移动式真空汽相干燥设备及其应用

移动式真空汽相干燥设备及其应用乔保振张世伟2，刘翮3，王一军3，裴阳4，田子九4，薛立东4（1.沈阳诚桥真空设备有限公司，辽宁沈阳110025；2.东北大学真空与流体工程学院，辽宁沈阳110006；3.特变电工衡阳变压器公司，湖南衡阳421007；4.西安西电变压器有限责任公司，陕西西安710077）些巨型变压器，效率高，质量好，已经是很成熟的技术。移动式汽相干燥设备设计和制造已经取得丰富经验。
巨型变压器在电站现场的汽相干燥处理，可以大大提高现场组装变压器（ASA?Advanced SiteAssembling的生产效率，保证产品质量。这是到目前为止，在现场干燥处理巨型变压器理想的干燥处理方式。
在工厂的生产过程中，大型变压器的干燥处理，本来就是一个非常关键和有难度的工艺过程。好在50多年前的1960年代，人们发明并成功用于变压器生产实际的汽相干燥设备器的干燥处理提供了个非常好的工艺手段。VPD设备目前仍是全世界公认、并普遍采用的唯的好的大型变压器的干燥处理技术。但是只能在工厂车间里使用。在电站现场组装变压器（包括修理变压器），如何更有效地进行干燥处理，这个问题一直困扰着全世界变压器行业，在电站现场干燥处理的工作者。把VPD设备搬到现场，在电站现场进行汽相干燥处理，是许多人梦寐以求的期待。
在电站现场组装变压器（ASA）的生产过程，据我们所查资料，早始于1992日本东芝公司B.中国常州东芝公司在2002年开始生产ASA.中国变压器制造企业开始采用“解体运输，现场组装”方式生产巨型变压器，是近五六年的事情，并且目前呈现出“蓬勃发展”的趋势。
ASA方式生产变压器，目前有两种基本的工艺过程。我们权且称为“无吸潮组装”和“有吸潮组装”或叫“连续作业”两种模式。
无吸潮组装又分两种。种是塑料薄膜保护法，一种是工艺时间保护法。前者是用特制工程塑料，在变压器绕组和相关绝缘部件外表包奄起来，进行保护，以免受潮。有些塑料薄膜就直接装到变压器里去，不再拆除下来。后者是类似于我们的“器身整理”的工艺过程，即在拆卸装箱和组装的过程中，都是严格按照温湿度条件，在控制的时间内进行工作。旦达到控制时间，立即进入真空罐，进行加热和抽真空保护。在现场组装，则需要把变压器油箱临时罩起来，进行保护。这样的工艺方法，单单在厂内拆卸和装箱的过程，就要持续20几天。在现场组装，也需要20几天的时间。这样反复保护的过程，以及持续的时间，具体制造人员称“苦不堪言”。
连续作业组装，就是在拆卸和装箱过程中，以及在现场组装过程中，允许连续工作，甚至三班倒。因此在厂内的拆卸装箱，多不会超过周。在现场的组装，也可以在一周内或者略多点时间内完成。这样大大提高了生产效率。但是连续作业的组装，显然带来个重新干燥处理的问题。
我们在制造现场组装变压器的过程中，采用的是连续作业的工艺过程。开始也曾用过热油循环作为干燥处理方法，但是效果不好。为了提高效率，保证质量；通过认真分析，慎重决策；后选择了用移动式汽相干燥设备来干燥组装变压器。成功地设计制造了移动式汽相干燥处理设备，并成功地用于现场巨型组装变压器的工艺处理。目前已经制造了4套移动式汽相干燥设备，在电站现场汽相干燥处理了20几台巨型变压器。
