基于強(qiáng)油循環(huán)變壓器運(yùn)行工況下的散熱器自動清洗裝置研究分析

國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南通分公司 張佳劍 夏海燕 錢聰

1 強(qiáng)油循環(huán)變壓器的工作組成

該裝置可用于變壓器油道、變壓器油冷卻器、油浸式變壓器油冷卻器和油井內(nèi)注油系統(tǒng)等各環(huán)節(jié)。該裝置主要由高壓空氣管道、液壓控制柜、驅(qū)動機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)組成，工作原理是通過“機(jī)械+液壓”復(fù)合清洗進(jìn)行清洗作業(yè)。

散熱器內(nèi)的油中含油， 含油量通常在0.5～1.5g/s 范圍內(nèi)，過高會使變壓器線圈短路。散熱器上積灰、污垢，使散熱器的散熱能力降低，甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞。冷卻器產(chǎn)生的油霧和水蒸氣會使變壓器油發(fā)生分解反應(yīng)而造成變壓器內(nèi)部的短路，從而引起變壓器跳閘。變壓器在運(yùn)行過程中溫度升高，使金屬材料發(fā)生軟化、變形、開裂等嚴(yán)重后果。冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障時，會降低散熱能力致使散熱管發(fā)熱甚至燒壞設(shè)備。在夏季高溫天氣下還會因熱輻射而造成絕緣損壞。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重故障時，變壓器極易過載而燒毀設(shè)備或引起電網(wǎng)事故[1]。

在對散熱器進(jìn)行定期清洗過程中，由于散熱器上的污垢不易清除，污垢沉積過多或時間過長等問題導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障。

變壓器是電力系統(tǒng)中的主要設(shè)備，其性能和質(zhì)量直接影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，也影響著生產(chǎn)生活用電。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，變壓器數(shù)量越來越多，變壓器運(yùn)行中產(chǎn)生和排出的熱量也越來越多。由于變壓器內(nèi)含有大量的油流、灰塵和油泥等雜質(zhì)，再加上油箱里空氣濕度大、溫度高、空氣中氧氣含量低，以及外部環(huán)境對變壓器散熱性能造成各種不良影響。

2 強(qiáng)油循環(huán)變壓器的工作原理

2.1 變壓器的工作條件

強(qiáng)油循環(huán)變壓器是一種新型的電力變壓器，主要是用來滿足電力行業(yè)中的高電壓、大容量、遠(yuǎn)距離負(fù)荷輸送的需要，同時還能起到保護(hù)高壓系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的作用。變壓器工作時，變壓器油箱內(nèi)油位在不斷上升，油中溶解了一定數(shù)目的雜質(zhì)和水分，油中雜質(zhì)隨水蒸汽上升至油箱頂蓋頂部，水分被排除[2]。

變壓器油箱內(nèi)部是一個大截面的凹腔，凹管內(nèi)充滿油。凹腔內(nèi)是一個封閉的真空室（真空度為0.012Pa），真空室外部接有空氣隔離罩。在油箱內(nèi)部和與外界相通的油道中通入低壓空氣（一般為0.2～0.3MPa）或氮?dú)猓ㄒ话銥?.2～0.5MPa），在油道內(nèi)形成負(fù)壓，把儲存于油箱內(nèi)的空氣抽出，并把油道內(nèi)壁間殘留的油蒸氣吸走。同時油道外面也有一根通入真空泵壓縮空氣的氣管將其抽出，在低壓空氣管與吸油氣管間形成一個密閉空間，使油蒸氣進(jìn)入這個密閉空間。

在油中溶解了一定數(shù)目（如1～10個）雜質(zhì)和水分之后，就會有一定量（0.1t/h）壓力差迫使油蒸氣壓上升到一定數(shù)值（可達(dá)0.13MPa），在與外界相通后壓力又有所下降，然后繼續(xù)升高到0.20MPa。

