变压器用煤油气相干燥罐设备改造与性能提升

王彦昌

（保定天威保变电气股份有限公司，河北 保定 071000）

1 设备现状与升级改造的迫切性

1.1 设备服役时间长，维修成本高

公司使用的设备年久失修，内置式蒸发器多次出现蒸汽泄漏问题，均采用氩弧焊修补及加热排管封堵方式修复，甚至使用其他干燥罐改造时所淘汰下来的蒸发器，将其蒸汽等接口改造后将该设备用于产品处理工作[1-2]。

根据对该罐技术状态的跟踪可知，该罐罐体泄漏率由4760Pa·L/s 上升到目前的5890Pa·L/s，主要原因是罐口、罐门变形。另外，该设备配套使用的平车的行走车轮组部件因磨损等原因经过多次修理并更换轴承、轴等零件，以维持生产使用。

1.2 技术水平低，工作效率有待提升

目前，罐内采用的内置式蒸发加热方式加热效率低且现用蒸发器为原有干燥罐所淘汰的蒸发器，当初就是因为其效率极低且能源耗费巨大而进行过升级改造，已经不能满足现在生产工艺的需要以及节能降耗的环保要求。同时，由于每到采暖季节，北方地区的蒸汽供应经常会出现调配紧张、压力不足的情况，为了保证生产生活的顺利进行，需要在蒸汽加热方式的基础上增加电加热系统，以提高设备的适应能力[3]。

2 煤油气相干燥罐升级改造主要内容

本次设备改造的主要内容包括拆除罐内蒸发器及罐外加热排管，拆除原有的罐体外部保温、罐体及蒸汽管道、导热油管道、热溶剂管道并重新保温，外面采用夹心岩棉板铠装。将原淋油装置更换为外置蒸馏系统，增加电加热器和蒸汽加热模块2 套。真空过滤系统主要更换了3 台前级泵、2 台SV630和1 台SV300B。更换原有的精过滤器，改为布袋式过滤器。更换新的中间冷凝器和冷水机组。冷凝系统中增加深冷器等。

将驱动系统中的所有气动管路和电线电缆等进行拆除更新。为节约改造费用，保留部分能满足使用的电子元器件，配置动力柜（加热柜）并安装能保证整个系统运行的电线电缆，从主控柜到动力柜，将电控软件程序进行升级改造。采用目前最新的干燥工艺程序，能够保证系统的正常运行并能提升能源的利用率，以达到节能降耗的目的。

2.1 真空罐门行走方式改进

将原气相干燥管罐门的打开方式改为吊门打开式，将行走梁安装在罐门上部，并安装单轨行车，承重满足质量要求，吊梁高度要满足罐门加热排管（软管拖链）的安装。罐门下部重新安装导向槽和导向轮，调整罐门和罐体的锁扣及液压缸位置，并重新焊接固定。这种特殊设计的罐门行走机构能够有效保证罐门行走顺畅且罐门在行走的过程中不会和锁紧油缸刮碰，使干燥罐使用更加安全顺畅。在罐门位置设置行程控制连锁保护，即罐门开关到位后自动停止并和翻板桥起落联锁，这样能够有效保证罐门上下行走时不会脱轨或者撞伤上行走梁。除此之外，检查罐门密封情况，将罐门密封胶条整体更换，有针对性地进行调整，满足整体泄漏率要求[4]。

2.2 真空冷凝系统效率提升

将前级泵机组更改为一台前级真空泵SV300B 和2 台前级真空泵SV630，风冷在罗茨泵入口和小罗茨泵出口之间并联一个阀门，使干燥罐从一个大气压抽至700Pa 的时间小于90min，有效满足生产流程和工艺规定的要求。其中作为泄泵使用的前级真空泵SV300B 处于工作状态时，一旦整体系统压力突然升高（如外漏）接近26kPa，系统的真空泵会自动紧急启动，并对压力突然升高的部位紧急抽真空，进行安全保护。原有的主阀调节采用双阀方式，这种方式不能实现无级调节。本次改造取消了这种调节方式，改为气动调节阀模式且改动后的阀门定位器十分重要，需要其工作状态保持稳定，保证信号传输的准确、快速。

真空机组前级真空泵排气口增加一套带有冷凝作用的排气分离器，冷凝的废液排入废水罐中，能够最大限度地减少污染物的无序排放。中间冷凝器具有将管道内残余溶剂蒸汽和水蒸气冷凝为液体，防止旋片真空泵油被污染而导致乳化，并能够保证设备使用寿命，是十分重要的构件。因此此次改造需要设计较大的裕度，使用具有足够有效冷凝面积的冷却器。为了满足冷却器的使用寿命需求，需要将不锈钢管或者铜管作为冷却管且为了保证残余蒸汽能够迅速冷却，不会外溢，选用冷冻水进行冷却。

