移動(dòng)式溶劑汽相干燥設備的傳熱傳質(zhì)過(guò)程系統模型

　　溶劑汽相干燥處理是大型油浸式電力變壓器生產(chǎn)和維修過(guò)程中最重要的工藝過(guò)程之一。本文首先詳細介紹了移動(dòng)式溶劑汽相干燥技術(shù)的工作原理、設備系統組成、以及生產(chǎn)工藝流程。在對移動(dòng)式溶劑汽相干燥設備及流程做了必要的簡(jiǎn)化和假設基礎上，論文建立了一個(gè)包括40 個(gè)數學(xué)方程的熱質(zhì)傳遞數學(xué)模型，完整地表征了工藝過(guò)程中溶劑、水、空氣三種介質(zhì)的相變與遷移過(guò)程的熱力學(xué)規律，詳細地描述了設備關(guān)鍵單元和流程中溫度、壓力、流量等重要物理量間的定量關(guān)系。采用Matlab 軟件編程，以一個(gè)來(lái)自生產(chǎn)現場(chǎng)的500 kV /750 MVA 變壓器處理的實(shí)際工藝過(guò)程為例，開(kāi)展了一個(gè)完整工藝處理過(guò)程的模擬計算，獲得了干燥工藝過(guò)程中器身溫度、油箱內壓力、出水量等關(guān)鍵工藝參數隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線(xiàn)。對照實(shí)際生產(chǎn)記錄數據，發(fā)現理論模擬結果與實(shí)際數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(guò)程控制和結果預測提供理論依據�？晒┫嚓P(guān)技術(shù)人員，在改進(jìn)設備的結構設計和優(yōu)化工藝運行時(shí)，參考借鑒。

　　1、引言

　　大型電力變壓器是輸變電系統中的重要設備。變壓器的絕緣系統，是影響變壓器可靠運行的最關(guān)鍵因素。變壓器器身絕緣系統會(huì )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(zhù)我國電力行業(yè)的不斷發(fā)展，變壓器的電壓等級越來(lái)越高，容量越來(lái)越大，使用的絕緣材料越來(lái)越多，處理質(zhì)量要求越來(lái)越高，因此使得變壓器干燥處理工藝過(guò)程越來(lái)越難。干燥處理在變壓器制造過(guò)程中，占非常重要的地位，歷來(lái)是影響變壓器生產(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵環(huán)節。

　　溶劑汽相干燥處理是大型油浸式電力變壓器生產(chǎn)和維修過(guò)程中最重要的工藝過(guò)程之一。由于是注油前的最后一道工藝環(huán)節，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(diǎn)，已經(jīng)成為干燥處理特高電壓、大容量的巨型電力變壓器不可或缺的、理想可靠的先進(jìn)設備。

　　由于變壓器特性和實(shí)際的需求，變壓器做得越來(lái)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(shí)現總體運輸。因此，現場(chǎng)裝配式(Advanced on site Assemble，簡(jiǎn)記為ASA)變壓器應運而生，繼而用來(lái)干燥處理變壓器的移動(dòng)式溶劑汽相干燥設備MVPD 應運而生。ASA 的特征就是把巨無(wú)霸的變壓器，試驗后拆分成方便運輸的較小的部件。運送到電站工作場(chǎng)地，再組裝起來(lái)。因為分解和組裝過(guò)程必然受潮，所以需要在電站對變壓器進(jìn)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 也是最理想的選擇。近些年移動(dòng)式干燥設備備受關(guān)注，中國已有公司在全球率先試制生產(chǎn)出了幾套移動(dòng)式干燥設備系統，并實(shí)際應用處理了多臺大型變壓器設備。中國還有多個(gè)廠(chǎng)家也正在開(kāi)發(fā)試制移動(dòng)式干燥設備[5-6]圖1 即是MPVD 設備的結構示意圖和現場(chǎng)照片。

　　然而，關(guān)于移動(dòng)式溶劑汽相干燥技術(shù)的相關(guān)基礎理論研究工作，目前尚十分薄弱。在設備制造和使用過(guò)程中，基本還是照搬或套用固定式設備的實(shí)際經(jīng)驗數據，而缺乏理論指導。但是，移動(dòng)式設備與原來(lái)的固定式設備有許多不同之處，如：移動(dòng)式干燥設備實(shí)行分布式控制，管路分開(kāi)，結構更緊湊;考慮到運輸問(wèn)題，移動(dòng)式設備系統中的每個(gè)單體部件都不易過(guò)大(如儲油罐);移動(dòng)式設備直接采用變壓器殼體作為處理真空室;移動(dòng)式設備主要以電力作為原始動(dòng)力，而傳統固定式多以燃煤鍋爐作為加熱源等等。移動(dòng)式干燥設備這些變化為其設計制造人員和使用者帶來(lái)的新的問(wèn)題，需要結合其具體特點(diǎn)來(lái)分析解決。實(shí)際上，關(guān)于變壓器溶劑汽相干燥技術(shù)及設備的技術(shù)文獻一直很少，而且其中大部分相關(guān)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(guò)程的傳熱傳質(zhì)機理方面，很少有人做過(guò)相關(guān)研究，基本處于空白。但是，關(guān)于這一方面的研究，對于變壓器溶劑汽相干燥技術(shù)及設備的發(fā)展卻會(huì )有著(zhù)重要的意義和作用。

　　例如：在工藝過(guò)程控制方面，決定加熱、降壓階段轉換和干燥過(guò)程結束的終點(diǎn)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(diǎn)，將大大提高干燥效率，達到節能降耗的目的。

