溶劑汽相干燥處理是大型油浸式電力變壓器生產(chǎn)和維修過程中最重要的工藝過程之一。本文首先詳細(xì)介紹了移動(dòng)式溶劑汽相干燥技術(shù)的工作原理、設(shè)備系統(tǒng)組成、以及生產(chǎn)工藝流程。在對移動(dòng)式溶劑汽相干燥設(shè)備及流程做了必要的簡化和假設(shè)基礎(chǔ)上，論文建立了一個(gè)包括40 個(gè)數(shù)學(xué)方程的熱質(zhì)傳遞數(shù)學(xué)模型，完整地表征了工藝過程中溶劑、水、空氣三種介質(zhì)的相變與遷移過程的熱力學(xué)規(guī)律，詳細(xì)地描述了設(shè)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)來自生產(chǎn)現(xiàn)場的500 kV /750 MVA 變壓器處理的實(shí)際工藝過程為例，開展了一個(gè)完整工藝處理過程的模擬計(jì)算，獲得了干燥工藝過程中器身溫度、油箱內(nèi)壓力、出水量等關(guān)鍵工藝參數(shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。對照實(shí)際生產(chǎn)記錄數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)理論模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)在變化趨勢上十分吻合，驗(yàn)證了所建立模型的正確性。該模型的應(yīng)用，將有希望為干燥工藝過程控制和結(jié)果預(yù)測提供理論依據(jù)�？晒┫嚓P(guān)技術(shù)人員，在改進(jìn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化工藝運(yùn)行時(shí)，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(shè)備。變壓器的絕緣系統(tǒng)，是影響變壓器可靠運(yùn)行的最關(guān)鍵因素。變壓器器身絕緣系統(tǒng)會(huì)因各種原因而受潮，導(dǎo)致其絕緣性能和運(yùn)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(jí)越來越高，容量越來越大，使用的絕緣材料越來越多，處理質(zhì)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(chǎn)質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)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(chǎn)和維修過程中最重要的工藝過程之一。由于是注油前的最后一道工藝環(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(shè)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(shè)備。

　　由于變壓器特性和實(shí)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(yùn)輸條件極差，整體運(yùn)輸運(yùn)費(fèi)昂貴，并且有些根本就不可能實(shí)現(xiàn)總體運(yùn)輸。因此，現(xiàn)場裝配式(Advanced on site Assemble，簡記為ASA)變壓器應(yīng)運(yùn)而生，繼而用來干燥處理變壓器的移動(dòng)式溶劑汽相干燥設(shè)備MVPD 應(yīng)運(yùn)而生。ASA 的特征就是把巨無霸的變壓器，試驗(yàn)后拆分成方便運(yùn)輸?shù)妮^小的部件。運(yùn)送到電站工作場地，再組裝起來。因?yàn)榉纸夂徒M裝過程必然受潮，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(hù)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(shè)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(shè)備系統(tǒng)，并實(shí)際應(yīng)用處理了多臺(tái)大型變壓器設(shè)備。中國還有多個(gè)廠家也正在開發(fā)試制移動(dòng)式干燥設(shè)備[5-6]圖1 即是MPVD 設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖和現(xiàn)場照片。

　　然而，關(guān)于移動(dòng)式溶劑汽相干燥技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)理論研究工作，目前尚十分薄弱。在設(shè)備制造和使用過程中，基本還是照搬或套用固定式設(shè)備的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而缺乏理論指導(dǎo)。但是，移動(dòng)式設(shè)備與原來的固定式設(shè)備有許多不同之處，如：移動(dòng)式干燥設(shè)備實(shí)行分布式控制，管路分開，結(jié)構(gòu)更緊湊;考慮到運(yùn)輸問題，移動(dòng)式設(shè)備系統(tǒng)中的每個(gè)單體部件都不易過大(如儲(chǔ)油罐);移動(dòng)式設(shè)備直接采用變壓器殼體作為處理真空室;移動(dòng)式設(shè)備主要以電力作為原始動(dòng)力，而傳統(tǒng)固定式多以燃煤鍋爐作為加熱源等等。移動(dòng)式干燥設(shè)備這些變化為其設(shè)計(jì)制造人員和使用者帶來的新的問題，需要結(jié)合其具體特點(diǎn)來分析解決。實(shí)際上，關(guān)于變壓器溶劑汽相干燥技術(shù)及設(shè)備的技術(shù)文獻(xiàn)一直很少，而且其中大部分相關(guān)的文獻(xiàn)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(zhì)機(jī)理方面，很少有人做過相關(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(shè)備的發(fā)展卻會(huì)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(zhuǎn)換和干燥過程結(jié)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(zhǔn)確預(yù)測加熱、降壓階段轉(zhuǎn)換和干燥終點(diǎn)，將大大提高干燥效率，達(dá)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(jì)算這一問題，本文嘗試對移動(dòng)式溶劑汽相干燥的工藝過程，建立一個(gè)綜合的傳熱傳質(zhì)數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)地定量描述移動(dòng)式溶劑汽相干燥設(shè)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(shè)備的設(shè)計(jì)和使用提供理論上的參考。

圖1 可移動(dòng)式汽相干燥設(shè)備示意圖和現(xiàn)場照片

　　2、MVPD 技術(shù)原理與設(shè)備結(jié)構(gòu)