1电站现场对移动式汽相干燥设备的客观需求随着电力工业持续发展，我国能源区域的西南、西北边远地区，建设了很多水电站和火电站。大容量、高电压等级的变压器需求大量增加。由于受到运输高度、桥梁承重等多因素的限制，台几百吨重的大型变压器不可能整体运到安装现场。从而大量采用ASA生产方式。为了提高效率缩短生产周期，我们采用了“连续作业”的工艺过程，并采用移动式汽相干燥在电站现场干燥处理变压器，以解决器身重新受潮的问题。
目前现场干燥般采用热油循环、热油喷淋，有的还加上低频加热的方法。这些方法能够达到干燥效果，但不是很理想；不仅时间长，干燥处理质量也不能令人十分满意123；在电站现场采用汽相干燥处理，这对现场组装变压器而言，是理想的干燥处理方法。
1.1在电站现场还有其它些原因，可能需要对有很多可能的原因，会导致变压器绝缘再次受潮。如果经过判断，认为绝缘受潮超过定的标准，就要对变压器进行干燥处理。
意外故障吊罩修理后，肯定希望恢复的时间越短越好；并且希望不动工位就能完成干燥处理。
⑶变压器经过长时间运行，由于各种原因会引起绝缘的老化，产生“油泥”和酸性物质。对于超高压变压器来讲，定期将变压器内的老化物质清洗一次，将会大大改善变压器的绝缘性能，提高运行可靠性。
如果有方便有效的干燥和清洗设备，变压器维护就会产生全新的新概念一让变压器也“洗个澡”，对变压器的可靠运行会起到重要的保证作用。
1.2变压器油加热效果应质疑现场干燥处理多采用传统的热油循环加热（H0V），热油喷淋加热（H0S），多再辅以低频加热干燥处理方式。实际上是以变压器油作为载热介质对变压器进行加热，加热到规定的时间和温度后，再对变压器抽真空。由于传热效率和加热功率的限制，所以加热效果很差。
其实，用变压器油作为载热介质的加热设备和工艺，在变压器制造厂，早就被认为是落后的东西，已经在50年前，就开始被先进的汽相干燥设备所取代。
变压器油加热干燥处理，周期长，干燥效果不是很理想，残留在绝缘中的经过高温使用的变压器油无法排出来，给变压器长期可靠运行留下阴影。
经常有报道，现场干燥处理220kV变压器用15~25天，500kV变压器需要25~35天。即使加上低频加热也要约15天u.更大型的变压器的现场干燥处理时间会更长。对于时间就是金钱的电站来讲，这种速度肯定不能认为是高效率。
电压等级100万伏，容量100万千伏安的变压器，在中国已经投入商业运营。世界上也早就有很多大的变压器在运行。对于这些巨型变压器，不管是有计划的正常检修，或者是故障后的紧急恢复，如果需要干燥处理，方案应是尽量在现场干燥，好是不动工位。因为对这些产品而言，就像航空母舰放在陆地上，运输实在是太难了。任何方式的移动或运输，都意味着要花大量的时间和金钱。
1.3现场实现汽相干燥处理，成难题在现场不动工位进行干燥处理，在尽量短的时间内完成干燥过程，并且得到良好的处理效果，这些都是电站工作者和变压器生产厂家的愿望。
汽相干燥设备和工艺用于变压器的干燥处理，时间短效果好，已经得到全世界的公认。但是目前的汽相干燥只能用于变压器制造厂，因为它是个庞大的在地面基础上安装的固定设备系统，无法拿到现场对大型变压器进行良好的干燥处理。如何在电站现场实现汽相干燥处理工艺，这成为个的技术难题。
2移动式汽相干燥设备介绍2.1基本概念能不能将汽相干燥设备也用于现场变压器的干燥处理，这是个极富挑战性的课题。这个问题笔者从1994年就开始设计研究。得出的结基础上，我们开发设计了专门用于现场干燥处理的“移动式双蒸发器汽相干燥设备”并于2002年申请了中国国家专利。这是完全具有我们自己知识产权、中国创造的新技术。
