Регенерация трансформаторных масел - Физические методы регенерации трансформаторных масел

К физическим методам регенерации трансформаторных масел относят обычно очистку от механических примесей и воды, т. е. сушку.
Трансформаторные масла (свежие, регенерированные и эксплуатационные), загрязненные механическими примесями, а также обводненные, но не изменившие своих химических свойств и не претерпевшие существенных изменений, могут быть в большинстве случаев исправлены одним из приведенных ниже методов очистки. Продукты, ухудшающие исходные свойства масла, могут быть растворенными и нерастворенными в нем. Механической очисткой можно удалить из масла продукты, находящиеся в нем в нерастворенном состоянии, такие, как воду, шлам, уголь и другие механические примеси.
В данной главе рассмотрен способ сушки масла негашеной известью, основанный на взаимодействии СаО с водой. Этот способ является химическим, но он описан в этой главе только из-за того, что здесь приведены основные методы очистки масла от загрязняющих примесей, в частности от воды. Поэтому читателю будет значительно легче сопоставлять применяемые методы очистки масла от воды.

ОТСТАИВАНИЕ

Первой и обязательной стадией всех методов регенерации является отстаивание отработанных масел от различных механических примесей и воды. Оно основано на осаждении частиц, находящихся в жидкости во взвешенном состоянии. Под действием силы тяжести вода и механические примеси, имеющие большую плотность, чем масло, при спокойном стоянии его с течением времени осаждаются, образуя осадок. Отстаивание значительно упрощает дальнейшие процессы регенерации, хотя при нем не удаляются полностью все загрязнения и вода. Преимуществом отстаивания является его крайняя простота, дешевизна и безвредность для масла; к недостаткам же относится большая продолжительность операции.
Скорость отстаивания зависит от удельного веса и размера частиц, плотности и вязкости масла. Чем больше удельный вес и размер частиц и чем меньше плотность и вязкость масла, тем больше скорость осаждения примесей. Так как вязкость масла зависит от температуры, то отстаивание следует вести при повышенной температуре. Оптимальная температура отстаивания трансформаторных масел 35—40° С. При более низкой температуре отстаивание замедляется, а при более высокой ему мешают конвекционные токи и взмучивание масла пузырьками испаряющейся воды.
Продолжительность отстаивания зависит от высоты слоя масла в отстойнике: чем толще слой, тем больше требуется времени на отстаивание. Установлено, что наибольшая эффективность процесса достигается при соотношении между диаметром отстойника и его высотой 1,5 : 1 или 2:1. Однако на практике применяются в основном отстойники с соотношением диаметра и высоты примерно 1:1.
Для отстаивания сильно загрязненных масел применяют подземные стальные или железобетонные резервуары, куда сливают поступающее для регенерации масло. Дно резервуара имеет уклон в сторону грязевика, в котором скапливаются все загрязнения и вода. Время от времени резервуар освобождают от масла и очищают от скопившихся осадков и воды.

МЕХАНИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ОТ ПРИМЕСЕЙ

Все способы очистки нефтяных жидкостей от механических примесей могут быть разделены на две группы. К первой относятся способы, в основу которых положен процесс отделения твердых частиц путем пропускания загрязненного масла через пористые перегородки (фильтрование), ко второй — все способы очистки в силовых полях.
В соответствии с этим все средства, используемые для очистки, также делят на два основных класса. К первому относятся различные гидравлические фильтры: щелевые (проволочные и пластинчатые), сетчатые, металлокерамические, керамические, бумажные, картонные, фетровые, войлочные, тканевые, стеклотканевые и стекловатные, а также фильтры из волокнистых прессованных материалов и разнообразных пластмасс. Во второй класс входят средства, в которых очистка жидкостей от нерастворимых загрязнений осуществляется за счет применения силовых полей — магнитного, электрического, гравитационного, центробежных сил и др.
Для очистки трансформаторных масел от загрязнений применяют фильтры различных конструкций и центробежные маслоочистители.

