器油開(kāi)、閉口閃點(diǎn)測(cè)試，研究變壓器油閃點(diǎn)與環(huán)境氣壓的關(guān)系，同時(shí)結(jié)合理論分析，對(duì)低壓環(huán)境下變壓器油閃點(diǎn)的氣壓修正模型進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

閃點(diǎn)是指大氣壓下可燃液體揮發(fā)出的可燃蒸氣與空氣的混合物與明火源（或電火花）接觸時(shí)發(fā)生閃燃的最低溫度。受條件限制，不能進(jìn)行不同氣壓自然環(huán)境的實(shí)地實(shí)驗(yàn)。相對(duì)于不同氣壓的實(shí)地實(shí)驗(yàn)，通過(guò)氣壓模擬進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)，具有可實(shí)現(xiàn)環(huán)境壓力范圍廣、實(shí)驗(yàn)成本低、周期短、重復(fù)性高、可控性好等優(yōu)點(diǎn)。因此本研究采用可模擬不同氣壓環(huán)境的閃點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以滿足不同氣壓下的測(cè)量要求。該系統(tǒng)包含調(diào)壓艙和閃點(diǎn)測(cè)試儀，調(diào)壓艙的調(diào)節(jié)范圍為40～110 kPa，且具備壓力補(bǔ)償功能，可自動(dòng)監(jiān)測(cè)艙內(nèi)壓力，并能與自動(dòng)控制系統(tǒng)連動(dòng)，保持實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的壓力恒定，同時(shí)能夠自動(dòng)和手動(dòng)調(diào)節(jié)艙內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)，使艙內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中維持在（21.0±1.0）%。閃點(diǎn)測(cè)試儀的精度為5%，分辨率≤0.1℃，其中開(kāi)口、閉口閃點(diǎn)測(cè)試儀的測(cè)試范圍分別為室溫至400℃、室溫至300℃，分別符合GB/T 3536—2008、GB/T 261—2008的要求。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)：利用調(diào)壓艙模擬設(shè)定的環(huán)境氣壓，然后接通閃點(diǎn)儀電源，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)定閃點(diǎn)儀的測(cè)試參數(shù)，在連續(xù)攪拌的情況下，以恒定升溫速率加熱樣品。以規(guī)定的溫度間隔，在中斷攪拌的情況下，將火源引入試驗(yàn)杯開(kāi)口處，使樣品蒸氣發(fā)生瞬間閃火。當(dāng)試樣出現(xiàn)閃燃時(shí)，顯示溫度值立即被鎖定，同時(shí)閃點(diǎn)儀自動(dòng)切斷電加熱系統(tǒng)和高壓打火系統(tǒng)電源，此時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度即為被測(cè)試樣在模擬氣壓下的開(kāi)、閉口閃點(diǎn)值。

實(shí)地實(shí)驗(yàn)：選取云南范圍內(nèi)海拔高度較高的香格里拉地區(qū)（3 600 m）、海拔高度中等的昆明地區(qū)（1 800 m）及海拔高度較低的河口地區(qū)（80 m）分別進(jìn)行樣品的開(kāi)、閉口閃點(diǎn)測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)和高海拔實(shí)地實(shí)驗(yàn)測(cè)試了遼河25#變壓器油及克拉瑪依25#變壓器油的開(kāi)、閉口閃點(diǎn)，結(jié)果如表1～2所示。

表1 高海拔實(shí)地環(huán)境和模擬環(huán)境下遼河25#變壓器油開(kāi)、閉口閃點(diǎn)測(cè)量值Tab.1 The flash point of Liaohe 25#transformer oil in high altitude and simulated environment

表2 高海拔實(shí)地環(huán)境和模擬環(huán)境下克拉瑪依25#變壓器油開(kāi)、閉口閃點(diǎn)測(cè)量值Tab.2 The flash point of Kelamayi 25#transformer oil in high altitude and simulated environment

3 分析及討論

3.1 遼河25#變壓器油實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

圖1是遼河25#變壓器油在實(shí)驗(yàn)室模擬條件及高海拔實(shí)地實(shí)驗(yàn)情況下開(kāi)口閃點(diǎn)（TF′）、閉口閃點(diǎn)（TF）隨環(huán)境壓力（P）的變化關(guān)系。

圖1 遼河25#變壓器油開(kāi)、閉口閃點(diǎn)與氣壓的關(guān)系Fig.1 The relation between open and closed cup flash point and air pressure of Liaohe 25#transformer oil

從圖1可以看出，模擬條件下的測(cè)試結(jié)果與實(shí)地環(huán)境下的測(cè)試結(jié)果符合性較好，遼河25#變壓器油開(kāi)、閉口閃點(diǎn)均隨環(huán)境氣壓的升高而升高，并且其閃點(diǎn)隨著環(huán)境壓力的變化不是呈現(xiàn)出簡(jiǎn)單的線性變化，而是復(fù)雜的非線性關(guān)系。

利用數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)以上幾組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行閃點(diǎn)與環(huán)境壓力及閃點(diǎn)倒數(shù)與環(huán)境壓力對(duì)數(shù)的線性關(guān)系擬合，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 遼河25#變壓器油閃點(diǎn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果Tab.3 The processed result of flash point data of Liaohe 25#transformer oil

3.2 克拉瑪依25#變壓器油實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理

圖2為克拉瑪依25#變壓器油在實(shí)驗(yàn)室模擬條件及高海拔實(shí)地實(shí)驗(yàn)情況下開(kāi)、閉口閃點(diǎn)隨環(huán)境壓力的變化關(guān)系。從圖2可以看出，與遼河25#變壓器油相同，模擬條件下克拉瑪依25#變壓器油的閃點(diǎn)測(cè)試結(jié)果與實(shí)地環(huán)境下的測(cè)試結(jié)果符合性較好，其開(kāi)、閉口閃點(diǎn)均隨環(huán)境氣壓升高而升高，且閃點(diǎn)隨著環(huán)境壓力的變化不是呈現(xiàn)出簡(jiǎn)單的線性變化，而是復(fù)雜的非線性關(guān)系。