2.3 冷凝系统效率提升

冷凝系统主要包括主冷凝器、深冷器、冷凝液收集罐、油泵和阀门等。其中冷凝系统的改造包括清理主冷凝器、增加深冷器、改造冷凝液收集罐以及其他附件的改造。

由于原有的主冷凝器不再进行大的改动，为了能够达到所需冷却效果，因此需要对其进行保养修整，更换密封圈，清洗内部换热排管。在主冷凝器后方增加板式换热器，将从主冷留下来的混合液体再次冷却，将温度降得更低，保证流入收集罐内的液体温度不大于35℃[5]。在原有收集管中增加收集罐的冷却水装置和磁致伸缩液位计，这样就能够准确测量出收集罐中的水量变化情况，一旦水量达到电控系统所设置的阈值，就可以对冷凝水进行报警或自动排放。

为了能够使整个系统降低维修频次，增加使用寿命，需要在系统中设置阀门、管道、屏蔽泵和真空计等，所有管道均更换为不锈钢材质。

2.4 溶剂蒸发系统改进

溶剂蒸发系统主要包括溶剂泵、板式换热器、精过滤器及罐内喷射式蒸发器等。本次改造主要内容包括增加板式换热器1 台且需要换热功率在400kW 以上。将原有精过滤器更改为布袋式过滤器，过滤精度5μ，罐内喷射式蒸发器为2 套等。精过滤器中的每个过滤器内部带有磁芯且使用一套备用一套，一旦其中一套出现故障或需要更换耗材，另外一套能够接替使用，提高作业效率。

目前喷射式溶剂蒸发器是国际上气相干燥设备最新的溶剂蒸发技术。喷射式蒸发系统主要原理是利用了文丘里喷嘴原理。当高压气体从喷嘴内喷出时，会在挡板周围形成压力不等的高、低压区，自然形成对流循环，这样罐内的溶剂蒸汽就“能动”起来，可以扩散到更远的地方。它具有加热速度快、罐内温度均匀、节省能源且效率较高等特点，因此本次改造采用国际最先进的喷射式蒸发器。溶剂换热后通过喷嘴喷射到罐内，形成蒸汽并加热罐内产品，再通过控制喷射蒸汽的温度来调控产品加热阶段的温度，溶剂蒸汽温度不超过130℃±5℃。产品最终温度通过产品绝缘温度来控制。

溶剂循环系统主要由溶剂泵、精过滤器、板式换热器、自动阀门、罐内喷射式蒸发器、带粗过滤器功能的缓冲罐以及仪器仪表等组成。在真空罐内进行变压器的干燥时，在加热阶段，溶剂由储油罐进入罐后集成带粗过滤器功能的缓冲罐中。安放在地坑中的溶剂泵将溶剂打入精过滤器，再进入板式换热器中。溶剂在板式换热器中被加热后输送到罐内喷射式蒸发器上，再由喷嘴喷入罐内，在罐内形成溶剂蒸汽。溶剂循环系统构成及工作流程如图1 所示。溶剂蒸汽加热变压器，在器身上冷却并变成液体后流入罐后集成的缓冲坑中，再经过溶剂泵反复循环。

图1 溶剂循环系统构成及工作流程

喷射式蒸发器系统比以往气相干燥（VPD）系统具有如下优点。

首先，可提前进入加热状态，避免铁芯生锈。

不管是内置式瀑布式蒸发器还是外置式降膜式蒸发器，它们共同的特点是如果溶剂的温度不加热到95℃以上，罐内不会形成溶剂蒸汽，因此溶剂在95℃之前还不能给器身加热。但是由于罐内较低的压力和罐壁加热等原因，会将绝缘材料表面的水分蒸发出来，这些水分又会凝结在温度较低的铁芯表面上，因此增加了生锈的可能性。而喷射式蒸发器与之不同的是被加热的溶剂会以雾状喷射到罐内，附着在铁芯及绝缘材料表面，将热量传递到铁芯上，并同时在铁芯上形成油膜，即使出来的水也无法凝结在铁芯表面上。这是喷射式蒸发器最显著的特点之一。

其次，溶剂蒸汽和绝缘材料之间的温差有限，减少了温度对绝缘材料的应力影响。

喷射式蒸发器受湍流的影响，加大了溶剂蒸汽的罐内流动性，可使罐内各处的温度更加均匀。而不会像瀑布式蒸发器或外置式降膜式蒸发器那样靠溶剂蒸汽自身压力往罐内扩散。但是罐内距离蒸汽喷口远端的绝缘温度会比近端的温度低，以往的办法是提高溶剂蒸汽的温度，但是温度较高一侧的绝缘材料的寿命将会受到影响。

最后，能在系统上并联一个全自动的蒸馏器。

如果干燥带油产品，可以利用中间降压阶段或者降压阶段将混合溶剂进行蒸馏。这种蒸馏器效率很高，由于每次使用的溶剂都是最合理的，因此只需要蒸馏较少的溶剂，蒸馏速度很快，节省了干燥时间。

2.5 溶剂蒸馏系统升级

溶剂蒸馏系统主要由蒸馏器和排油屏蔽泵、液位计、管道等组成。蒸馏器放置在真空罐灌顶，采用加热静置蒸馏方式。由于干燥返修或者带油产品时，溶剂内部会混入大量的变压器油。而罐内溶剂压力及温度上升较慢，影响干燥质量和速度。所以干燥此类产品时就必须对溶剂进行2 次或者多次蒸馏，以达到净化溶剂的目的。

