Содержание к диссертации
Введение
Глава. 1. Литературный обзор. 9
1.1. Эксплуатация трансформаторного масла в маслонаполненных лектрических аппаратах высокого напряжения 9
1.2.. Производство трансформаторных масел 15
1.3. Технические требования на трансформаторные масла. 19
Заключение 23
Глава 2. Исследование эксплуатационных характеристик трансформа орного масла 25
2.1. Объекты исследования 25
2.2. Методы исследования 28
2.3. Метод оценки скорости старения трансформаторного масла 31
2.4. Вопросы оптимизации и статистической обработки результатов ксперимента. 34
2.5. Структурно-групповой состав сернистых соединений трансформаторного масла 37
2.6. Влияние индивидуальных сернистых соединений на термическую стабильность рансформаторного масла 53
2.7. Влияние природных сернистых соединений трансформаторного асла на его термоокислительную стабильность 75
2.7, Влияние сернистых соединений на эксплуатационные свойства рансформаторного масла 87
Глава 3. Повышение эксплуатационных показателей трансформаторного асла 96
3.1. Исследование процесса адсорбции сернистых соединений на оксиде алюминия 96
3.2. Исследование процесса адсорбции сернистых соединений трансформаторного масла етодом планирования эксперимента 105
Глава 4. Очистка и регенерация трансформаторных масел 111
4.1. Условия эксплуатации трансформаторного масла в электрических аппаратах высокого апряжения 111
4.2. Методы очистки и регенерации трансформаторных масел 112
4.3. Анализ и оценка эффективности теплотехнологической схемы восстановления ксплуатационных свойств трансформаторного масла методом вакуумного центрифугирования 115
4.4. Анализ и оценка эффективности теплотехнологической схемы восстановления ксплуатационных свойств трансформаторного масла а адсорбционной установке 124
Расчет экономического эффекта 139
Выводы 142
Литература 143
- Производство трансформаторных масел
- Метод оценки скорости старения трансформаторного масла
- Исследование процесса адсорбции сернистых соединений трансформаторного масла етодом планирования эксперимента
- Анализ и оценка эффективности теплотехнологической схемы восстановления ксплуатационных свойств трансформаторного масла методом вакуумного центрифугирования
Введение к работе
Актуальность проблемы. Единая энергетическая система относится к постоянно развивающемуся высокоавтоматизированному комплексу, охватывающему всю территорию России, который включает 500 тепловых, 8 атомных и более 100 гидроэлектростанций, в том числе десятки тысяч маслонаполненных электрических аппаратов высокого напряжения. Большое значение имеет надежность электроснабжения потребителей, которая во многом зависит от физико-химических и эксплуатационных свойств трансформаторного масла, выполняющего роль жидкой изоляции электрических установок. Трансформаторное масло, полученное из нефтяного сырья, в маслонаполненных электрических аппаратах подвержено старению и в процессе эксплуатации электрооборудования возможно возникновение дефектов, способных вызвать аварийные ситуации.
Разработка методов, обеспечивающих надежность функционирования электрических аппаратов в процессе эксплуатации их в составе рабочих комплексов, является одной из наиболее важных проблем энергетики.
Исследование закономерностей влияния состава масла на его эксплуатационные свойства, разработка рациональных технологических схем очистки и регенерации трансформаторного масла, диагностика состояния маслонаполненного электрооборудования электрических станций, повышение качества трансформаторного масла и расширение областей использования масел, полученных из сернистых нефтей, составляют самостоятельное научное направление в энергетике.
Диссертация выполнена в соответствии с программами Республики Татарстан «Энергосбережение в Республике Татарстан на 2000-2005 годы».
Цель работы. Повышение эксплуатационных характеристик трансформаторных масел, полученных из сернистых нефтей, и разработка метода комплексной очистки и регенерации трансформаторных масел.
Научная новизна работы заключается в следующем. 1. Установлено оптимальное соотношение между составом масла и его эксплуатационными свойствами. Определено оптимальное содержание серы
трансформаторного масла, обеспечивающее высокую термостабильность и улучшение электрических показателей маслонаполненного электрооборудования.