Очистка в фильтрах

По способу удерживания загрязняющих примесей фильтры делятся на поверхностные и объемные.
Поверхностные фильтры удерживают твердые частицы на поверхности фильтрующих элементов, для изготовления которых используются всевозможные сетки, а также ткани, бумага и картон. Такие фильтры удерживают только те частицы, линейные размеры которых превосходят размеры пор фильтрующего материала или ячеек сетки.
Объемные фильтры имеют фильтрующие элементы значительной толщины и удерживают частицы не только на поверхности, но и в толще фильтрующего материала. Фильтрующими материалами в таких фильтрах являются картон, металлокерамика, керамика, войлок и т. п. Объемные фильтры могут удерживать твердые частицы различных размеров, так как фильтрующие материалы имеют множество поровых каналов, размеры и проходные сечения которых различны. Для очистки трансформаторных масел от механических примесей наибольшее распространение получили поверхностные фильтры (фильтрпрессы и т. п.).
Фильтрование — процесс отделения загрязняющих примесей от масла при прохождении его через поры фильтрующей среды. Фильтрующая среда, если не учитывать незначительного начального периода процесса, состоит из двух слоев: исходного фильтрующего материала и образующегося на нем в начальный момент и непрерывно нарастающего слоя осадка.
В практике очистку свежих и отработанных, а также регенерированных масел от загрязняющих примесей часто сочетают с сушкой масла. Следует иметь в виду, что вообще для сушки масла более эффективна сепарация или сушка в вакууме, однако для удаления следов влаги и достижения высокой электрической прочности трансформаторных масел фильтрование через сухую бумагу (картон) имеет явные преимущества перед сепарацией. В таких случаях, когда хотят получить практически сухое масло, следует пропустить его через фильтрпресс, заряженный последовательно высокопористым и плотным картонами. Относительно толстые листы рыхлого картона (типа сульфатноцеллюлозного) вследствие своей высокой гигроскопичности жадно поглощают остатки влаги из масла. Так как большое количество волокон увлекается потоком масла, то для окончательной очистки от примесей и волокон в каждом из фильтрующих элементов после мягкого картона должен быть установлен лист фильтровального технического картона по ГОСТ 6722—65. Таким образом удается полностью освободить масло от мельчайших следов влаги, а также от шлама и других тонкодисперсных примесей.
Важно соблюдать ряд условий, обеспечивающих высокий эффект очистки: в частности, не следует допускать нагревания масла перед фильтром выше 40—45° С, так как с повышением температуры поглощение влаги фильтровальным картоном ухудшается. Картон перед зарядкой фильтра должен быть тщательно просушен (до влажности 2—3%). Если непосредственно после сушки картон не идет в работу, его сохраняют в сухом чистом трансформаторном масле.
В начальный период фильтрования масла сквозь бумагу, картон и т. п. отфильтрованное масло (фильтрат) может содержать механические примеси и некоторое количество волокон, вследствие того что средние размеры частиц загрязнений меньше размеров пор большинства фильтрующих сред. Образующийся на поверхности фильтрующего материала слой загрязнений (осадка), являющийся дополнительной фильтрующей средой, устраняет проникание примесей в фильтрат.
Метод фильтрования для очистки отработанных масел получил широкое применение на очистных и маслорегенерационных установках. Промышленные фильтры делят по режиму работы на фильтры периодического и непрерывного действия, а по величине рабочего давления — на вакуум-фильтры и фильтры, работающие под давлением. Для фильтрования трансформаторных масел распространены фильтры периодического действия, работающие под давлением.
Наиболее широко для очистки трансформаторных масел применяют фильтрпрессы. Фильтрпрессы выпускаются как самостоятельные агрегаты, состоящие из фильтра, насоса, трубопроводов, вентилей и манометра, и в комплекте с маслоочистительным и маслорегенерационным оборудованием. Фильтрпресс для очистки масла состоит из ряда подвижных чугунных плит и рам и заложенного между ними фильтрующего материала, сжимаемого специальным устройством. Отечественная промышленность выпускает фильтрпрессы, совмещенные в один агрегат с электродвигателем, производительностью 1500 и 3000 л)ч (табл. 7).
Таблица 7. Технические характеристики фильтрпрессов

* Фильтрпресс типа ПР 2,2-315/16.
Сравнивая фильтрпресс и центрифугу, следует отметить, что фильтрпресс очищает масло медленнее, но значительно глубже, чем центрифуга, предназначенная в основном для удаления больших количеств воды и загрязнений. Фильтрпресс включают обычно после центрифуги для удаления последних следов шлама и воды. Большими достоинствами фильтрпресса являются способность работать при низкой (+20° С) температуре и отсутствии смешения масла с воздухом, простота регулировки и обслуживания. К достоинствам центрифуг следует отнести их способность очищать масло, содержащее эмульсии, тогда как фильтрпресс для таких масел непригоден.