这种独立运行的整流罐的蒸馏阶段选择在中间降压或者降压过程中进行，通过温度、压力控制，自动结束蒸馏过程，能够有效减少变压器为达到工艺要求所需要的运行时间，最终实现节约能源的目的。

2.6 加热系统改造

本次加热系统改造共分为两部分内容，罐体罐壁加热系统和蒸发器加热系统。2 套系统均可分别采用蒸气能源和电力能源且2 套加热系统互相独立，分别运行。其中罐体罐壁加热的加热功率不小于150kW；蒸发器加热的加热功率不小于400kW。2 个模块具有完善的互锁保护系统。

2.6.1 蒸发器加热模块

蒸发器加热模块由导热油泵、电加热器、阀门、蒸汽换热器及测温装置等组成，独立运行。用电（或蒸汽）作为加热源，以导热油作为传热介质，用高温油泵强制循环加热；对蒸发器的加热，最高加热温度165℃，控温精度±3℃。真空罐内产品上、下温差控制在±2℃以内。

2.6.2 罐壁加热模块

罐壁加热模块由导热油泵、电加热器、阀门、蒸汽换热器及测温装置组成，独立运行。用蒸汽和电作为热源，以导热油作为加热介质，用高温导热油泵强制循环加热。用于罐壁加热的导热油最高温度155℃，控制温度±3℃。为了保障系统运行的稳定性，管道和罐体需要做无渗漏及保温处理，最外层表面温度最高点不高于室温15℃。为了能够实现自动化控制，管道上装有导热油流量开关、温度计、上限温控开关及压力表等，便于温度的监控。

2.7 电控系统升级

控制系统将全套设备中的电机、控制阀门、各种仪表按照一定逻辑关系有机结合起来，通过工控机界面实现整个生产过程的全自动控制、仿真动态显示操作控制等并且可以全程监控产品处理工艺以及各阶段的工艺参数和曲线。如果出现故障，系统会发出声光报警。在电控系统中配置UPS 电源，当设备突然断电时，系统会自动保存各种数据及程序运行状态。人机界面显示工艺流程图和各设备单元运行状态。

根据待处理产品的规格，干燥过程可以选择工艺参数，根据需要更改工艺参数。气相干燥各个工艺阶段可以独立运行。配置通信接口，可以实现远程通信功能，以便与办公网络相连。自动记录干燥过程工艺曲线，并存盘作为历史数据，以便日后查阅。通过键盘可以修改各种工艺参数，能定时或即时打印各种工艺曲线或报表。每个工艺过程结束时可以自动生成一个报表，此报表中包括生产日期、进罐产品规格、型号，干燥时间以及产品最终温度、真空度、最终含水量等重要参数。

3 升级改造完成后的性能提升

本次改造内容主要包括喷射式蒸发器改造和电加热系统改造升级。其中喷射式蒸发器系统和以往气相干燥（VPD）系统相比具有较大优势。

喷射式蒸发器能够快速将被加热的溶剂升温至95℃以上，并以雾状喷射到罐内，附着在铁芯及绝缘材料表面上，将热量传递到铁芯上，同时在铁芯上形成油膜，即使出来的水也无法凝结在铁芯表面上。喷射式蒸发器的湍流加大了溶剂蒸汽在罐内的流动性，使罐内各处的温度较为均匀，而不像瀑布式蒸发器或者外置式降膜式蒸发器那样，靠溶剂蒸汽自身压力向罐内扩散。和以往长时间的降压过程相比，较早的出水能够使罐内达到较低的压力水平，有利于绝缘内部的水分更快速地出来。在中间降压阶段，延长时间，使压力更低，进而使水分出来得更快，干燥工艺得到改进。除此之外，喷射式蒸发系统还具有占用空间小、安全可靠和可控性强等优势。

干燥罐在改造升级之后具有合理的真空系统配制，在低温冷凝器中可凝性气体充分冷却并放出，有效避免了干燥过程中水分、其他废油进入前级真空泵，造成对真空泵的污染。对不同产品进行干燥处理时，可以根据电压等级、容量和绝缘质量等确定干燥工艺过程。通过更先进的气相干燥工艺过程控制罐内压力和温度，不仅能达到防锈的目的，还能尽快出水，减少绝缘老化。智能化工艺过程控制能够有效保证每个工艺过程使用的溶剂量最少，以减少浪费，缩短工艺流程时间。

在能源效率方面，近段时间的跟踪记录显示，工作效率比原干燥工艺提高了15%~20%，能源节省了10%左右。干燥罐改造前后的技术参数对比见表1。

表1 干燥罐改造前后技术参数对比

4 结语

这次项目改造内容较为复杂，主要涉及整个系统能源使用种类的增加、系统运行稳定性的平衡以及系统整体效率的提升等内容。除了系统本身需要的设备之外，改造人员的安装、焊接能力也是本次成功改造必不可少的一部分。任何系统性设备性能的提升都需要不断钻研、创新改进，病在过程中寻找不足，再次进行改进，这样才能对设备能力进行迭代，进而提高设备的使用效率，促进变压器行业的进一步发展。