СПОСОБ РЕГЕНЕРАЦИИ ОТРАБОТАННОГО ТРАНСФОРМАТОРНОГО МАСЛА И ОЧИЩЕНИЯ ЕГО ОТ ПРОДУКТОВ СТАРЕНИЯ
METHOD FOR RECOVERY OF WASTE TRANSFORMER OIL AND ITS PURIFICATION FROM AGEING PRODUCTS

Изобретение относится к электротехнической промышленности, в частности к области регенерации трансформаторных масел.
Известен способ регенерации трансформаторного масла, который включает отбор масла из трансформатора, фильтрацию, вакуумную сушку и дегазацию, возврат масла, фильтрацию осуществляют через анизотропную мембранную перегородку с размером пор не более 5 мкм, направления потоков неочищенного и очищенного масла взаимоперпендикулярны, причем область вакуума распределена по всей фильтрованной поверхности со стороны очищенного масла [Дмитриев Е.А. Способ регенерации трансформаторного масла и устройство для его осуществления / Е.А.Дмитриев, А.М.Трушин, И.В.Зимин, О.В.Кабанов, Т.В.Прохорова // Пат. №9402281, приор. от 14.06.1994, опубл. 10.07.1996].
Недостатки способа заключаются в сложности технологии регенерации масла, в энергоемкости, в присутствии движущихся деталей, в присутствии гидравлического сопротивления, в потере масла с загрязнителями.
Наиболее близким по технической сущности является способ, основанный на взаимодействии электрического поля (например, переменное поле 50 Гц) с молекулярной структурой трансформаторного масла.
+
-
-2
Сущность способа заключается в том, что элементарная частица (электрон, ионизированная газовая частица) с достаточно высокой энергией и траекторией движения, определяемой напряженностью воздействующего электрического поля, при столкновении с углеводородными молекулами вызывает образование положительно заряженных ионов RH и электронов е. Часть электронов при этом захватывается молекулами кислорода с образованием ионов О. Положительно заряженные ионы соединяются с электронами или отрицательно заряженными ионами, образуя возбужденные молекулы. Последние могут диссоциировать на свободные радикалы. Таким образом, влияние достаточно сильного электрического поля сводится к инициированию образования свободных радикалов и возбужденных молекул [Липштейн Р.А. Трансформаторное масло / Р.А.Липштейн, М.И.Шахнович. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоиздат, 1983. - С.123. - прототип].
Недостаток данного способа в следующем - влияние достаточно сильного электрического поля приводит к разрыву углеводородных молекул и необходим источник энергии для создания электрического поля.
Технической задачей изобретения является улучшение электрической прочности отработанного трансформаторного масла, уменьшение влагосодержания и повышение класса чистоты продукта путем коагуляции продуктов старения во вращающемся ионном поле.
Технический результат достигается тем, способ регенерации отработанного трансформаторного масла и очищения его от продуктов старения, находящегося в емкости, предусматривает операции: установку над емкостью трансформаторного масла волновода, в котором располагают усеченный полый конус,
- при этом вершину усеченного полого конуса направляют на трансформаторное масло соосно емкости,
- при этом регенерация масла осуществляется за счет воздействия стекающих с поверхности волновода и полого усеченного конуса ионов и молекул воды, которые окружают указанные поверхности, за счет чего происходит взаимодействие ионов молекул воды с радикалами трансформаторного масла, коагуляция продуктов старения и выпадание их на дно емкости, в результате чего происходит регенерация отработанного трансформаторного масла и очистка его от продуктов старения.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявленном способе регенерации трансформаторного масла используется вращающееся ионное поле, в котором происходит коагуляция продуктов старения масла.
Источниками ионов являются воздух и трансформаторное масло.
Таким образом, предлагаемый способ соответствует критерию «Новизна».
Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, что влияние электрического поля на трансформаторное масло известно. Это влияние приводит к разрушению углеводородных молекул с образованием свободных радикалов и ионов [Липштейн Р.А. Трансформаторное масло / Р.А.Липштейн, М.И.Шахнович. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоиздат, 1983. - С.130].
Регенерацию трансформаторного масла производят сильным электрическим полем. Способ основан на специальной ионизации молекул масла с последующей их сорбцией на частицы загрязнения, которые затем осаждаются [Коваленко В.П. Загрязнение и очистка нефтяных масел / В.П.Коваленко - М.: Изд-во Химия, 1978. - С.173].