Рис. 1. Общий вид фильтра ФГН.
Для очистки трансформаторных масел от загрязняющих примесей используют также фильтры типа ФГН, широко распространенные для очистки нефтяных топлив (дизельного и др.)- На рис. 1 показан общий вид, а на рис. 2 — разрез фильтра ФГН. Производительность таких фильтров по дизельному топливу составляет 120, ВО и 30 м3/ч, а по трансформаторному маслу (при 18—20° С) — примерно 30—40% от паспортной производительности. В табл. 8 дана техническая характеристика фильтров ФГН, серийно выпускаемых промышленностью.
В качестве фильтрующей перегородки в фильтрах типа ФГН применяют нетканый материал, обеспечивающий тонкость фильтрации 20—15 мк.
В системе МПС широко распространены фильтрующие установки на базе фильтров ФГН-120 для предварительной очистки дизельного топлива при заправке тепловозов и систематической очистки топливных баков. На рис. 3 приведен общий вид фильтрующей установки, оборудованной одним фильтром ФГН-120 и насосом. Установки такого типа могут найти большое распространение для очистки трансформаторных масел как при заправке трансформаторов, так и для очистки загрязненных масел из масляных выключателей и т. п. Установки на базе Таблица 8. Техническая характеристика фильтров ФГН фильтров ФГН имеют большую производительность, чем фильтрпрессы, и удобнее в эксплуатации.

Рнс. 2. Устройство фильтра типа ФГН:

1 — нижний корпус; 2 — верхний корпус; в — фильтрующая секция; 4 — центральная перфорированная труба; 5 — откидные болты; 6 — нажимной колпак.

Рпс. 3. Фильтрующая установка с фильтром ФГН-120:
1 — фильтр грубой очистки; 2 — насос с электродвигателем;
3 — фильтр ФГН-120.

Для очистки светлых нефтепродуктов от свободной воды и загрязнений широко применяют фильтры-сепараторы [7, 8], которые могут быть использованы и для очистки трансформаторных масел. Поэтому кратко рассмотрим принцип работы этих очистителей на примере трехступенчатого фильтра-сепаратора СТ-2000. Технические характеристики отечественных фильтров-сепараторов приведены ниже:

Фильтр-сепаратор СТ-2000 представляет собой горизонтальный цилиндрический резервуар, который разделен двумя внутренними перегородками на три сообщающихся отсека (ступени), оканчивающиеся сверху горловинами, а снизу отстойниками с вентилями. В верхней части крышки горловины установлено поплавковое устройство для автоматического выпуска воздуха при заполнении корпуса фильтра-сепаратора маслом. В цилиндрическом корпусе каждого отсека устанавливают по 35 цилиндрических элементов, образующих идентичные по конструкции пакеты. В корпусе первого отсека установлен фильтрационный пакет с гофрированными элементами, состоящими из двух слоев бумаги (первый слой — бумага АФБ-1к, второй слой — бумага АФБ-5) и одного слоя канвы, выполняющего роль дренажной сетки; в корпусе второго отсека — коагулирующий пакет с элементами из ультратонкого стекловолокна. Масло поступает во внутреннюю полость элемента и, проходя последовательно один слой бумаги АФН-5, выходит в отсек. В корпусе третьего отсека установлен водоотталкивающий пакет с гофрированными элементами из слоя капрона, пропитанного кремнийорганической жидкостью, одного слоя бумаги АФБ-5 и слоя канвы.
В первой ступени (фильтрационной) масло очищается от механических примесей, а крупные капли воды осаждаются в отстойнике. Через соединительный патрубок в верхней части корпуса масло попадает через горловину во внутреннюю полость коагулирующего пакета (второй ступени), где оно дополнительно фильтруется через материал
ФПА-15 и: бумагу АФБ-5. Одновременно с очисткой от загрязнений происходит укрупнение (коагуляция) микрокапель воды, которые при малых скоростях потока вследствие разности плотностей воды и масла осаждаются в отстойник. Не успевшие осесть микрокапли воды уносятся потоком масла в третью ступень (водоотталкивающий пакет), где задерживаются капроном и оседают на его поверхности. По мере укрупнения капли воды скатываются по элементу в отстойник, а масло дополнительно очищается от загрязнений бумагой АФБ-5 и через выходной патрубок в горловине третьей ступени выходит наружу. Общая поверхность фильтрования фильтра-сепаратора СТ-2000 около 55 м2, из них на первую ступень приходится 28,4 м2; на вторую 10,5 лг2 и на третью 16,5 м2.