　　2.1、MVPD 設(shè)備工作原理

　　根據(jù)干燥理論，變壓器絕緣材料中的水分，主要是以毛細(xì)吸附的形式存在于變壓器內(nèi)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�蒸汽分子，然后通過絕緣材料中的毛細(xì)孔隙從材料內(nèi)部向周圍空間擴(kuò)散，從而脫離絕緣材料的過程。驅(qū)使水蒸汽分子向絕緣材料外遷移的動(dòng)力是材料內(nèi)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(shí)現(xiàn)：一是提高絕緣材料的溫度從而提高其內(nèi)部水分的飽和蒸汽壓;二是降低周圍空間的壓力。

　　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(jié)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(nèi)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(jìn)凝結(jié)的溶劑和水分的蒸發(fā)。直至絕緣材料中的含水量達(dá)到規(guī)定的指標(biāo)要求。

　　2.2、MVPD 設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

　　移動(dòng)式溶劑汽相干燥設(shè)備與固定式溶劑汽相干燥設(shè)備有所不同，但工作原理相似。主要由以下幾個(gè)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(chǔ)存輸送系統(tǒng)、導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)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(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

　　中國內(nèi)第一臺(tái)制造出來的移動(dòng)式汽相干燥設(shè)備采用雙蒸發(fā)器組裝式設(shè)計(jì)模式，其系統(tǒng)原理圖如圖3 所示。設(shè)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(shè)備的系統(tǒng)原理圖

　　a)主體大模塊1：真空機(jī)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(shè)備小模塊：粗過濾器和返回溶劑泵模塊;

　　d)輔助設(shè)備模塊1：儲(chǔ)油罐+ 廢油罐模塊;

　　e)輔助設(shè)備模塊2：水箱和冷水機(jī)組模塊;含空壓機(jī)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(xì)管子);

　　g)保溫被及油箱加熱裝置模塊。

　　2.3、MVPD 設(shè)備的工作流程

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

　　(1)準(zhǔn)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(chǔ)存罐向蒸發(fā)器中注入足夠的溶劑。啟動(dòng)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(shí)間，在準(zhǔn)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(tǒng)停止工作，主真空閥關(guān)閉。通向油箱內(nèi)的溶劑蒸汽閥打開，進(jìn)入蒸發(fā)器的溶劑受熱變成溶劑蒸汽，通過管路進(jìn)入變壓器油箱，在器身冷的表面凝結(jié)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(shí)，需利用泄漏泵對變壓器油箱抽真空，箱體內(nèi)未凝結(jié)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(jù)A 級(jí)絕緣材料在無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(dāng)絕緣材料吸收了較多溶劑液體后，會(huì)抑制后續(xù)溶劑蒸汽的凝結(jié)，并阻礙內(nèi)部水分的向外遷移。為了提高加熱速度，使絕緣材料內(nèi)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(tǒng)中所有的溶劑均收回到儲(chǔ)油罐。當(dāng)油箱內(nèi)的真空度達(dá)到4.5 kPa 時(shí)，降壓階段結(jié)束。根據(jù)被處理變壓器的規(guī)格不同，需要多次循環(huán)重復(fù)進(jìn)行加熱階段和中間降壓階段。

　　(4)高真空階段

　　當(dāng)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(nèi)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(shè)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(dá)到干燥標(biāo)準(zhǔn)結(jié)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(shè)備始終自動(dòng)記錄、監(jiān)控干燥過程的重要工藝參數(shù)，如變壓器內(nèi)器芯的溫度、殼體內(nèi)的氣體壓力、總出水量等。操作人員可根據(jù)這些過程參數(shù)做出后續(xù)工藝流程的決策。

　　5、結(jié)論

　　本文在詳細(xì)剖析了移動(dòng)式溶劑汽相干燥設(shè)備的工作原理、設(shè)備系統(tǒng)組成和生產(chǎn)工藝流程的基礎(chǔ)上，提煉出了一個(gè)反映其內(nèi)部作業(yè)單元及流程間關(guān)系的簡化流程模型;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(shù)學(xué)方程的熱質(zhì)傳遞數(shù)學(xué)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(zhì)的相變與遷移過程的熱力學(xué)規(guī)律，詳細(xì)地描述了設(shè)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(shè)備工作過程的熱質(zhì)傳遞與轉(zhuǎn)換內(nèi)在機(jī)制。

　　依據(jù)該模型，論文采用Matlab 軟件編程，以一個(gè)來自生產(chǎn)現(xiàn)場的500 kV/750 KVA 變壓器處理的實(shí)際工藝過程為例，完成了一個(gè)完整工藝處理過程的模擬計(jì)算。模擬結(jié)果給出了干燥工藝過程中器身溫度、油箱內(nèi)壓力、出水量等關(guān)鍵工藝參數(shù)隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線，將模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)記錄數(shù)據(jù)相比較，發(fā)現(xiàn)二者在變化趨勢上十分吻合，從而驗(yàn)證了所建立模型的正確性。

　　今后，以此模型為基礎(chǔ)，可以定量研究移動(dòng)式溶劑汽相干燥設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)和過程運(yùn)行的工藝參數(shù)對整個(gè)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(jié)果預(yù)測提供理論依據(jù)，可供相關(guān)技術(shù)人員在改進(jìn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化工藝運(yùn)行時(shí)參考借鑒。