Однако неизвестно, что поток ионов можно получить не только ионизацией углеводородных молекул, но и концентрацией имеющихся ионов в воздухе и в трансформаторном масле (поэтому нет необходимости использовать мощный источник энергии).
Также неизвестно, что созданное вращающееся ионное поле поляризует продукты старения и сообщает этим частицам центробежную силу. В результате продукты старения укрупняются при помощи процесса коагуляции.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Изобретательский уровень».
Основные положения физической сущности регенерации отработанного трансформаторного масла
1. Наличие в воздухе газовых компонентов - азот 78%, кислород 20,9%, водород 0,00005%, вода, положительные и отрицательные ионы.
2. Рассматривается поток одного компонента - поток отрицательных ионов.
3. На выходе полого конуса происходит вращение потока отрицательных ионов, размещенных на траектории движения ионов, с увеличенной плотностью.
4. Вокруг движущихся отрицательных ионов создается магнитное поле.
5. Вращающиеся отрицательные ионы проникают в молекулярную структуру трансформаторного масла.
6. Поток вращающихся отрицательных ионов, размещенный на траектории движения ионов, раскручивает заряженные частицы масла.
7. Мощность магнитного поля усиливается за счет плотности заряженных частиц масла.
8. В масле всегда присутствует влага - это молекулы воды, они представляют собой диполи.
9. С помощью вращающегося ионного поля в трансформаторном масле полярные молекулы ориентируются.
10. Взаимодействие магнитного поля, сформированного отрицательными ионами, с диполями воды приводит к вытягиванию диполей на силовые линии.
11. В процессе затягивания создается коагуляция молекул воды и продуктов старения (продукты старения также пропитаны водой).
Вышеизложенные положения можно применить для регенерации трансформаторного масла.
Обоснование способа
А. Источники ионов
Воздух состоит из суммы газовых компонентов - азот 78%, кислород 20,9%, водород 0,00005%, вода, положительные и отрицательные ионы.
3
19
В воздухе в 1 см при нормальных условиях находится 2,687·10 беспорядочно движущихся молекул [Седов Л.И. Механика сплошной среды. Том 1 / Л.И.Седов. - М.: Наука, 1970. - С.16].
3
10
В зависимости от чистоты воздуха численная концентрация ионов (легких, средних и тяжелых) в 1 см достигает 5·10 [Бурцев С.И. Влажный воздух. Состав и свойства: учеб пособие для вузов / С.И.Бурцев, Ю.Н.Цветков. - СПб.: Изд-во СПбГАХПТ, 1998. - С.90].
Отрицательные ионы концентрируются у вершины полого усеченного конуса и стекают аналогично эффекту стекания заряда с острия [Иванов И. М. Электротехника: учеб. пособие / И.М.Иванов, Я.Д.Мац, М.М.Могилевский, Ю.Б.Россов; под общ. ред. И.М.Иванова, М.М.Могилевского. - М.: Военное изд-во М-ва обороны СССР, 1966. - С.54]. Вследствие этого концентрация ионов увеличивается.
кул
За счет кулоновских сил F происходит расширение потока ионов в коническую форму, причем заряженные частицы принимают вращение.
1
2
0
где q, q - заряженные частицы, r - расстояние между зарядами, ε - диэлектрическая постоянная.
В. Принцип регенерации отработанного трансформаторного масла
Как известно, полное удаление свободных радикалов и частиц загрязнения из масла способствует восстановлению свойств отработанного масла до базового уровня [Каменчук Я.А. Отработанные нефтяные масла и их регенерация (на примере трансформаторных и индустриальных масел): автореф. дис. … канд. хим. наук (31.01.2007) / Каменчук Яна Александровна: Институт химии нефти СО РАН. - Томск, 2007. - С.11].
В трансформаторном масле всегда находится: растворенный воздух, пузырьки ионизируемого газа, молекулярная вода [Липштейн Р.А. Трансформаторное масло / Р.А.Липштейн, М.И.Шахнович. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоиздат, 1983. - С.121-122].
В процессе проникновения потока отрицательных ионов в молекулярную структуру трансформаторного масла у свободных радикалов инициируется вращающий момент с силой:
где В - магнитная индукция поля, υ - скорость частицы.