Разработан новый комплексный метод очистки и регенерации трансформаторного масла. Показано, что для повышения термостабильности трансформаторных масел и улучшения их электрических показателей эффективно проводить очистку и регенерацию масле в адсорбционных установках, позволяющих получать масла с оптимальным содержанием серы (0,47-0,52 %).
На основании эксергетического анализа работы вакуумной центрифуги и адсорбционной установки разработаны технические решения по выбору технологической схемы очистки, восстановления качества и эксплуатационных свойств масла с наименьшими затратами на единицу регенерируемого трансформаторного масла.
Практическая ценность.
1. Результаты экспериментальных исследований позволяют рекомендовать
предложенный метод для практического использования в составе рабочих ком
плексов электрических станций и подстанций.
На основании проведенных термодинамического и эксергетического анализов работы центрифуги и адсорбционной установки показана целесообразность замены центрифуги адсорбционной установкой.
Показано, что условный экономический эффект от внедрения технологического комплекса для очистки и восстановления эксплуатационных свойств трансформаторного масла в высоковольтных вводах и маслонаполненных электрических аппаратах составил 304,2 тыс. руб/год..
Достоверность полученных результатов обеспечивается комплексным подходом к решению поставленной задачи, применением современных методов анализа и методов математического моделирования, непротиворечивостью полученных экспериментальных и теоретических результатов: Основные положения работы, выносимые на защиту:
- комплексный метод очистки и регенерации трансформаторного масла;
корреляция состава масла с эксплуатационными характеристиками мас-лнаполненных аппаратов высокого напряжения
оптимальное содержание сернистых соединений, обеспечивающее улучшение электрических показателей и термостабильности трансформаторного масла;
результаты термодинамического и эксергетического анализа работы вакуумной центрифуги и адсорбционной установки;
результаты экспериментальных исследований характеристик трансформаторных масел.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Всероссийская школа-семинар молодых ученых и специалистов под руководством академика РАН В.Е.Алемасова «Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении», КГЭУ, Казань, 2002; Четвертая Российская научно-техническая конференция «Энергосбережение в городском хозяйстве, энергетике, промышленности», УлГТУ, Ульяновск, 2003; Международная научно-техническая конференция, посвященная памяти профессора Л.А. Бровкина «Вопросы тепломассообмена, энергосбережения и экологии в теплотехнологи-ческих процессах», ИГЭУ, Иваново, 2003; VII аспирантско-магистерский научный семинар КГЭУ, Казань, 2003.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ.
Личное участие. Результаты работы получены лично автором под руководством профессора Тутубалиной В.П.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 152 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 124 наименований. Иллюстрационный материал содержит 23 рисунка, 52 таблицы.
Производство трансформаторных масел
Трансформаторные масла получают путем очистки дистиллятов нефти, выкипающих при атмосферном давлении в пределах около 300-400 С. Нефтяные трансформаторные масла получают в результате очистки: - серной кислотой с последующей нейтрализацией щелочью; - селективными (избирательными) растворителями (фенолом, фурфуро лом и др.); - гидрированием под давлением; -адсорбентами. Цель очистки - удаление из дистиллята. нежелательных компонентов, ухудшающих термическую стабильность масла против воздействия молекулярного кислорода и его электроизоляционные свойства, а также подвижность масла при низких, температурах.. К таким «нежелательным» компонентам относятся непредельные углеводороды, азотистые и сернистые соединения, асфальто-смолистые вещества, полициклические углеводороды с короткими боковыми цепями, а также твердые углеводороды, например, парафины и церезины [1-3, 5-9].
Твердые углеводороды, повышающие температуру застывания масла, удаляют путем депарафинизации масла селективными растворителями (метил-этилкетон, ацетон и др.) при пониженной температуре или карбамидом.
Кислотно-щелочная очистка [11] сводится к обработке дистиллята серной кислотой концентрацией 93-98 %. Расход кислоты в зависимости от химического состава сырья и задаваемой глубины очистки колеблется от 5 до 20 %.