Рис. 4. Принципиальная схема установки для промышленного обезвоживания нефтепродуктов:
1 — фильтр-водоотделитель; 2 — фильтроэлемент первичный; 3 — фильтроэлемент вторичный; 4 — отстойник; 5 — электрод; 6 — преобразователь; 7 — пневмоклапан.
Линии: I — обводненный продукт; II — обезвоженный продукт; III — вода.

Установлено, что фильтр-сепаратор, например СТ-2000, задерживает практически всю свободную воду и частицы загрязнений больше 15 мк, снижая при этом весовое содержание загрязнений примерно до 0,00002—0,00003%. Пакеты фильтра-сепаратора СТ-2000 сменяют отдельно по ступеням после достижения максимально допустимого перепада давления. Ресурс его работы на топливе ТС-1 при перепаде давления 1,2 am составляет 17 500 лг3.
На рис. 4 приведена схема установки для промышленного обезвоживания нефтепродуктов, разработанная и испытанная Волгоградским филиалом СКВ АНН [9]. В основе метода лежит фильтрование нефтепродукта через специально обработанные волокнистые, пористые и другие фильтрующие материалы. После прохождения через фильтрующий слой частицы воды легко отделяются от нефтепродукта под действием силы тяжести.

Рис. 5. Сменный бумажный фильтрующий элемент ФЭТО.
Для периодической очистки масла в высоковольтном оборудовании (контакторах, масляных выключателях и т. п.) в В/К «Реготмас» был применен на специальных фильтрующих устройствах сменный фильтрующий элемент ФЭТО [10] (рис. 5), изготовленный из специальной бумаги БФДТ. В настоящее время элементы ФЭТО используются на железнодорожном транспорте для очистки топлива в дизелях тепловозов и серийно выпускаются Даугавпилсским учебно-производственным предприятием Латвийского общества слепых (г. Даугавпилс Латвия). Фильтрующие элементы ФЭТО имеют поверхность фильтрования 0,55 лг2 и обеспечивают очистку топлива от загрязняющих примесей с размерами частиц до 5 мк. При применении этих элементов содержание примесей в масле не превышает 0,002—0,0007%, что значительно ниже норм ГОСТ (0,005% считается практическим отсутствием механических примесей в нефтепродуктах). Максимально допустимый перепад давления на фильтре ФЭТО до 3,0—3,5 am.
Таблица 9. Гидравлическая характеристика элемента ФЭТО и качество очистки отработанного масла с выключателей при проверке на стенде*

* Схема работы установки: мешалка—насос—фильтр—мешалка.
В табл. 9 приведены гидравлическая характеристика элемента ФЭТО и качество очистки отработанных трансформаторных масел с масляных выключателей. Исследование проводилось на специальном стенде, устройство которого аналогично топливному стенду, подробно описанному в литературе [11]. Помимо корпуса фильтра со сменным элементом в схему были включены перемешивающее устройство и насос, а также система трубопроводов. Из данных табл. 9 видно, что фильтрующий элемент обеспечивает высокое качество очистки трансформаторного масла.

Очистка в центробежных очистителях

В центробежных очистителях (центрифугах, сепараторах) частицы отделяются от жидкости под действием центробежной силы, возникающей при вращении загрязненной жидкости. Центробежные очистители могут применяться для очистки только тех жидкостей, плотность которых значительно отличается от плотности твердых или жидких загрязняющих примесей.
По величине угловой скорости различают центрифуги низкооборотные (5000—10 000 об/лшн), высокооборотные (10000—20 000 об/мин) и ультрацентрифуги (более 20 000 об/мин). Центробежные очистители могут быть с реактивным приводом по принципу сегнерова колеса и с электроприводом. Для очистки трансформаторных масел от загрязняющих примесей применяют центрифуги с электроприводом.
Эффективность центрифуги определяется не только величиной угловой скорости очищаемой жидкости, но и характером потока в роторе. Исходя из этого, центрифуги делят на очистители с полым ротором и очистители с ротором, имеющим вставку (тарелки). Наиболее распространены тарельчатые очистители, в которых процесс центрифугирования осуществляется путем разделения потока жидкости на тонкие слои без увеличения ее скорости. В тарельчатых сепараторах разделившиеся жидкости (масло — легкий компонент и сгущенная суспензия — тяжелый компонент) больше не соприкасаются и потому не могут вновь смешиваться. Вследствие этого создаются благоприятные условия для осветления жидкостей с малым содержанием твердой фазы (до 0,1%) и для разделения эмульсий.
В барабане 1 тарельчатого сепаратора (рис. 6) находится пакет конических тарелок 2. Разделяемая жидкость входит через трубу 5 и движется в полостях между тарелками, причем на тарелки жидкость поступает через каналы, образованные отверстиями 3. При разделении более тяжелая жидкость направляется к стенке барабана, движется вдоль нее и удаляется через кольцевой канал 6 в крышке. Легкая жидкость движется к середине барабанаt проходит между тарелками и питающей трубой 5, после чего удаляется через край удлиненной горловины верхней тарелки и поступает в канал 4 При осветлении жидкости твердые частицы осаждаются на поверхности каждой тарелки (кроме верхней), соскальзывают по ней и скапливаются возле стенок барабана. Осветленная жидкость поднимается вверх и сливается через край горловины верхней тарелки. В настоящее время получают распространение тарельчатые сепараторы непрерывного действия с гидравлической выгрузкой сгущенной суспензии (тяжелый компонент) через сопла.
Центрифуги являются быстроходными машинами, требующими очень тщательного наблюдения и обслуживания.

Рис. 6. Тарельчатый сепаратор:
1 — барабан; 2 — конические тарелки; з — отверстия в тарелках; 4 — канал для выхода легкой жидкости; б — труба для подвода жидкости; й — канал для выхода тяжелой жидкости.
После проверки готовности установки к работе центрифугу пускают в ход, следя за тем, чтобы скорость вращения барабана нарастала плавно, без рывков. Для остановки центрифуги сначала выключают электродвигатель, затем плавно приводят в действие тормоз. Центробежный метод нашел широкое применение при очистке отработанных и эксплуатационных трансформаторных масел в основном от воды и механических примесей.

Центробежные сепараторы выпускаются в настоящее время отечественными заводами в широком ассортименте (табл. 10), в том числе и саморазгружающиеся. Имеется передвижная маслоочистительная установка ПСМ-1-3000, смонтированная на тележке и состоящая из
центробежного сепаратора СМ-1-3000, электроподогревателя с вакуумным бачком, фильтрпресса, шестеренчатого и вакуумного насосов и шкафа управления.
Таблица 10. Техническая характеристика центробежных сепараторов

Результаты очистки масла от воды и механических примесей зависят не только от величины центробежной силы, но также и от вязкости масла. Чем меньше вязкость масла, тем скорее при прочих равных условиях отделяются от него загрязняющие примеси. Поэтому трансформаторное масло перед центрифугированием подогревают до 45—55° С. Во избежание дополнительных окислительных процессов при центробежной очистке, при которой масло интенсивно смешивается с воздухом, нагрев до более высокой температуры не рекомендуется. Эффективность работы центрифуги в значительной степени зависит от количества воды, находящейся в масле, и снижается по мере уменьшения содержания влаги. Приходится прибегать к многократной сепарации, чтобы извлечь из масла последние следы воды.