圖2 克拉瑪依25#變壓器油開(kāi)、閉口閃點(diǎn)測(cè)量值Fig.2 Measurement of open and colsed cup flash point of Kelamayi 25#transformer oil

采用與3.1相同的數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)以上幾組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行閃點(diǎn)與環(huán)境壓力及閃點(diǎn)倒數(shù)與環(huán)境壓力對(duì)數(shù)的線性關(guān)系擬合，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 克拉瑪依25#變壓器油閃點(diǎn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果Tab.4 The processed result of flash point data of Kelamayi 25#transformer oil

由表3及表4可以看出，閃點(diǎn)倒數(shù)與環(huán)境壓力對(duì)數(shù)的線性相關(guān)性要明顯優(yōu)于閃點(diǎn)與環(huán)境壓力的線性相關(guān)性。

3.3 理論分析

根據(jù)Clausius-Clapeyron方程，可燃液體的飽和蒸氣壓與液體溫度之間的關(guān)系可以表示為式（1）。

式（1）中：P1是液體溫度為T1（298 K）時(shí)的飽和蒸氣壓；hfg是蒸發(fā)潛熱，單位為kJ/kg，蒸發(fā)潛熱只隨溫度變化，在溫度變化不大的情況下，對(duì)于純凈物來(lái)說(shuō)hfg可視為常數(shù)[5]；R是通用氣體常數(shù)，其值為8.314 J/(K·mol)；Pf是液體在溫度為Tf時(shí)的飽和蒸氣壓；Tf是液體達(dá)到閃點(diǎn)時(shí)的溫度。

另，燃空比f(wàn)[6]可表示為式（2）。

式（2）中：Mf為可燃液體的摩爾質(zhì)量，單位為g/mol；nf為可燃液體的物質(zhì)的量，單位為mol；Mair為空氣的摩爾質(zhì)量，單位為g/mol；nair為空氣的物質(zhì)的量，單位為mol。

又知物質(zhì)的量之比等于氣體體積分壓比，如式（3）所示。

式（3）中：P為環(huán)境壓力。

整理式（1）和式（3），可得式（4）。

當(dāng)可燃液體溫度達(dá)到閃點(diǎn)時(shí)，由式（4）變?yōu)槭剑?）。

式（5）中：fLFL為燃燒下限時(shí)的燃空比。

簡(jiǎn)化式（5）可得式（6）。

3.4 分析與討論

由理論分析得到的式（6）與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的關(guān)系曲線均說(shuō)明閃點(diǎn)倒數(shù)與環(huán)境壓力的對(duì)數(shù)之間存在著較好的線性關(guān)系。

根據(jù)式（6），不同環(huán)境氣壓下閃點(diǎn)測(cè)量的修正公式應(yīng)為（7）。

而目前國(guó)內(nèi)外可燃液體閃點(diǎn)對(duì)壓力的修正模型均為式（8），即閃點(diǎn)（TF）與環(huán)境壓力（P）的線性函數(shù)，這將導(dǎo)致低氣壓環(huán)境下測(cè)量閃點(diǎn)的修正結(jié)果相對(duì)于真實(shí)值發(fā)生較大偏差。

以本次實(shí)驗(yàn)所測(cè)遼河25#變壓器油閉口閃點(diǎn)為例，利用式（8）進(jìn)行修正的結(jié)果與環(huán)境壓力為101.4 kPa下的測(cè)量值之差，隨著環(huán)境壓力的下降越來(lái)越大，而利用式（7）進(jìn)行修正的結(jié)果與環(huán)境壓力為101.4 kPa下的測(cè)量值之差則始終相差不大，見(jiàn)表5。由此說(shuō)明，非線性的修正關(guān)系要優(yōu)于線性的修正關(guān)系，在低壓環(huán)境下尤其明顯。

表5 不同環(huán)境壓力下遼河25#變壓器油閉口閃點(diǎn)測(cè)量及修正值Tab.5 Measurement and correction value of closed cup flash point of Liaohe 25#transformer oil under different pressure

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬和高海拔實(shí)地實(shí)驗(yàn)進(jìn)行變壓器油開(kāi)、閉口閃點(diǎn)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，在壓力為60～101 kPa內(nèi)研究了變壓器閃點(diǎn)與環(huán)境壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，主要得出如下結(jié)論：

（1）不同氣壓下，變壓器油開(kāi)、閉口閃點(diǎn)倒數(shù)（1/TF）與環(huán)境壓力對(duì)數(shù)（lnP）的線性相關(guān)性明顯優(yōu)于閃點(diǎn)（TF）與環(huán)境壓力（P）的線性相關(guān)性。

（2）不同變壓器油開(kāi)、閉口閃點(diǎn)隨環(huán)境壓力變化的趨勢(shì)具有差異性，主要原因是其組成成分的不同導(dǎo)致其飽和蒸氣壓不同，由此造成閃點(diǎn)隨環(huán)境壓力下降而下降的趨勢(shì)不同。因此，變壓器油閃點(diǎn)修正公式從理論上來(lái)說(shuō)可以通過(guò)式（7）表示，但式（7）中c1為一變量值，因此無(wú)法確定其統(tǒng)一的修正公式。

（3）不同氣壓環(huán)境下變壓器油開(kāi)、閉口閃點(diǎn)的修正模型還應(yīng)以實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)研究，進(jìn)行大量測(cè)試實(shí)驗(yàn)，獲得其經(jīng)驗(yàn)公式。