Непредельные соединения, образовавшиеся в процессе перегонки нефти, полимеризуются под действием кислоты и удаляются с кислым гудроном. Ас-фальто-смолистые вещества растворяются в кислоте, уплотняются за счет реакций конденсации и полимеризации и осаждаются с кислым гудроном. Азотистые соединения полностью переходят в кислый гудрон в виде сульфатов. Сернистые соединения извлекаются кислотой в незначительных количествах. Нафтеновые кислоты растворяются в кислоте и сульфируются _ Серная кислота хорошо экстрагирует полициклические ароматические углеводороды с короткими боковыми цепями [7].
Увеличивая концентрацию и количество кислоты, можно добиться почти полного удаления смолистых веществ и ароматических углеводородов. Однако такое бесцветное и переочищенное масло будет нестабильным [1,7].
Кислое масло нейтрализуют водным раствором едкого натрия концентрацией 3-Ю %. В процессе обработки щелочью происходит нейтрализация остатков серной кислоты, нафтеновых кислот, фенолов, сульфокислот и эфиров серной кислоты. По окончании нейтрализации масло нагревают, промывают водой до нейтральной реакции и подсушивают воздухом при температуре 70-95 С.
Сернокислотная очистка трансформаторного масла имеет ряд существенных недостатков: - небольшая избирательная способность серной кислоты удаляет в кислый гуд рон наряду с нежелательными компонентами ценные углеводородные соедине ния масла; - образование большого количества кислого гудрона, не имеющего примене ния в промышленности, что осложняет и удорожает производство транс форматорного масла. Указанные недостатки сернокислотной очистки и необходимость увеличения объема производства трансформаторных масел за счет сернистых нефтей восточных месторождений потребовали разработки новых способов их очистки [12], к которым следует отнести процесс селективной очистки масел различными растворителями. Метод селективной очистки заключается в избирательном извлечении растворителем из трансформаторного масла нежелательных компонентов. Действие селективных растворителей основано на различной растворимости в них отдельных групп химических соединений. Селективный растворитель должен обладать большой избирательностью к. извлекаемым компонентам и высокой растворяющей способностью. С повышением селективности растворителя обеспечивается высокая степень очистки масла. Однако, если растворитель будет обладать большой избирательностью, но малой растворяющей способностью, то расход его на очистку масла будет велик. Таким образом, высокая избирательность растворителя определяет качество продукта и его выход, а растворяющая способность - главным образом экономичность процесса. В производстве трансформаторных масел нашли широкое применение фенол и фурфурол. По убывающей растворимости в феноле компоненты трансформаторного масла можно расположить в следующий ряд: смолы, сернистые и азотистые соединения, полициклические ароматические углеводороды и близкие к ним по строению сернистые соединения, ароматические углеводороды и, наконец, нафтеновые и парафиновые углеводороды. Выход рафината зависит от качества сырья и глубины очистки (расход фенола) и в среднем составляет 70 %. При фенольной очистке не удаляются твердые углеводороды [1]. Температура застывания трансформаторного масла после фенольной очистки составляет 20 С при норме по ГОСТ 20287-74 минус 45 С. Поэтому для удаления твердых углеводородов масло подвергают депарафинизации в растворе метилэтилкетона или ацетона [13-16]. Депарафинизация включает обработку масла растворителем, состоящим; из смеси метилэтилкетона, бензола и толуола» термическую обработку при 50-70"С, охлаждение до требуемой температуры (до минус 55-60 С), отделение твердых углеводородов на вакуум-фильтрах или центрифугах. В качестве завершающей операции депарафинизированный рафинат подвергается контактной доочистке отбеливающей землей. В последнее время вместо депарафинизации в растворе ацетона (или метилэтилкетона), толуола и бензола широко используются процессы удаления парафиновых углеводородов нормального строения с помощью карбамида, образующего с парафинами твердые комплексные соединения [17-19]. Для очистки трансформаторных масел используют контактную очистку, в процессе которой масло смешивается с отбеливающей землей (глиной), подвергается нагреву и фильтруется для отделения глины от масла. В процессе контактной очистки из масла удаляются смолы, мыла, низкомолекулярные кислоты, в результате чего улучшается цвет масла и повышаются его электроизоляционные свойства. Наиболее эффективным способом очистки трансформаторных масел от нежелательных компонентов является гидроочистка, в результате которой происходят химические преобразования углеводородов и сернистых соединений [20],
Процесс гидрирования проводят в реакторах при давлении 4 МПа в присутствии алюмокобальтмолибденового катализатора при температуре 400 -425 С.
