榮偉 劉慶寶 王鵬
【摘 要】油氣分離硬件單元是系統(tǒng)中后續(xù)處理工作的前提保障,選取合適的取油樣位置可提高監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠性,而選擇合適的油氣分離方式可以保證整個檢測過程中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信關(guān)系到采集分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確上傳以及邏輯分析,對系統(tǒng)故障預(yù)測及故障判斷有著至關(guān)重要的作用,通訊系統(tǒng)傳輸?shù)膶崟r性與準(zhǔn)確性是整個監(jiān)測系統(tǒng)對變壓器故障判斷和分析的保障。
【關(guān)鍵詞】變壓器;油氣分離;數(shù)據(jù)通信技術(shù);研究
一、項目背景和現(xiàn)狀
對于變壓器色譜在線監(jiān)測系統(tǒng)中的油氣分離技術(shù)所采用的分離方法主要有抽真空取氣法、毛細(xì)管取氣法、薄膜取氣法三大類。加拿大變壓器色譜裝置在我國尚無范圍性應(yīng)用先例,效果有待于進(jìn)一步驗證。,薄膜取氣法是國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、最簡單有效的油氣分離方法,在世界性研究范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。
在線監(jiān)測系統(tǒng)的通信系統(tǒng)目前多采用由一個主機(jī)、多個終端機(jī)組成的主從式控制系統(tǒng)完成信息通信功能,將主機(jī)控制屏放在變電站主控室,終端機(jī)放在現(xiàn)場變壓器旁與主機(jī)完成信息通信。通訊方式目前多采用232通訊、RS422通訊以及RS485通訊技術(shù)。
二、研究內(nèi)容
1.研究內(nèi)容
從理論上研究了氣體取樣方式和目前主要的油氣分離膜的分離特性。研究取油樣的合適位置來給檢測試驗提供充分保證。研究了氣體分離后系統(tǒng)對濃度參量的要求、系統(tǒng)通信功能的建立方式,還研究了檢測系統(tǒng)所需采用的系統(tǒng)控制方式。
2.系統(tǒng)組成
(1)高分子膜油氣分離技術(shù)
薄膜取氣法是目前應(yīng)用最廣泛、最簡單有效的油氣分離方法。
(2)高分子膜油氣分離原理
高分子膜的滲透機(jī)理是按溶解?滲透過程進(jìn)行的。把裝有高分子膜的氣室安裝在一個盛有絕緣油的封閉容器中,則油中的氣體分子就會撞擊膜的表面并且融到膜的分子骨架中,其溶解的速度與標(biāo)氣的濃度成正比,已經(jīng)溶解在高分子膜中標(biāo)氣也會向膜兩側(cè)的氣、液兩相擴(kuò)散。
(3)分離滲透性能改進(jìn)與試驗
對分離滲透的性能通過實驗來進(jìn)行測試,實驗裝置為一個高3m 容積50升的不銹鋼容器,內(nèi)裝絕緣油,在其側(cè)面有一個10ml的氣室,氣室與容器接合處的直徑為24mm,透氣膜被固定在這里。盛油容器配有可控加熱器和攪拌器,通過將未分解油和已分解油按一定比例混合來控制油中氣體濃度。選擇聚酰亞胺膜、PFA膜、常規(guī)聚四氟乙烯膜、多孔聚四氟乙烯膜來進(jìn)行實驗,所有實驗均是在油溫60攝氏度條件下完成。
通過實驗對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析后可以看出,聚酰亞胺膜的滲透有選擇性,僅對H2有較好的滲透性能,飽和時間為40小時,比較適用于H2 型在線監(jiān)測系統(tǒng)。PFA膜、常規(guī)聚四氟乙烯膜、多孔聚四氟乙烯膜均能滲透H2、CO、CH4、C2H2、C2H4、C2H6六種氣體,PFA膜和常規(guī)聚四氟乙烯膜對全部六種氣體的滲透飽和時間分別為80小時和100小時,而多孔聚四氟乙烯膜只需24小時就可達(dá)到滲透飽和。聚四氟乙烯膜上加了微孔后,滲透速度有很大改善,明顯優(yōu)于其它的透氣膜,可用于所設(shè)計的在線監(jiān)測,實現(xiàn)一天時間內(nèi)完成油氣分離。
(4)微孔對聚四氟乙烯膜強(qiáng)度和滲透性能的影響
一般來說,高聚物材料的破壞無非是高分子主鏈上化學(xué)鍵的斷裂或是高分子鏈間相互作用力的破壞。因此,從構(gòu)成高分子鏈化學(xué)鍵的強(qiáng)度和高分子鏈間相互作用力的強(qiáng)度可以估算高聚物材料的理論強(qiáng)度,其中一個經(jīng)驗公式是σ=0.1E,這里σ是斷裂強(qiáng)度,E是楊化模量。在實驗中也確實發(fā)現(xiàn),微孔孔徑越大,膜強(qiáng)度越低,但當(dāng)孔徑小于10nm時,多孔聚四氟乙烯膜的強(qiáng)度與常規(guī)聚四氟乙烯膜基本相同。另一方面,孔徑的大小影響了薄膜對氣體的滲透性能,孔徑越大,氣體的滲透速度越快。通過對最不容易滲透的C2H6的實驗,我們得出如圖所示孔徑與滲透時間的關(guān)系,橫坐標(biāo)表示孔徑大小,縱坐標(biāo)是滲透飽和時間。在一定范圍內(nèi),滲透時間隨孔徑增大而減少,而超過此范圍就趨于飽和。綜合考慮了機(jī)械強(qiáng)度和滲透速度之后,取孔徑為8-10nm,這樣既保留了聚四氟乙烯膜原有的強(qiáng)度,又充分提高了透氣速度。膜的厚度同樣影響滲透能力和強(qiáng)度,本文對所用的0.18mm厚度的膜,做了綜合耐壓試驗,采用3m高的油壓,油溫維持在80攝氏度,網(wǎng)狀補強(qiáng)板的網(wǎng)孔直徑取為1mm,耐壓3個月后,透氣膜無破損和漏油現(xiàn)象,說明膜的強(qiáng)度符合要求。
(5)油氣分離測量范圍的確定
在對油氣分離硬件單元設(shè)計時需設(shè)定油中各種氣體的最小檢測精度和注意值,其中氣體平衡常數(shù)K及相應(yīng)檢測值設(shè)定如下表所示。
(6)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通訊傳輸設(shè)計
由于主機(jī)和終端機(jī)之間距離較遠(yuǎn),為保證通信可靠性,采用RS422串行通信方式。此種通訊方式易于擴(kuò)展,方便增減終端。
(7)主機(jī)控制功能的實現(xiàn)
主機(jī)控制屏包括主控上位機(jī)和中央控制器,中央控制器以DSP為CPU,主要功能就是定時開機(jī),即每隔設(shè)定時間自動開啟終端轉(zhuǎn)換檢測裝置啟動檢測,檢測完畢自動關(guān)閉電源,整個過程不需要人工干預(yù),系統(tǒng)可以在無人值守情況下長年運行。系統(tǒng)在非檢測狀態(tài)時,只有中央控制器工作在計時狀態(tài),控制屏上位機(jī)進(jìn)行歷時數(shù)據(jù)顯示、查詢等功能。終端機(jī)和主機(jī)均不帶電,這樣平時傳感器、六通閥電機(jī)、終端電路均不帶電,最大限度延長終端機(jī)使用壽命。主控上位機(jī)的功能包括人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)接收及處理、絕緣診斷及結(jié)果顯示、故障報警、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢、報表打印等。
三、關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點
(1)對多種分離膜的透氣速度及滲透特性進(jìn)行了試驗比較,對各類滲透特性做出統(tǒng)計分析,選出透氣性能和滲透時間兼顧的滲透膜;
(2)研究薄膜微孔滲透方式,微孔可提高膜的滲透能力,在理論分析的基礎(chǔ)上,針對孔徑對滲透能力和膜強(qiáng)度的影響也進(jìn)行了實驗研究。并對薄膜孔徑進(jìn)行研究,確定最佳孔徑,可以同時滿足滲透時間和強(qiáng)度的要求;
(3)研究用于在線監(jiān)測系統(tǒng)的邏輯控制系統(tǒng),包括主機(jī)控制屏和多個現(xiàn)場終端機(jī),使邏輯控制功能滿足檢測系統(tǒng)要求;
(4)研究設(shè)計后臺數(shù)據(jù)庫,對于每個周期的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行保存分析,作為歷史記錄可被查詢調(diào)用,并與專家診斷系統(tǒng)互聯(lián),共享數(shù)據(jù)。
四、應(yīng)用成果
該技術(shù)在電力管理總公司220kV新孤變試運行。實現(xiàn)了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo):(1)進(jìn)行油氣分離檢測時檢測精度下限達(dá)到1uL/L(1ppm);(2)數(shù)據(jù)庫故障診斷覆蓋率>90%;(3)數(shù)據(jù)庫專家系統(tǒng)故障預(yù)測正確率>85%。
五、結(jié)論
該技術(shù)在電力管理總公司220kV新孤變試運行,通過對現(xiàn)場設(shè)備試驗安裝后,可完成油氣中基本氣體的色譜在線分析,并可將分析所得數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳保存,邏輯控制回路運行效果良好,整個系統(tǒng)運行平穩(wěn),適合在電力管理總公司內(nèi)部全面推廣
【參考文獻(xiàn)】
[1]趙笑笑等.變壓器油中溶解氣體的在線監(jiān)測技術(shù)評述[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009(23):187-191