CC BY
15
УДК 621.3.048
Л. Р. Гайнуллина, В. П. Тутубалина, Х. Э. Харлампиди
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ОБЩЕЙ СЕРЫ НА РАСТВОРИМОСТЬ ВОЗДУХА
В МАСЛЯНОЙ ФРАКЦИИ
Ключевые слова: трансформаторное масло, общая сера.
Изучено влияние концентрации общей серы в температурном интервале 20-80 °С на величину коэффициента массопередачи в модельных смесях. Найдено, что при оптимальной концентрации сернистых соединений в модельных смесях, равной 0,5 %, обеспечивается минимальная растворимость кислорода воздуха в смесях при наименьшем значении коэффициента массопередачи и показана надежность работы трансформаторов в зависимости от содержания общей серы.
Keywords: transformer oil, sulphur compounds.
The influence of concentration of the total sulfur in a temperature interval 20-80 °С at a mass transfer coefficient size in model mixes is studied. It is found that at optimum concentration of sulphurous connections in model mixes, equal 0,5%, the minimum solubility of air in mixes at the smallest value of coefficient of a mass transfer is provided and shows the reliability of transformers depending on the contents of total sulfur.
Введение
Маслонаполненное электрическое оборудование, обеспечивающее распределение электрической энергии, определяет надежность электроснабжения промышленных объектов и коммунального хозяйства. Стабильность, долговечность и ресурс работы электрооборудования на энергетических объектах зависит от качества используемого нефтяного трансформаторного масла [1], которое в виде нефтяных фракций с Ткип = 300-400°С получают из неф-тей различного месторождения, отличающихся химическим составом. Нефтяные фракции представляют собой сложные смеси парафино-нафтеновых, ароматических углеводородов и серосодержащих соединений, количество которых определяет растворимость в них кислорода воздуха. Кислород воздуха, являясь активным окислителем углеводородов трансформаторного масла, в присутствии электрического поля высокой напряженности, повышенных температур и каталитического воздействия металлов, лаков и твердой изоляции трансформатора, способствует изменению состава масла и ухудшению его эксплуатационных характеристик [2].
Растворение кислорода воздуха в трансформаторных фракциях относится к гетерогенному процессу, осуществляемому в системе жидкость-газ и определяющегося скоростью перехода кислорода воздуха из газовой фазы в жидкую, т.е. скоростью диффузии кислорода воздуха во фракцию, что особенно существенно для маслонаполненных трансформаторов, сообщающихся с атмосферой, так называемых «дышащих» [3].
В реальных условиях эксплуатации маслонапол-ненного электрического оборудования поглощение кислорода воздуха трансформаторными маслами осуществляется в условиях свободной конвекции. Кроме того, окисление углеводородов масла протекает в его объеме за счет растворенного в нем кислорода воздуха [1].
Экспериментальная часть
Целью настоящей работы является определение коэффициента массопередачи в гетерогенной систе-
ме трансформаторная фракция - кислород воздух с учетом изменения концентрации общей серы во фракции в температурном интервале 20-80°С, соответствующему режиму работы трансформатора в реальных условиях его эксплуатации на теплоэнергетических объектах при конвективном способе поступления кислорода воздуха в аппарат.
Опыты проводили в отсутствии электрического поля.
Количество кислорода воздуха определяли газо-хроматографическим методом на хроматографе марки ЦВЕТ-50М с детектором по теплопроводности и с чувствительностью 1500 МВсм2/мг.
Скорость растворения кислорода воздуха во фракции оценивали количеством последнего, растворенного во фракции в единицу времени единицей объема трансформаторной фракции:
3
W =■
, моль! л ■ с
. (1)
- 1/фр -т-60-Л4
где ШВ - скорость растворения кислорода воздуха в трансформаторной фракции, моль/л-с; Мв - молекулярная масса, г/моль; Ошибка! Источник ссылки не найден.- объем трансформаторной фракции в приборе, м3; вФР - масса фракции в приборе, г; рФР - плотность фракции в приборе, кг/м3; /
= тр'Т-(Сн ~С) - масса кислорода воздуха, растворенного во фракции, г.
Из уравнения массопередачи М = К Р Л С можно рассчитать коэффициент массопередачи, предварительно определив удельную поверхность межфазного обмена £ и движущую силу процесса растворения кислорода воздуха во фракции ЛС [4].
Средняя движущая сила массообменного процесса рассчитывается по следующим уравнениям:
- при -У- < 2 Ас = Ск
Сн + С рО'
2
Си
- при С. > 2 АС = С
Сн - С,
к
рО>
2 , моль/л
2 , моль/л
2,3 Hg^ ^О2 УСн 2
(2)
(3)
Данные значения движущей силы процесса растворения кислорода воздуха во фракции были использованы при определении коэффициента массо-передачи по уравнению:
Ив
К = ■
, м/с
(4)
f-АО
Расчетные данные: содержание кислорода в воздухе составляет 21 %, диаметр прибора - 0,03 м, объем масла в приборе - 20 мл, тогда - f = 0,0708 м. Средняя движущая сила процесса растворения кислорода воздуха во фракции определяли по следующей формуле:
СН - Ск Р°2 , моль/л
АС =
2,3 - !д^
(5)
В результате проведенного расчета были определены: скорость растворения кислорода воздуха во фракции, движущая сила процесса растворения кислорода воздуха и коэффициент массопередачи в температурном интервале 20-80°С в зависимости от концентрации общей серы во фракции. Концентрация общей серы в масляной фракции изменялась в широком интервале от 0,1 % до 1,0 % с шагом 0,2 % в пересчете на общую серу.
Исследование проводили с использованием модельных смесей, основу которых составляла практически обессеренная трансформаторная фракция с содержанием серы 0,01%. При приготовлении модельных смесей в указанную фракцию вводили нефтяные сернистые соединения в количестве 0,1, 0,3, 0,5, 0,7 и 1,0% от массы фракции, которые были предварительно выделены из трансформаторной фракции адсорбционным методом на активированном крупнопористом силикагеле марки АСК с размером зерен 0,6-0,8 мм по методике, описанной в литературе [5].
Концентрацию растворенного кислорода воздуха во фракции определяли газохроматографическим методом.
Обсуждение результатов
Зависимость коэффициента массопередачи растворения кислорода воздуха в модельных смесях от концентрации общей серы процесса представлена в виде графических кривых на рис. 1.
Рис. 1 - Зависимость коэффициента массопередачи растворения кислорода воздуха в трансформаторной фракции от концентрации серы и температуры: 1 - температура 20°С; 2 - температура 250°С; 3 - температура 280°С
В соответствии с данными, приведенными на рис. 1, концентрация общей серы в масляной фракции и температура оказывают существенное влияние на величину коэффициента массопередачи. С повышением концентрации общей серы во фракции от 0,1 до 0,5 % происходит снижение коэффициента массопередачи независимо от температуры. В соответствии с данными рис. 1 наименьшее значение коэффициента массопередачи в температурном интервале 20-80°С наблюдается при содержании общей серы во фракции в количестве 0,5 %. Это указывает на самую низкую растворимость воздуха в трансформаторной фракции и высокую термическую стойкость фракции в условиях эксперимента.
Дальнейшее увеличение концентрации общей серы в исследуемых модельных смесях от 0,5 до 1,0 % сопровождается последующим ростом коэффициента массопередачи. Данное обстоятельство указывает на ускорение процесса растворения кислорода воздуха в исследуемых модельных смесях.
Увеличение растворимости кислорода воздуха в модельных смесях сопровождается повышенным содержанием в них твердого осадка, воды, увеличенными значениями кислотного числа, повышением тангенса угла диэлектрических потерь и снижением пробивного напряжения. Перечисленные факторы снижают качественные и эксплуатационные свойства трансформаторного масла.
Аналогичное влияние на величину коэффициента массопередачи оказывает повышение температуры процесса растворения кислорода воздуха во фракциях. Независимо от концентрации общей серы, содержащейся в модельной смеси, с возрастанием температуры от 20°С до 80°С происходит увеличение коэффициента массопередачи, т.е. возрастает скорость окисления углеводородов масла.
Следующая серия опытов была проведена с целью изучения влияния изменения температуры в интервале 20-80°С на величину кинематической вязкости и плотности исходной масляной фракции с содержанием серы 0,01 %. Использование указанной фракции исключает возможное влияние серы на физико-химические показатели изучаемой фракции.
Экспериментальные данные по исследованию влияния температуры на величину кинематической вязкости и плотности практически обессеренной масляной фракции представлены на рис. 2 и 3.
880
-г- 1-1-Г „„I-Г
Температура, °С 0 10 20 30 40 50 60 70 80
Рис. 2 - Зависимость плотности масляной фракции от температуры
Как следует из рис. 2 и 3, с повышением температуры от 20°С до 80°С кинематическая вязкость снижается с 8,1.10-6 до 7,6.10-6, плотность масляной
фракции с содержанием серы 0,01 % снижается соответственно с 875 до 825 кг/м3.
Рис. 3 - Зависимость кинематической вязкости масляной фракции от температуры
Уменьшение вязкости и плотности фракции способствует росту их текучести и увеличению скорости диффузии кислорода воздуха в исследуемые фракции. Следствием этого является рост численного значения коэффициента массопередачи, что указывает на повышение растворимости кислорода воздуха в исследуемых фракциях.
Далее было изучено влияние концентрации общей серы на окисление кислородом воздуха углеводородов масляной фракции в температурном интервале от 20-80°С. В качестве объекта исследования были использованы модельные смеси, в которых концентрация общей серы изменялась в широком диапазоне - от 0,1 до 1,0 %. Изменение характеристик модельных смесей изучали с использованием экспериментальной установки [6]. Показателем изменения эксплуатационных свойств модельных смесей служило изменение величины кислотного числа, которое определяли по ГОСТ 3985-79. Изменение кислотного числа модельных смесей в зависимости от общей серы показаны на рис. 4.
Рис. 4 - Зависимость кислотного числа от концентрации общей серы: 1 - 20°С; 2 - 50°С; 3 -80°С
Из экспериментальных данных рис. 4 следует, что с увеличением концентрации общей серы от 0,1% до 0,5% происходит снижение численного значения кислотного числа при температру 20оС с 0,08
до 0,01 мг/100 г масла, при температуре 50оС - с
0.108.до 0,032 мг/100 г масла, при температуре 80оС - с 0,118 до 0,071 мг/100 г масла. Дальнейшее повышение концентрации общей серы в модельных смесях сопровождается ростом численного значения кислотных чисел, что указывает на увеличение скорости окисления углеводородов смеси. Из рис. 4 видно, что оптимальная концентрация общей серы в модельных смесях, обеспечивающая минимальную степень окисления углеводородов, составляет 0,5 %.
Сравнительный анализ рис.1 и рис.4 показывает идентичный характер изменения коэффициента мас-сопередачи и кислотного числа в зависимости от концентрации общей серы и температуры. Минимальному значению коэффициента массопередачи соответствует наименьшее значение кислотного числа при оптимальной концентрации общей серы в модельных смесях, равной 0,5%. С повышением температуры от 20°С до 50°С и 80°С кислотное число в модельных смесях увеличивается соответственно с 0,01 до 0,032 и 0,071 мг/100 г масла при оптимальной концентрации общей серы в смесях, равной 0,5 % (рис. 4).
Таким образом, коэффициент массопередачи относится к одному из важнейших показателей, характеризующих качественные свойства модельных смесей, а, следовательно, и трансформаторных масел, подвергающихся воздействию кислорода воздуха. Из проведенных исследований следует, что самое минимальное количество кислорода воздуха растворяется в модельных смесях при концентрации общей серы, равной 0,5 % и температуре 20 °С. В указанных условиях проведения эксперимента коэффициент массопередачи растворения кислорода воздуха в исследованных модельных смесях составляет 0,5-10-9 м/с. Увеличение или уменьшение концентрации общей серы в модельных смесях приводит к повышению численных значений коэффициента массопередачи и количеству поглощенного кислорода воздуха, растворенного в смесях, и, следовательно, способствует ускорению окисления углеводородов модельных смесей.
Литература
1. Сб. докладов научно-практического семинара «Современные проблемы оценки состояния и обслуживания маслонаполненного оборудования», Санкт-Петербург, 1997. С. 34-42;
2. Липштейн Р.А., Шахнович М.И. Трансформаторное масло. -:М.: Энергоатомиздат, 1983. -296 с.
3. Петров А.А. Углеводороды нефти. -М.:Наука,, 1984. -263 с.
4. Броунштейн Б.И., Щеголев В.В. Гидродинамика, массо-и теплообмен в колонных аппаратах. -Л.: Химия, 1988. -336 с.
5. Вилданов Р.Р., Тутубалина В.П. Техника и технология.-1, 40-43 (2006);
6. Вилданов Р.Р., Тутубалина В.П. Известия вузов. Проблемы энергетики. //Известия вузов, 1-2, 82-87 (2007).
© Л. Р. Гайнуллина - канд. техн. наук, доц. каф. тепловых электрических станций КГЭУ, gainullina7819@mail.ru; В. П. Тутубалина - д.т.н., гл. научн. сотр. КГЭУ; Х. Э. Харлампиди - д.х.н., профессор, зав. каф. ОХТ КНИТУ; kharlampidi@kstu.ru.
© L. R. Gaynullina - candidate of technical sciences, associate professor of department «Thermal power plant» of KSPEU, gainullina7819@mail.ru; V. P. Tutubalina - doctor of technical sciences, chief researcher of KSPEU; Kh. Е. Kharlampidi - Ph.D. in chemistry, professor, head of Chemical Technology, KNRTU, kharlampidi@kstu.ru.