В процессе эксплуатации маслонаполненного электрооборудования залитые в них масла по действием высоких температур и напряженности электрического поля претерпевают глубокие изменения., В маслах накапливаются различные кислые и нейтральные продукты, частично выпадающие из масел в виде осадков и снижающие их диэлектрические свойства [21-25]. Изменения, происходящие в изоляционных маслах, являются результатом окислительных процессов, которые рассматриваются как гомогенное окисление углеводородов масла растворенным молекулярным кислородом, основанное на пероксиднои теории автоокисления углеводородов [26-41].
Метод оценки скорости старения трансформаторного масла
Трансформаторное масло используется для охлаждения сердечников трансформаторов и масляных реостатов, которые нагреваются при прохождении электрического тока. Трансформаторные масла являются продуктами переработки нефти, а следовательно определяются химическим составом нефти и способом получения масла.
Масла представляют собой сложную смесь углеводородов различного строения и сернистых соединений. В связи с увеличением добычи и переработки сернистых нефтей содержание серы в маслах несколько повысилось и составляет от 0,9 до 1,35 % [57-59], а сернистых соединений от 7,7 до 12,5 %.
Трансформаторные масла являются маслами охлаждающими и изоляционными и используются в маслонаполненном оборудовании электрических станций. В связи с этим к трансформаторным маслам предъявляются жесткие требования и они регламентированы ГОСТом. Плотность масла при 20 С должна быть не более 895 кг/м\ Вязкость является одной из важнейших характеристик масла, поскольку по величине вязкости можно рассчитать массу поступающего масла. Кроме того, численное значение вязкости характеризует содержание ароматических углеводородов в масле. Температура вспышки масла в соответствии с ГОСТ 982-80 должна быть не ниже 140 С, а температура застывания - не выше -30 С. Показатель преломления масла находится в интервале 1,485-1,495 и регламентирует ограничения содержания в масле вредных компонентов. Тангенс угла диэлектрических потерь масла характеризует его электроизоляционные свойства. Масла высокого качества имеют тангенс угла диэлектрических потерь при 90 С от 0,3 до 0,65 % [1, 6].
Для оценки показателей трансформаторного масла нами был использован лабораторный метод, базирующийся на моделировании условий работы трансформаторного масла в натурных условиях. При изучении стабильности трансформаторного масла к окислению необходимо учитывать влияние напряженности электрического поля, поскольку за последние годы отчетливо проявилась тенденция к уменьшению изоляционных промежутков в современных силовых трансформаторах.
Для изучения скорости термического старения в электрическом поле нами был разработан и изготовлен стеклянный прибор. Для изучения термостабильности масла при заданной температуре прибор помещается в термостат. Данное обстоятельство соответствует работе трансформаторного масла в натурных условиях; поскольку перемешивание масла в приборе осуществляется за счет естественной конвекции. При работе трансформаторов масло постоянно контактирует с его металлическими поверхностями. Поэтому для приближения состояния трансформаторного масла к состоянию в натурных условиях в прибор помещали твердые изоляционные материалы и металлические пластинки из меди и железа, поскольку последние являются основными металлами, используемыми в конструкциях трансформаторов. Количество меди составляло 0,2 см на 1 г масла, а железа — 0,3 см на 1 г масла. Термостабильность определяли в температурном интервале 40-130 С при напряженности электрического поля 30 кВ/см в течение 44 часов.
На рисунке 3.1 приведен общий вид прибора для определения термостабильности углводородов трансформаторного масла к окислению. Рис. 2.1. Прибор для окисления масел в электрическом поле Электрическое поле в приборе создается парой медных электродов 7 и 8, которые плотно прилегают к цилиндрическим стенкам прибора с наружной стороны. В первом приближении можно считать, что прибор представляет собой модель высоковольтной обмотки трансформатора, которая окружена масляной изоляцией.