　　針對在工藝過(guò)程控制方面缺乏定量理論研究和模擬計算這一問(wèn)題，本文嘗試對移動(dòng)式溶劑汽相干燥的工藝過(guò)程，建立一個(gè)綜合的傳熱傳質(zhì)數學(xué)模型，詳細地定量描述移動(dòng)式溶劑汽相干燥設備的關(guān)鍵單元和流程中溫度、壓力、流量等重要物理量間的定量關(guān)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(dòng)式汽相干燥設備示意圖和現場(chǎng)照片

　　2、MVPD 技術(shù)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(guò)程是：使水分子獲取足夠能量變?yōu)樗�蒸汽分子，然后通過(guò)絕緣材料中的毛細孔隙從材料內部向周?chē)�空間擴散，從而脫離絕緣材料的過(guò)程。驅使水蒸汽分子向絕緣材料外遷移的動(dòng)力是材料內部和周?chē)�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(guò)兩種途徑來(lái)實(shí)現：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?chē)�空間的壓力。

　　移動(dòng)式溶劑汽相干燥技術(shù)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(gè)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(jìn)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(xiàn)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(guò)程中穿插必要的抽真空過(guò)程，以促進(jìn)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定的指標要求。

　　2.2、MVPD 設備系統結構組成

　　移動(dòng)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(gè)系統組成：改造后的變壓器油箱、真空系統、冷凝系統、汽相系統、溶劑儲存輸送系統、導熱油加熱系統、氣動(dòng)系統、冷卻水系統、控制系統、通風(fēng)系統等，其工作原理框圖如圖2 所示。

圖2 移動(dòng)式溶劑汽相干燥系統結構原理圖

　　中國內第一臺制造出來(lái)的移動(dòng)式汽相干燥設備采用雙蒸發(fā)器組裝式設計模式，其系統原理圖如圖3 所示。設備有如下幾個(gè)單元模塊組成：

圖3 MVPD 8.2 雙蒸發(fā)器移動(dòng)式溶劑汽相干燥設備的系統原理圖

　　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(guò)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(dòng)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(shí)間順序，移動(dòng)式溶劑汽相干燥設備工作主要分為以下幾個(gè)過(guò)程[1，15-16]：

　　(1)準備階段

　　首先用泄漏泵對冷凝系統和蒸發(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(dòng)主真空系統對變壓器殼體抽真空，使其壓力降到700 Pa 以下。為了節省時(shí)間，在準備階段時(shí)，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

　　主真空系統停止工作，主真空閥關(guān)閉。通向油箱內的溶劑蒸汽閥打開(kāi)，進(jìn)入蒸發(fā)器的溶劑受熱變成溶劑蒸汽，通過(guò)管路進(jìn)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(zhù)溫度的升高，絕緣材料中的水分開(kāi)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(shí)，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(jìn)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(jīng)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(gè)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(wú)氧條件下最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(huì )抑制后續溶劑蒸汽的凝結，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(jìn)入中間降壓階段。關(guān)閉溶劑蒸汽閥，停止溶劑進(jìn)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(jīng)冷凝器進(jìn)入收集罐，使水與溶劑分離，系統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(shí)，降壓階段結束。根據被處理變壓器的規格不同，需要多次循環(huán)重復進(jìn)行加熱階段和中間降壓階段。

　　(4)高真空階段

　　當進(jìn)入高真空階段，變壓器絕緣材料中含水量已經(jīng)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(shí)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(jìn)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(gè)工作流程中，MPVD 設備始終自動(dòng)記錄、監控干燥過(guò)程的重要工藝參數，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(guò)程參數做出后續工藝流程的決策。

　　5、結論

　　本文在詳細剖析了移動(dòng)式溶劑汽相干燥設備的工作原理、設備系統組成和生產(chǎn)工藝流程的基礎上，提煉出了一個(gè)反映其內部作業(yè)單元及流程間關(guān)系的簡(jiǎn)化流程模型;從質(zhì)量和能量守恒原理出發(fā)，論文建立了一個(gè)包括40 個(gè)數學(xué)方程的熱質(zhì)傳遞數學(xué)模型。該模型完整地表征了工藝過(guò)程中溶劑、水、空氣三種介質(zhì)的相變與遷移過(guò)程的熱力學(xué)規律，詳細地描述了設備關(guān)鍵單元和流程中溫度、壓力、流量等重要物理量間的定量關(guān)系，反映了設備工作過(guò)程的熱質(zhì)傳遞與轉換內在機制。

　　依據該模型，論文采用Matlab 軟件編程，以一個(gè)來(lái)自生產(chǎn)現場(chǎng)的500 kV/750 KVA 變壓器處理的實(shí)際工藝過(guò)程為例，完成了一個(gè)完整工藝處理過(guò)程的模擬計算。模擬結果給出了干燥工藝過(guò)程中器身溫度、油箱內壓力、出水量等關(guān)鍵工藝參數隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線(xiàn)，將模擬結果與實(shí)際生產(chǎn)記錄數據相比較，發(fā)現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(dòng)式溶劑汽相干燥設備的結構參數和過(guò)程運行的工藝參數對整個(gè)干燥過(guò)程和干燥效果的影響作用;有希望為干燥工藝過(guò)程控制和結果預測提供理論依據，可供相關(guān)技術(shù)人員在改進(jìn)設備的結構設計和優(yōu)化工藝運行時(shí)參考借鑒。