В результате свободные радикалы будут перемещаться по спирали радиусом R и совершать полные обороты с циклотронной частотой ω:
где m - масса частицы.
При наличии градиента концентрации ионов N вдоль координаты х (grad n) возникает поток частиц, плотность которого в направлении оси ОХ равна:
где D - коэффициент диффузии.
Так как ион обладает зарядом, то благодаря диффузии возникает так называемый диффузный ток, плотность которого j равна:
где е - заряд электрона [Гершензон Е. М. Молекулярная физика: учеб. пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений / Е.М.Гершензон, Н.Н.Малов, А.Н.Мансуров. - М.: Академия, 2000. - С.97-98].
Магнитная индукция находится по формуле:
0
где µ - магнитная постоянная, Н - напряженность магнитного поля. Напряженность магнитного поля:
где i - ток находится из полости потока ионов j по формуле (6); d - расстояние от потока ионов до контролируемой точки.
Угловое ускорение частицы:
Центробежная сила, действующая на частицу:
Продуктами старения трансформаторного масла являются полярные частицы [Шашкин П.И. Регенерация отработанных нефтяных масел / П.И.Шашкин, И.В.Брай. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1970. - С.42-43].
Дипольные молекулы могут формироваться в крупные ассоциации (кластеры) [Киреев В.А. Курс физической химии / В.А.Киреев. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1975. С.94].
Вращающееся ионное поле поляризует полярные молекулы и вытягивает их на силовые линии.
Коагуляция частиц обусловливаются в основном влиянием дипольного момента молекул. Роль внешнего поля заключается в поляризации молекул продуктов старения [Мартыненко А.Г. Очистка нефтепродуктов в электрическом поле постоянного тока / А.Г.Мартыненко, В.П.Коноплев, Г.П.Ширяева. - М.: Химия, 1974. - С.12].
АБ
Средняя энергия взаимодействия U между двумя диполями А и В определяется соотношением:
где ω - частота изменения электрического поля; Е - напряженность поля; А - постоянная; τ - время релаксации частицы [Липштейн Р.А. Трансформаторное масло / Р.А.Липштейн, М.И.Шахнович. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоиздат, 1983. - С.130].
Частота изменения вращающегося ионного поля равна нулю. Тогда исследование этой функции показывает, что для этого поля наблюдается наиболее вероятное образование мостика из диполей, т.е. как у поля постоянного тока.
Таким образом, влияние вращающегося ионного поля сводится к инициированию образования структурных слоев крупных ассоциаций и комплексов частиц загрязнения, что говорит о регенерации.
На фиг.1 изображена схема излучения вращающихся отрицательных ионов усеченным полым конусом в отработанное трансформаторное масло, находящееся в емкости.
На фиг.2 изображена траектория движения иона в молекулярной структуре отработанного трансформаторного масла.
На фиг.3 изображена схема процесса поляризации продуктов старения отработанного трансформаторного масла на траектории движения иона.
На фиг.4 изображена емкость с регенерированным трансформаторным маслом, водой и продуктами старения, выпавшими на дно емкости.
На фиг.1 показано: 1 - емкость, 2 - молекулы воды (магнитные диполи), 3 - трансформаторное масло, 4 - продукты старения (продукты старения - это загрязнение, которое формируется в процессе износа трансформатора - твердыми материалами, растворенными в масле), 5 - вода чистая, 6 - траектория движения отрицательных ионов, 7 - отрицательные ионы, 8 - усеченный полый конус, 9 - волновод, 10 - сливной патрубок.
На фиг.2 показано: 2 - молекулы воды (магнитные диполи), 3 - трансформаторное масло, 4 - продукты старения (загрязнение формируется в процессе износа трансформатора - твердыми материалами, растворенными в масле), 5 - вода чистая, 6 - траектория движения отрицательных ионов, 7 - отрицательные ионы.
На фиг.3 показано: 3 - трансформаторное масло, 5 - вода чистая, 6 - траектория движения отрицательных ионов, 7 - отрицательные ионы, 11 - структурные ассоциации молекул воды в капельки, 12 - структурные ассоциации продуктов старения.