Окисляемость трансформаторного масла определяли по количеству поглощенного кислорода, количеству осадка, значению кислотного числа. Относительная ошибка метода составляет ±5 %. Метод позволяет проводить испытания трансформаторного масла в электрическом поле высокой напряженности. Для математического описания технологического процесса адсорбционной сушки трансформаторного масла нами использован метод регрессивного анализа [60-62].Построению плана первой серии экспериментов предшествует этап выбора локальной области факторного пространства, которое связано с тщательным выбором и анализом априорной информации об изменении параметра оптимизации. Затем находят локальную область для планирования эксперимента, включая выбор основного уровня и интервалов варьирования.
Планирование эксперимента сводится к отысканию по результатам эксперимента уравнения регрессии в форме полинома [63, 65].
Пусть Xj (i=l, 2, 3...N) — точки факторного пространства, в которых проводится эксперимент. В этом случае определение коэффициента регрессии по результатам эксперимента в N точках факторного пространства становится типичной задачей регрессионного анализа при выполнении следующих условий: - Уі У2, Уз— Уп являются выходными величинами в N точках факторного пространства и представляют собой независимые, нормально распределенные случайные величины; выборочные оценки дисперсии однородны; независимые переменные Хь Хг, хз-..Xj измеряются с пренебрежительно малой ошибкой по сравнению с определением выходной величины у. Полином второй степени можно записать в виде линейного однородного уравнения:
Коэффициенты уравнения регрессии определяют методом наименьших квадратов, т.е. из условия минимума суммы квадратов отклонений значений
Для проверки гипотезы об однородности оценок дисперсий следует пользоваться критерием Кохрена, который основан на законе распределения отношения максимальной эмпирической дисперсии S\ max к сумме всех дисперсий:
Если вычисленные значения критерия Gmax окажутся меньше значения G , найденного по таблице [61], то гипотеза об однородности дисперсий принимается. При этом всю группу дисперсий Ъд можно считать оценкой S2=S2{y} для одной и той же генеральной дисперсии воспроизводимости ст у}, откуда:
Если проверка на воспроизводимость дала отрицательный результат, то признается невоспроизводимость эксперимента относительно управляемых переменных вследствие наличия флуктуации неуправляемых и неконтролируемых переменных. Следует увеличить число опытов. Для оценки коэффициентов уравнения регрессии пользуются формулой:
После определения коэффициентов уравнения регрессии необходимо проверить гипотезу об их значимости. Значимость коэффициентов определяют при помощи t критерия Стьюдента
Исследование процесса адсорбции сернистых соединений трансформаторного масла етодом планирования эксперимента
При проведении целенаправленного эксперимента можно разработать математическую модель процесса, включающего наиболее влияющие параметры на протекание процесса [115-118]. Полученная математическая модель может быть использована для целенаправленного управления процессом и определения оптимальных режимов работы аппаратов и реакторов. Целью настоящей работы является разработка математической модели процесса адсорбции сернистых соединений из трансформаторного масла с использованием методов планирования эксперимента. Следует учитывать, что статистические методы планирования эксперимента представляются основным способом получения математического описания статики сложных массообмен-ных процессов [115,117]. Для построения математической модели процесса адсорбции сернистых соединений из масла использовали полный факторный эксперимент 22, обладающий ортогональной матрицей планирования. В качестве варьируемых параметров были выбраны Xi - температура, С, Х2 - количество загруженного в колонку адсорбента, г. Параметр оптимизации у характеризовал степень очистки трансформаторного масла (%) от сернистых соединений. На данном этапе работы был использован полный факторный экспери Ш 2 мент типа 2 ... Выбранные значения основного уровня и интервалов варьирования параметров приведены в табл. 3.4. Экспериментальные исследования проводили с использованием трансформаторного масла ТМ с содержанием 0,91 % общей серы. Количество трансформаторного масла во всех опытах оставалось постоянным и составляло 200 г. Поскольку изменение выходной величины носит случайный характер, то в каждой точке хд проводили по три параллельных эксперимента и результаты полученных экспериментальных данных усреднялись. Матрица планирования эксперимента и степень очистки трансформаторного масла от сернистых соединений, полученная экспериментально и расчетным методом по критериальному уравнению (3.1), приведены в табл. 3.5.