當(dāng)散熱器上的積灰和雜物在電機(jī)的驅(qū)動下達(dá)到噴嘴時，由于壓力的作用將堆積于內(nèi)壁的雜物吹出。當(dāng)積灰達(dá)到一定程度后，在葉輪和葉片作用下將積灰吹出。此過程重復(fù)進(jìn)行，直到散熱器內(nèi)雜質(zhì)全部吹盡為止。

該裝置主要是針對變壓器散熱器內(nèi)部積灰及雜物進(jìn)行自動清洗，其設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)簡單，清洗效果好，運(yùn)行效率高。但隨著設(shè)備的不斷更新?lián)Q代，裝置也在不斷地進(jìn)行完善和提高。設(shè)備的自動控制性能需要進(jìn)一步提高，對于內(nèi)部積灰或雜物比較嚴(yán)重的時候，應(yīng)增加自動清洗時間，應(yīng)對裝置進(jìn)行定期維護(hù)、保養(yǎng)和試驗測試，使其長期保持良好性能。如此反復(fù)進(jìn)行上述過程就會把油箱內(nèi)壁間存在的雜質(zhì)和水分排除干凈。這樣經(jīng)過一個周期之后，油道內(nèi)部就形成了與外界相通或密封良好的真空室內(nèi)腔。

根據(jù)強(qiáng)油循環(huán)變壓器的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了散熱器內(nèi)部流場的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了一種新型的自動清洗裝置，并完成了其樣機(jī)的制造與試驗。

根據(jù)數(shù)學(xué)模型給出的計算結(jié)果，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗驗證后發(fā)現(xiàn)，該自動清洗裝置能夠在清洗后自動排出冷卻水中殘留下來的油泥和鐵銹顆粒。在清洗時進(jìn)油管路出口流量小于進(jìn)油管路進(jìn)口流量時，可通過手動調(diào)節(jié)控制進(jìn)油管路出口流量，實(shí)現(xiàn)自動清洗，該裝置具有多點(diǎn)控制功能。

2.2 變壓器的分析結(jié)果

利用計算機(jī)模擬仿真軟件模擬不同工況下該裝置各部件運(yùn)動規(guī)律及狀態(tài)參數(shù)。并將分析結(jié)果與試驗相比較，證明了模擬仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可行性。利用所提出的設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計制造了“強(qiáng)油循環(huán)變壓器散熱器自動清洗裝置”項目樣機(jī)，樣機(jī)經(jīng)過一次試驗后在各工況下均能達(dá)到預(yù)期效果。

根據(jù)國家電網(wǎng)公司的《輸變電設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行規(guī)程》（征求意見稿），對配電變壓器在額定容量50%左右時應(yīng)具有較高的空載損耗，因此，對其進(jìn)行清潔試驗就顯得尤為重要[3]。

本文通過對現(xiàn)行變壓器清洗方法及存在問題的分析和研究，在此基礎(chǔ)上提出了一種新型“機(jī)械+液壓”復(fù)合清洗原理用于變壓器油冷卻器中散熱器自動清洗裝置。該裝置可以實(shí)現(xiàn)在一定程度上減小運(yùn)行環(huán)境對變壓器帶來的不利影響，同時具有清潔效果好、可靠性高、工作安全等優(yōu)點(diǎn)。

該設(shè)備采用電磁感應(yīng)原理控制電機(jī)運(yùn)動，由變頻器調(diào)速，在電機(jī)驅(qū)動軸上安裝電磁換向閥，用來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。由于清洗裝置位于變壓器外部，又要確保內(nèi)部安全，因此要求對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計，使其能與變壓器外殼及散熱器的尺寸相適應(yīng)。

3 散熱器清洗技術(shù)現(xiàn)狀及改進(jìn)方法

由于目前我國各大油田企業(yè)大多采用的是重油和輕油鍋爐，對于變壓器等高壓設(shè)備一般都采用直接噴射清洗方法進(jìn)行除銹、防腐工作。然而該方法具有效率低、易損壞機(jī)件等缺點(diǎn)，不適合于大容量高壓油輪裝置的快速除銹清洗，而且也不適合于大容量高壓變壓器的快速除銹，且直接噴射清洗的方式容易造成對散熱器表面的二次腐蝕。

目前國內(nèi)多數(shù)變壓器采用常規(guī)維護(hù)方法進(jìn)行日常管理和維護(hù)，由于這種方法具有工作量大、勞動強(qiáng)度高、維修人員水平低以及維修費(fèi)用高等問題，同時由于維護(hù)人員不熟悉油液循環(huán)原理及工作性能、不了解相關(guān)安全規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)、不熟悉機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)等原因，使一些無法解決的技術(shù)問題得不到及時有效解決。

為了解決上述問題，目前國內(nèi)外已經(jīng)有很多廠家針對變壓器散熱器采用了噴淋法、化學(xué)法、物理法等不同形式的清洗技術(shù)。其中物理法又分為超聲波清洗及射流清洗，但均存在著成本高、耗水量大、工作環(huán)境惡劣、運(yùn)行費(fèi)用高等缺點(diǎn)。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對散熱器內(nèi)氣流運(yùn)動模型進(jìn)行大量研究，并取得一定進(jìn)展。其中以Fluent軟件為基礎(chǔ)，采用CFD方法對散熱器內(nèi)流場模擬及數(shù)值計算結(jié)果表明，隨著流速增大壓力降低速度也減小，流場速度方向隨流速增加，流體動能隨流速增加而減少，不同流速下速度場呈現(xiàn)出不同特征。

4 技術(shù)方案

該技術(shù)方案的總體目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一種基于“機(jī)械+液壓”復(fù)合清洗原理的散熱器自動清洗裝置，其主要特征如下。

變壓器油冷卻器上設(shè)置有高壓氣口，可通過溢流閥控制進(jìn)氣壓力，從而對油箱中的油液進(jìn)行沖洗。油箱內(nèi)設(shè)有空氣管，所述空氣管與油箱相連通。液壓控制柜可通過手動或自動的方式對壓力信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定壓力時可實(shí)現(xiàn)對液壓閥的控制。裝置上設(shè)有高壓氣體排放口，該口由氣動接口連接至油液出口閥門，其上設(shè)有泄壓閥，裝置上設(shè)有空氣管和油箱的連接管道，當(dāng)空氣管接至油箱時該管段內(nèi)空氣被吸入油箱內(nèi)且無壓力后該管段繼續(xù)擴(kuò)張直到散熱器處。該裝置上設(shè)有高壓氣出口閥門和空氣進(jìn)口閥門共兩個通道，其中高壓氣出口閥門通至油箱進(jìn)氣口處，而高壓氣進(jìn)口閥門通入油液，以達(dá)到清洗油液目的，同時將液壓系統(tǒng)信號傳送至控制中心以對其進(jìn)行控制。

當(dāng)液壓系統(tǒng)信號傳輸至控制中心后，根據(jù)操作要求可以通過手動、自動的方式對壓力信號進(jìn)行調(diào)節(jié)。

5 “機(jī)械+液壓”復(fù)合清洗原理

高壓空氣系統(tǒng)包含液壓控制裝置、高壓管、油箱、變壓器油加熱器、高壓泵及電機(jī)、油泵、油管、閥門等。另有空氣壓縮機(jī)和空壓機(jī)各一臺，壓力調(diào)節(jié)閥2個，流量調(diào)節(jié)閥1個，連接空氣管、油箱和閥門等。液壓控制系統(tǒng)主要由高壓管（油箱）和液壓泵、油管接頭）組成，由控制柜通過繼電器驅(qū)動。油箱采用不銹鋼材料制成并作防銹處理，油泵采用抗磨密封圈和耐高溫軸承，空氣泵采用耐高溫密封圈以及耐溫密封件，油箱的進(jìn)出口采用耐溫密封圈連接，油箱進(jìn)出口與空氣管道連接，油箱與油管之間也可采用耐溫密封件連接。高壓管（油箱）的兩端連接空氣管道，油套管（油管接頭）與高壓管（油箱）連接，并做好密封工作。液壓控制系統(tǒng)由控制柜及液壓泵、電機(jī)、油泵、閥門等組成。

試驗表明，該方式可用于油浸式變壓器中散熱器外部壁污垢剝離效果不佳以及不易清洗的情況下，該方式對于散熱器外表面的污垢剝離效果好，同時對于內(nèi)部壁內(nèi)的積垢剝離效果不佳。

目前，我國有部分地區(qū)電力企業(yè)使用傳統(tǒng)的散熱器清洗方式對變壓器及油道進(jìn)行清洗，雖然這種方式可以提高變壓器的運(yùn)行效率以及安全性能，但是設(shè)備自身存在許多弊端，例如容易造成油箱內(nèi)壁和內(nèi)壁面污垢脫落，易造成變壓器內(nèi)環(huán)境污染甚至是發(fā)生人身傷害事故，難以進(jìn)行清潔、保養(yǎng)和維護(hù)、清潔效果不理想。

6 自動清洗裝置原理及設(shè)計

該裝置主要由儲液罐、進(jìn)油管路、過濾網(wǎng)筒、控制閥門等組成。從結(jié)構(gòu)上看，清洗裝置有兩個部分組成，一部分是通過在進(jìn)油管路上安裝一套過濾網(wǎng)及過濾網(wǎng)筒形成一個過濾系統(tǒng)，另一部分是通過控制閥門對散熱器進(jìn)行控制，從而形成一個自動清洗系統(tǒng)。

在本方案中設(shè)計的清洗系統(tǒng)分為兩個階段，第一階段為設(shè)備運(yùn)行前狀態(tài)監(jiān)測階段，第二階段為設(shè)備運(yùn)行中狀態(tài)監(jiān)控及數(shù)據(jù)采集分析階段。監(jiān)測過程由信號采集器、信號控制器、數(shù)據(jù)控制器等組成，其中信號采集器包含數(shù)顯儀表和數(shù)顯采集卡兩種類型的傳感器，信號控制器和數(shù)據(jù)控制器分別用于對數(shù)顯儀表的數(shù)據(jù)采集功能和數(shù)據(jù)采集卡的控制功能，以滿足系統(tǒng)運(yùn)行過程中對數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠采集分析的需求。

在設(shè)備運(yùn)行前狀態(tài)監(jiān)測過程中，由信號采集器根據(jù)設(shè)定時間間隔內(nèi)散熱器清洗量的多少來自動發(fā)出指令來進(jìn)行清洗動作。在參數(shù)采集及數(shù)據(jù)收集過程中，由信息采集器根據(jù)設(shè)定的清洗間隔進(jìn)行清洗動作信號的發(fā)送。完成第一階段后，系統(tǒng)根據(jù)指令自動進(jìn)行第二階段的工作。

7 結(jié)語

該裝置在實(shí)際運(yùn)行過程中具有自動、連續(xù)清洗散熱器的功能，該裝置通過設(shè)置多點(diǎn)控制實(shí)現(xiàn)自動進(jìn)排水功能以及連續(xù)清洗散熱器的功能。在實(shí)際運(yùn)行過程中，經(jīng)試驗驗證，該裝置實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定高效的運(yùn)行，并能夠達(dá)到預(yù)期效果。現(xiàn)場試驗驗證，在變壓器油箱上加裝自動清洗裝置，模擬變壓器油道及散熱器的運(yùn)行環(huán)境。清潔能力驗證，首先對變壓器油箱中的污垢進(jìn)行分析，利用清洗裝置將油箱內(nèi)的污垢排出。試驗結(jié)果匯總與分析，自動清洗裝置可滿足變壓器油冷卻器在工作狀態(tài)下的散熱器自動清洗作業(yè)要求。

變壓器油冷卻器是變壓器重要的輔助散熱裝置，主要用于降低變壓器油流速，以提高變壓器運(yùn)行時的熱穩(wěn)定性。