На фиг.4 показано: 1 - емкость, 10 - сливной патрубок, 13 - регенерированное отработанное трансформаторное масло, размещенное в верхней части емкости, 14 - коагулированная вода, состоящая из капелек воды и структурной ассоциации молекул воды в капельки (удаляется из емкости через сливной патрубок 10 (фиг.4) с целью очищения от продуктов старения), 15 - коагулированные продукты старения, выпавшие на дно емкости 1 (фиг.4) (удаляются из емкости через сливной патрубок с целью очищения трансформаторного масла от продуктов старения).
Пример осуществления способа
Первая операция. Предварительно в волновод (полую трубку) 9 (фиг.1) встраивают полый усеченный конус 8 (фиг.1), затем волновод 9 (фиг.1) с конусом 8 (фиг.1) располагают над емкостью 1 (фиг.1) со сливным патрубком 10 (фиг.1) с трансформаторным маслом 3 (фиг.1) соосно емкости 1 (фиг.1).
Вторая операция. При этом осуществляется формирование вращающегося отрицательного ионного потока за счет стекания отрицательных ионов 7 (фиг.1) по траектории движения ионов 6 (фиг.1) с поверхности волновода 9 (фиг.1) и полого усеченного конуса 8 (фиг.1).
Третья операция. При этом происходит взаимодействие вращающихся отрицательных ионов 7 (фиг.2) (в отрицательном ионном поле) с молекулами воды 2 (фиг.2), с трансформаторным маслом 3 (фиг.2), с продуктами старения 4 (фиг.2) и чистой водой 5 (фиг.2), в результате чего осуществляется на траектории 6 (фиг.3) движения отрицательных ионов 7 (фиг.3) структурная ассоциация молекул воды 1 (фиг.1), т.е в капельки воды 11 (фиг.3), структурная ассоциация продуктов старения 12 (фиг.3).
Четвертая операция. При этом осуществляется регенерация трансформаторного масла 3 (фиг.1) путем расслоения в емкости 1 (фиг.4) на регенерированное трансформаторное масло 13 (фиг.4), коагулированную чистую воду 14 (фиг.4), состоящую из капелек воды 11 (фиг.3) и молекул воды 14 (фиг.4) и коагулированных продуктов старения 15 (фиг.4) с выпаданием их в осадок на дно емкости 1 (фиг.4), с последующим очищением через сливной патрубок 10 (фиг.4) трансформаторного масла 3 (фиг.4) от продуктов старения 15 (фиг.4) и коагулированной чистой воды 14 (фиг.4).
Методика исследования
Эксперименты проводились в лаборатории кафедры «Электроэнергетика» Тюменского государственного нефтегазового университета по специально разработанной методике.
Методика исследования включала два эксперимента, в которых производили:
- сборку волновода с полым усеченным конусом,
- исследовалось два сорта отработанных трансформаторных масел с различными напряжениями пробоя и влагосодержанием,
- емкости с пробами разделяли на контрольные и экспериментальные,
- производили обработку экспериментальных проб отработанных трансформаторных масел вращающимися отрицательными ионными ионами,
- измеряли стандартными измерительными приборами, согласно ГОСТ, напряжения пробоя и влагосодержание,
- сравнивали параметры обработанных вращающимся отрицательным ионным потоком, состоящим их отрицательных ионов, трансформаторных масел с контрольными параметрами масел.
В эксперименте №1 использовалось масло с исходными параметрами:
- пробивное напряжение - 15,3 кВ;
- массовое влагосодержание - 23,8 г/г.
В эксперименте №2 использовалось масло с исходными параметрами:
- пробивное напряжение - 36,6 кВ;
- массовое влагосодержание - 25,1 г/г.
Методика эксперимента №1 включала: разлив отработанного трансформаторного масла из одного объема в 6 стеклянных емкостей с объемом 1 литр с номерами №1…№6 (с напряжением пробоя 15,3 кВ и массовым влагосодержанием 23,8 г/г).
Масло в емкости с номером №1 представляло контрольную пробу, а остальные с номерами №2…№6 - экспериментальные.
Трансформаторные масла в экспериментальных емкостях №2…№6 обрабатывались вращающимся ионным потоком, состоящим из отрицательных ионов, стекаемых с полого усеченного конуса в течение 3 мин на расстоянии 5 см от верхнего уровня масла, заполняющих емкости.
Масло в емкости №2 обрабатывалось вращающимся потоком ионов с мощностью излучения 0,8 мкВт.