В результате реализации этапа экспериментальных данных по адсорбции сернистых соединений из трансформаторного масла из 12 опытов получена математическая модель, представленная уравнением регрессии: Уравнение справедливо при 40 С t 60 С, 100 г Q 200 г. Для проведения анализа уравнение регрессии (3.1) было приведено к стандартному каноническому виду: Уравнение в канонической форме справедливо при 40 С t 60 С, 100 г Q 200 г. Для нахождения максимума целевой функции необходимо координаты с отрицательными коэффициентами приравнять нулю и поиск вести вдоль координаты х2. При поиске максимального значения учитывалось, что величина реальной переменной х не должна выходить за пределы исследуемой области (-a Xj a). В результате использования канонической модели получена поверхность типа возрастающего возвышения. С этой целью было проведено в точках по два опыта. Экспериментальные данные приведены в табл. 3.6. Анализ данных таблицы 3.6 показывает, что оптимальными условиями адсорбции сернистых соединений из трансформаторного масла является температура 40 С и количество оксида алюминия в колонке 100 г, т. е. соотношение оксид алюминия : масло равно 1:2. Повышение температуры процесса адсорбции сернистых соединений из трансформаторного масла оксидом алюминия от 40 С до 70-80 СС способствует развитию десорбции, что снижает степень извлечения сернистых соединений из масла. Повышение количества оксида алюминия свыше 100 г на 200 г трансформаторного масла экономически нецелесообразно. Вместе с тем снижение количества адсорбента (ниже 100 г на 200 г масла) ухудшает процесс адсорбционной очистки масла и повышает вероятность проскока сернистых соединений в очищенное масло, что снижает его эксплуатационные показатели.
Из полученного уравнения регрессии (3.2) следует, что наибольшее влияние на величину адсорбции сернистых соединений из трансформаторного масла оказывают температура процесса X] и количество адсорбента в хроматограф ической колонке хг. Достаточно большое влияние оказывает на протекание процесса адсорбции парное взаимодействие исследованных параметров.
Таким образом, варьируя исследованными параметрами можно целенаправленно изменять процесс адсорбции сернистых соединений из масла, т. е. обеспечить максимально возможное удаление сернистых соединений из трансформаторного масла.
Уравнение регрессии, описывающее зависимость процесса адсорбции от технологических параметров, запишем в абсолютных единицах. Тогда уравнение (3.1) примет следующий вид:
В уравнении (3.3) приняты следующие обозначения: Т - температура исследуемой системы, С; Q — количество оксида алюминия в хроматографиче-ской колонке, г.
Уравнение (3.3) справедливо при граничных условиях 40 С Т 60 С , 100r Q 200r. Полученное уравнение регрессии (3.3) позволит определить степень очистки трансформаторного масла от сернистых соединений в указанном интервале без проведения кропотливого и сложного эксперимента.
В современном маслонаполненном электрооборудовании трансформаторное масло работает в достаточно жестких условиях, поскольку на масло оказывает существенное воздействие электрическое поле высокой напряженности и повышенные температуры.
При работе силовых трансформаторов напряженность электрического поля создается в горизонтальных масляных каналах обмоток, в масляных промежутках главной изоляции и в пространстве между токоведущими частями, например, обмотками, шинами, вводами высокого напряжения и баком трансформаторного масла.
Напряженность электрического поля в масляном канале у обмотки высшего напряжения в некоторых трансформаторах достигает 70 кВ/см. При эксплуатации трансформаторных маслонаполненных вводов, которые применяются в маслонаполненных электрических аппаратах на классы напряжения 35 кВ и выше, масляных выключателей и устройств для переключения трансформаторов под нагрузкой, нефтяное трансформаторное масло находится в зоне действия электрического поля высокой напряженности.
Для современных трансформаторов характерна тенденция к росту рабочих напряжений, что приводит к необходимости обеспечить усиление продольной и главной катушечной и межвитковой изоляции [21, 22]. Ограничения в массе и габаритных размерах силовых трансформаторов, связанных с необходимостью их транспортировки и снижением металлоемкости, способствует уменьшению изоляционных промежутков. Данное обстоятельство требует сужения масляных каналов и связано с повышением в этих каналах напряженности электрического ПОЛЯ.