移动式汽相干燥设备专利证书汽相干燥系统进行精心的、全面的重新设计，将整套设备全部组装在一起，装在部车上。已经完成的设计有两种方式。
将整个设备安装在个专用的平板车上，形成组装移动式汽相干燥设备，可以简称“汽相干燥车”
或“汽相车”如所示。本概念形成于1994年。
⑵将设备做成几个积木式模块，装在一台或几台普通的大卡车上。运到现场，从车上卸下，摆放在变压器跟前。设备之间用管道联接，并与变压器相联，接上电源和冷却水，就可以开始进行处理。实际制造和使用的就是这种方式。
移动式汽相干燥设备设计示意。2系统原理移动式汽相干燥设备，设计时充分考虑了“车载移动”和“现场处理”等下列的一些特殊问题。
可以采用两个外置蒸发器或一个蒸发器。现场处理变压器大多数都是带油产品，特别是考虑紧急情况下，变压器油可能来不及滴干净就要开始汽相干燥处理，还有旧变压器的清洗本身就是为了构的蒸发器，轮换进行加热和蒸馏，连续不断地将变压器中的残油通过蒸馏排到工作系统以外，保证加热正常进行。
当然也有含油量比较少的情况，比如新变压器解体，充氮气运输到现场后的干燥。这种情况用一个蒸发器也是可以的。
因为要将所有的设备都装载到专用平板车（12m~17m长，2.4m宽）或标准卡车上运输，高度不超过4m.所以系统要力求简化，仅保留了必须的功能：溶剂蒸发汽化，包括蒸发功能和蒸馏功能。
返回混合蒸汽的冷凝分离，包括主冷凝器、蒸馏冷凝器和冷凝液收集罐等。
返回液体的过滤和循环；双蒸发器的设备，包括蒸发循环和蒸馏循环等。
导热油加热系统，包括电加热器和导热油循环泵等。
设备采用计算机自动控制，控制可靠且占用空间小，重量轻。
但溶剂罐须由另外的车运输。
废油罐可以专门制造一个，也可以用临时罐或标准油桶代用。
要考虑新电站可能没有足够的冷却水系统，所以要设置合适的冷却水源系统。
⑴布置尽量紧凑，但要留出必须的维修空间。
表1各种电压等级的变压器干燥处理的预定时间Table1Presettimeforthe（4）安全问题。和在变压器厂里的汽相干燥处理设备一样，一定要采取严格的防火防爆措施。佳的加热方式是“电+导热油”的方式。将加热系统与溶剂系统隔离开来。同时对有热高温溶剂存在的部位，采取安全防爆电路，并且采取强流通风换气。
按照上述设计思想设计的系统原理，如和所示。
2.3主要性能参数8.X汽相干燥设备总的系列号，MVPD排在第8的位置“。X”表示设计版本号；分别用于大型、特大型和巨型变压器的现场干燥处理。一般可选用260kW400kW的移动汽相干燥设备，即兼顾110kV500kV变压器的现场处理要求。
⑷主冷凝器的冷凝功率，取加热功率的60.冷却水温度30QC以下，冷却水用量约每小时10m320m3.另配置一台小的冷水机组对真空系统冷凝器进行冷却。
冷却水源制冷机的制冷功率应该在150kW~变压器加热的高温度控制在130C左右。
真空机组有两种配制，真空机组的极限真空度为1Pa以下。抽气速率根据处理产品油箱体积来决定。真空泵可以选用德国产品或者中国制造的产品。
干燥处理时间和产品容量、原始状态，以及处理目的有直接关系。一般预定时间如表1所示。
处理产品的终含水量，要满足不同电压等级产品绝缘的要求。也用水分压测量仪连续测量单位时间单位绝缘的出水量，以判断绝缘的干燥程度，确定合适的结束时间。
2.4设备实际组成从2009年，台移动式汽相干燥设备完成投入使用，到2013年7月，已经制造和使用的移动式汽相干燥设备有4套，分别为IMVPD8.1-260，MVPD8.2-300S，MVPD8.3-350S，MVPD8.4-400S.第5套和第6套设备正在设计和制造中。
已经制造出来的移动式汽相干燥设备，都是采用组装设计模式设备有如下几个单元模块组成：主体大模块1：真空机组与冷凝模块；⑵主体大模块2：蒸发器和电加热器模块；设备小模块：粗过滤器和返回溶剂泵模块；⑷辅助设备模块1：储油罐+废油罐模块；（5辅助设备模块2：水箱和冷水机组模块；含空压机和气动柜。
（6辅助件模块：装联接的管道的箱子：2根粗管子，3根细管子。
（7保温被及油箱加热装置模块各个主要模块，都有外部的门板封闭，使用时方便打开。运输和停运期间，可以很好地保存。
组装后的设备和在现场处理的布置设计如和所示。
3现场汽相干燥处理使用3.1设备的运输和摆放尽管设备设计时，充分考虑了运输的防震性能；但是因为道路条件确实很差，所以，运输时定要谨慎驾驶，慢速行驶。设备好能装防撞仪，确保安全。
长途运输时，设备的主要模块可以用长的大车一车运走，如~所示。但一般电站都建在山上。要在山脚下，将设备转到小车上继续往上运。
运到组装变压器的临时厂房里，用车间的吊车吊下来，摆放在变压器周围。各个现场的条件不同，摆放的方式要根据具体条件来定。实际的摆放形式，分轴向摆放和L形摆放。如0~2所示。
3.2变压器产品准备（1）对于组装变压器，在现场将器身组装完毕，装上上节油箱，这时没有附件装在上节油箱上，对下一步的汽相干燥，比较容易。直接在油箱上装设备联接管道等组装工作就可以。
⑵对于修理的变压器，可以有些附件不需要拆卸，要把不能耐真空或者高温的部件隔离开来。或者干燥完毕直接注油的变压器，可以把油面以下的附件都装上去，但要用阀门隔开。
选择合适的接口，做好连接法兰。一般选择高压侧端部的入孔作为溶剂蒸汽的入口。箱体顶部相对于溶剂蒸汽入口远端的地方，选用或专设溶剂蒸汽出口和抽真空的端口。
油箱内冷凝溶剂的出口管，一般都应该连在产品的放油阀门上。注意阀门的接管位置应在油箱的低位置。另外，要将放油阀与箱底的放油塞用管子联接起来。保证油箱底部液体能排除干净。
⑷在适当位置装上专用接线法兰，将测温元件放入油箱中。切忌测温元件在注油完毕拿不出。3.3设备组装（1）设备在变压器周围摆放好以后，将三根输送管道与产品上面选择的法兰接孔连接起来。从设备到产品接口处，主要用钢管连接，钢管和变压器接口之间，应采用段不锈钢波纹管做挠性连接。下面的回油管可全用不锈钢波纹管连接。
接好冷却水总管。设备系统内部已经全部联好了冷却水管，只需接两个出入口接头即可。基本型设备没有带冷却水源系统，但有小型制冷机辅助冷却。
接好电源。满足容量的电源线接到控制柜的总开关上。
主控制柜放在真空冷凝模块中。控制方式采用先进的以工控机为核心的分布式控制系统。
各个大模块主回路的电源线，都直接由现场配电柜供电。各个模块之间，仅仅只有很少的几根通信线联接。采用快速插拔接头，很方便联接。控制计算机，采用可靠的嵌入式工业控制计算机。
程序采用完全自主开发的专用控制程序。设置完所有的参数，设备可以全自动运行。所有参数可以自动记录。具有可靠的控制功能，以及安全周到的故障报警和保护功能做好油箱保温。可以用特制的保温被将变压器外面全部包奄起来。为了取得更好的效果，要对油箱进行辅助加热。在油箱底部和四周箱壁，以及罐顶外面，对产品进行保温加热。箱壁采用自控伴热带进行加热；箱底采用电热板进行加热。保温被，是应用专利技术用耐高温阻燃材料制成的专用制品。
联接完毕，做好保温变压器如34所示。全部联接准备完毕的设备和变压器如5所示。
3.4对系统进行冷态调试对系统全部操作动作和过程要仔细检查一遍。如果一切正常即可开始处理。
3.5干燥处理过程（1）变压器现场干燥处理的工艺过程。干燥过程分为5个运行阶段：准备阶段、加热阶段（包括中间减压和中间蒸馏）、降压阶段、高真空阶段、解除真空阶段。其工艺流程如6所示。
过程工艺参数设定及过程控制。
先打开冷却水模块冷却水系统和压缩机，然后开启真空冷凝模块，对变压器油箱抽真空，同时开启加热蒸馏模块的电加热器，对用来加热蒸发器内煤油的导热油加热。当变压器油箱压力降到700Pa，可以转换到下一阶段。
加热阶段是整个干燥过程重要的环节，变压器器身绝缘内的90的水分都要在此阶段排除掉。该阶段电加热器继续加热导热油，而导热油通过油泵用来加热蒸发器中煤油。这时系统内的压力用一个前级泵维持冷凝系统收集罐的压力在4.5kPa左右，这样蒸发器中煤油加热变成煤油蒸汽后，靠压力差通过管道进入变压器油箱内，利用煤油蒸汽放出的热量加热变压器器身。
一方面煤油蒸汽遇到冷的变压器器身后，冷凝成煤油液体，并从变压器油箱底部，通过油泵回到蒸发器中重新加热循环。另一方面随着变压器温度的升高，煤油蒸汽不会完全冷凝而是在变压器油箱中聚积，但仍以气体的形态存在。随着变压器器身温度慢慢升高，也就使变压器内的绝缘材料的温度慢慢上升。从而使绝缘材料中的水分也开始气化，并以水蒸汽状态聚积在变压器油箱内；又加上可能有少量的空气进入变压器油箱中，和一些放过热不起加热作用的惰性气体，因此在油箱中形成一种混合气体。这种混合气体进入冷凝系统中被冷凝。以液态的形式在冷凝收集罐中。因煤油和水的比重不同而分离。冷凝水积累到一定量后排到废水罐中，煤油则通过油泵排往蒸发器中用来加热循环。性气体则通过真空泵排到大气中。
现场处理的变压器绝缘件（包括维修变压器）都是带有变压器油的。变压器器身加热一定时间后，煤油中变压器油的含量会越来越多，箱内的压力和蒸发器内压力会趋于平衡。这样将影响变压器器身进一步加热。当蒸发器内煤油中变压器油含量超过10时，变压器器身的升温会明显缓慢，这时需要对煤油进行蒸馏。
蒸馏过程停止液体的煤油进入蒸发器中，利用煤油和变压器温度所对应的气化压力不同，将煤油蒸汽气化，在真空冷凝模块冷凝并在收集罐中收集，排到储油罐中，用于下次加热所用。蒸馏后残留在蒸发器中没有气化的变压器油，排放到废油罐中。这样煤油的纯度得到提高后，开始继续煤油加热变压器器身的过程。
通过多次加热蒸馏，变压器器身已经逐步被加热，油箱内混合气体的压力也就越来越高，并与蒸发器内压力趋近平衡。而收集罐中的出水也会慢慢减少。这时通过中间降压过程，降低油箱内的压力；提高蒸发器和油箱之间的压差；腾出绝缘件毛细空间，让温度更高的煤油再次进入，让煤油蒸汽的热传导变成间断性热对流，加速水分从绝缘材料中迁移出来。
中间降压过程切断通往变压器油箱的煤油蒸汽入口通道，利用真空冷凝模块实现降低变压器油箱的压力，利用压力差来帮助煤油蒸汽进入变压器油箱内。
当变压器器身温度达到120c左右时，变压器绝缘材料内的大部分水分已经排除，则开始停止煤油液体往蒸发器中输送。利用真空机组将变压器油箱中的混合气体排出，使残留在绝缘材料中的煤油重新蒸发。
启动真空机组对变压器油箱抽真空，使残留在绝缘材料中深层的煤油和水份进一步蒸发，直到干燥过程结束。
（e注油阶段整个干燥处理过程结束后，直接进行真空注油。
为了保证绝缘件干燥后不受潮，解除真空不能用大气，而采用干燥空气解除，而干燥空气必须满足规定的露点要求才能解除变压器油箱的真空。
这些干燥处理过程和固定式汽相干燥的过程基本相同。
4结果表2变压器用移动式汽相设备干燥处理的记录数据统计序号项目数据1500kV/750MVA的变压器干燥时间仅需68天2500kV/1000MVA的变压器干燥时间仅需810天3绕组温度可以达到128C4铁心温度可以达到120C以上5终真空度可以达到10Pa以下6随机的绝缘试块，含水量可以达到0.3（卡尔菲舍方法测量）7单台500kV/750MVA产品收集到的绝缘大出水量接近300kg8单台500kV/1000MVA产品收集到的绝缘大出水量接近435kg9在工厂内处理的一台新的500kV/750MVA收集到的绝缘出水量水达到从2009年套移动式汽相干燥设备投运到2013年底我们已经生产了4套MVPD，大约4年的时间，我们的移动式汽相干燥设备，已经干燥处理了20几台变压器。主要是用于电站现场的特高压组装变压器的干燥处理。一个典型的750MVA/500kV变压器汽相干燥处理过程记录曲线如7所示。根据实际记录统计的记录数据，如表2所示。
表3现场汽相干燥处理后的1000000kVA/500kV变压器的绝缘试验参数统计值序号绝缘电阻部位绝缘电阻值吸收比电极化指数1resuit R60“2铁心一夹件14701.173中压一低压35000906002.51.104低压一铁心.251.96序号绝缘电阻部位绝缘电阻值电极化指数1result 500/31006铁心-夹件1590序号绝缘电阻部位绝缘电阻值电极化指数1resuIt 5.1关于移动式汽相干燥设备（1）移动式汽相干燥设备用于现场巨型变压器的干燥处理，功能和性能都能满足使用要求；（2进一步提高的空间：小型化，安全可靠，多能源加热，水源条件改善；⑶热油加热和低频加热，对巨型变压器现场干燥，有一定的不足。
5.2关于现场汽相干燥处理过程（1）处理效果是非常满意的。所有经过移动式汽相干燥处理的变压器都一次通过试验；（2处理过程是安全可靠的；已经处理了20几台变压器的经验，实践证明是安全的；节省时间和成本是明显的。对于ASA变压器普及使用，提供了良好的条件；尽管设备采取了必要的安全措施。但是设备在使用过程中，还必须提高安全意识，制定严格安全操作规范，并加强监管，保证万无一失。
结论移动式汽相干燥设备在电站对巨型变压器进行汽相干燥处理：（1）远远比热油循环、热油喷淋、加上低频加热的方法，效果要好得多；（2移动式设备已经成熟地用于巨型变压器的现场干燥处理；达到了和固定式汽相干燥设备同样好的处理效果；⑷电站现场采用移动汽相干燥处理巨型变压器，为推广ASA变压器提供了很好的条件，应积极推广使用；⑶应逐步成为现场组装和修理巨型变压器干燥处理的必备工艺设备。
鸣谢：（1）感谢TBEA冷晨总工程师的技术指导。他是移动式汽相干燥设备采用和研制的总设计师。
⑵感谢TBEA衡阳变总经理种衍民，沈阳变总经理叶军的具体支持，坚定不移地支持新的工艺装备和技术的发展。
⑷感谢国网公司张进博士的大力支持。⑶感谢衡阳变压器和沈阳变压器公司参与现场处理的所有工程师、技师和操作人员的精心操作和维护。