Масло в емкости №3 обрабатывалось вращающимся потоком ионов с мощностью излучения 0,85 мкВт.
Масло в емкости №4 обрабатывалось вращающимся потоком ионов с мощностью излучения 0,9 мкВт.
Масло в емкости №5 обрабатывалось вращающимся потоком ионов с мощностью излучения 0,95 мкВт.
Масло в емкости №6 обрабатывалось вращающимся потоком ионов с мощностью излучения 1 мкВт.
Методика эксперимента №2 включала: разлив отработанного трансформаторного масла из одного объема в 6 стеклянных емкостей с объемом 1 литр с номерами №1…№6 (с напряжением пробоя 36,6 кВ и массовым влагосодержанием 25,1 г/г).
Масло в емкости с номером №1 представляло контрольную пробу, а остальные с номерами №2…№6 - экспериментальные.
Трансформаторные масла в экспериментальных емкостях №2…№6 обрабатывались вращающимся потоком ионов, стекаемых с полого усеченного конуса в течение 3 мин на расстоянии 5 см от верхнего уровня масла, заполняющих емкости.
Масло в емкости №2 обрабатывалось вращающимся потоком ионов с мощностью излучения 0,8 мкВт.
Масло в емкости №3 обрабатывалось вращающимся потоком ионов с мощностью излучения 0,85 мкВт.
Масло в емкости №4 обрабатывалось вращающимся потоком ионов с мощностью излучения 0,9 мкВт.
Масло в емкости №5 обрабатывалось вращающимся потоком ионов с мощностью излучения 0,95 мкВт.
Масло в емкости №6 обрабатывалось вращающимся потоком ионов с мощностью излучения 1 мкВт.
Физико-химический анализ проб масел выполнялся по РД 34.43.105-89 на оборудовании ОАО «Тюменские электрические чети» в лаборатории «Служба изоляции, защиты от перенапряжений и испытаний».
Для испытания масла на величину напряжения пробоя использовался прибор MEGGER OTS 100 AF/2 с абсолютной погрешностью ±3%, а на величину массового влагосодержания - прибор ВТМ-2 с погрешностью ±2,5 г/г.
Результаты экспериментов приведены в табл.1 и табл.2.
Таблица 1
Результаты эксперимента №1
Условия анализа масел в лаборатории: температура: +23°С, влажность: 65,3%, давление: 99,9 Па
Образец
Напряжение пробоя, кВ, не менее
Влагосодержание масла, г/т, не более
Класс чистоты, %, не более
Исходная проба 1 (контрольная)
15,3
23,8
Не определялся
Проба 2 (экспериментальная)
34,7
26,0
Не определялся
Проба 3 (экспериментальная)
28,0
25,0
Не определялся
Проба 4 (экспериментальная)
26,2
26,8
Не определялся
Проба 5 (экспериментальная)
21,0
25,1
Не определялся
Проба 6 (экспериментальная)
18,3
26,5
Не определялся
Таблица 2
Результаты эксперимента №2
Условия анализа масел в лаборатории: температура: +25°С, влажность: 67,2%, давление: 100,9 Па
Образец
Напряжение пробоя, кВ, не менее
Влагосодержание масла, г/т, не более
Класс чистоты, %, не более
Исходная проба 1 (контрольная)
36,6
25,1
9
Проба 2 (экспериментальная)
38,4
24,8
8
Проба 3 (экспериментальная)
43,7
23,3
8
Проба 4 (экспериментальная)
46,7
25,2
8
Проба 5 (экспериментальная)
41,1
24,4
7
Проба 6 (экспериментальная)
53
23,2
7
Результаты анализа трансформаторных масел показали следующее.
1. В маслах с напряжением пробоя 15,6 кВ влагосодержание масла увеличилось на 13%, а также увеличилась электрическая прочность в 2,2 раза.
2. В маслах с напряжением пробоя 36,6 кВ влагосодержание масла уменьшилось на 7,6%, а электрическая прочность увеличилась в 1,4 раза, и повысился класс чистоты.
Таким образом, в процессе взаимодействия вращающегося потока отрицательных ионов с трансформаторным маслом, водой и продуктами старения осуществляется регенерация отработанного трансформаторного масла с последующим очищением его от воды и продуктов старения, подтвержденная экспериментальными результатами.