Анализ и оценка эффективности теплотехнологической схемы восстановления ксплуатационных свойств трансформаторного масла методом вакуумного центрифугирования
Термодинамический анализ теплотехнологических схем проводится с целью определения энергетического и эксергетического КПД, эксергетических потерь в системе. При проведении термодинамического анализа изучаемой системы необходимо составить материальный, энергетический и эксергетический балансы.
Материальный баланс процесса центрифугирования трансформаторного масла с целью его очистки и регенерации представлен в табл. 4.1
Энергетический баланс очистки и регенерации трансформаторного масла составляется в форме закона сохранения энергии с учетом всех материальных потерь:— количество теплоты, поступившей при сжатии в масляном насосе, МДж; Эг - количество теплоты, полученной в маслоподогревателе, МДж; количество теплоты, поступившей к маслу в центрифуге, МДж; количество теплоты, вышедшей из центрифуги с маслом, МДж; ДЭ - потери теплоты, МДж.
Энергетический баланс вакуумного центрифугирования трансформаторного масла приведен в табл. 4.2.
При проведении термодинамического анализа теплотехнологической схемы очистки и регенерации трансформаторного масла методом вакуумного центрифугирования после составления материального и энергетического балансов осуществляют составление эксергетического баланса изучаемой системы. При составлении эксергетического баланса систему условно отделяют контрольной поверхностью, через которую происходит непрерывный обмен веществом и энергией с окружающей средой [119-122]. Эксергетический баланс показывает величину потерь от необратимости в системе и степень термодинамического совершенства последней.
Эксергетический баланс для отдельного элемента исследуемой термодинамической системы можно представить в виде сравнительно простого уравнения (4.2):механическая или электрическая работы, совершенная данным элементом системы;приращение эксергии элемента системы; потери эксергии в исследуемой термодинамической системе. Численные значения эксергии материальных потоков и потоков теплоты рассчитывали по следующим уравнениям [119-122]: - тепловые потоки: где Q - тепловой поток в исследуемой термодинамической системе; Т — температура источников теплоты. Величину эксергетических потерь системы определяли с использованием следующего уравнения:
Численные значения эксергетических потерь, рассчитанных по формуле (4.5) дают возможность определить степень обратимости процесса в отдельном элементе исследуемой теплотехнологической системы. В результате анализа эксергетического баланса системы можно провести полную дифференциацию потерь эксергии и получить максимум информации для проведения дальнейшего совершенствования теплотехнологическои схемы очистки и регенерации трансформаторного масла методом центрифугирования. Эксергия потока, являющаяся максимальным количеством работы при взаимодействии с окружающей средой, определяется по формуле:
Термическая эксергия потока рассчитана с использованием следующего уравнения:
В процессе проведения эксергетического анализа теплотехнологическои схемы очистки и регенерации трансформаторного масла в обязательном порядке определяются виды произведенной и затраченной эксергии. К произведенным видам эксергии в соответствии с литературными данными [119,122] относятся: - эксергия снижения концентрации механических примесей в трансформаторном масле: эксергия снижения концентрации воды в трансформаторном масле: где xj n и хн2о " концентрация механических примесей и воды в трансформаторном масле, индексы 1 и 2 относятся соответственно к исходному неочищенному маслу и маслу, прошедшему центрифугирование.
Изменение термической эксергии процесса очистки и регенерации трансформаторного масла в центрифуге связано с концентрациями механических примесей и воды в масле, а также с концентрациями сернистых соединений и высокомолекулярных ароматических углеводородов.
Величина термической составляющей эксергии теплотехнологического процесса очистки и регенерации масла возрастает при нагревании или охлаждении, т. е. при условии Т Т0 или Т Т0. В этом случае изменение термической эксергии системы можно записать в виде следующих уравнений:
При расчете эксергетического КПД был определен знак величин ДЕмпз ДЕн20 AEs и ДЕу) если ДЕ 0, то учитывали как затрату эксергии.
На основании эксергетического баланса теплотехнологической системы очистки и регенерации трансформаторного масла центрифугированием производят определение эксергетического КПД, который можно рассматривать как отношение суммарного количества эксергии, выходящей из исследуемого элемента, к суммарному количеству подводимой эксергии, который в соответствии с литературными данными [119], определяется по простой формуле:
