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間歇式植物絕緣油精煉工藝探討

發布日期:2017-12-21 17:12來源:中國油脂網作者:未知點擊次數:

楊 濤1,寇曉適1,張小勇2,王 吉1,王 天1,蒲兵艦1,王震宇1
(1.國網河南省電力公司 電力科學研究院,鄭州 450052; 2.西安中糧工程研究設計院有限公司,西安 710082)


摘要:針對植物絕緣油的性能需求,對現有的食用植物油間歇式精煉工藝進行調整和優化?;瘜W精煉工藝引入二次堿煉可以有效提高植物絕緣油的性能,酸值(KOH)達到0.03 mg/g以下,介質損耗因數小于0.5%。物理-化學混合精煉工藝不但可以有效避免物理脫酸產生的極性物質對植物絕緣油電氣性能的影響,還可以進一步降低植物絕緣油的酸值。該研究旨在為促進我國植物絕緣油產業的發展提供參考。
關鍵詞:植物絕緣油;脂肪酸;間歇式精煉工藝;介質損耗因數;擊穿電壓
中圖分類號:TQ644.4;TM214    文獻標識碼:A

文章編號:1003-7969(2016)12-0073-03
 

Batch refining technology of vegetable insulating oil
YANG Tao1,KOU Xiaoshi1,ZHANG Xiaoyong2,WANG Ji1,WANG Tian1,
PU Bingjian1,WANG Zhenyu1
(1.State Grid Henan Electric Power Research Institute,Zhengzhou 450052,China;
2.Xian COFCO Engineering Research & Design Institute Co.,Ltd.,Xian 710082,China)


Abstract:According to performance requirement of vegetable insulating oil,the existing batch refining technology of edible vegetable oil was adjusted and optimized. The introduction of secondary alkali refining into chemical refining process could improve the performance of vegetable insulating oil,and the acid value and dielectric dissipation factor were less than 0.03 mgKOH/g and 0.5% respectively. Physical-chemical mixed refining process could not only effectively avoid the influence of polar substances generated by physical deacidification on electric performance of vegetable insulating oil,but also further reduce the acid value of vegetable insulating oil. The study was aimed at providing reference for the further industrial development of vegetable insulating oil. 
Key words:vegetable insulating oil; fatty acid; batch refining technology; dielectric dissipation factor; breakdown voltage


  作為高燃點、易降解、可再生的綠色環保型液體絕緣介質,植物絕緣油被普遍認為是礦物絕緣油的良好替代品[1]。將植物絕緣油應用于變壓器,可賦予變壓器高燃點、環保、低噪聲等優點,提高變壓器的過載能力,延長變壓器的使用壽命,有效緩解“返鄉高負荷”等電網短期集中過負荷壓力,保障電網的安全穩定運行。
     國外植物絕緣油的研制已有超過半個世紀的歷史,主要產品有Cargill公司的Envirotemp FR3[2]、ABB公司的BIOTEMP[3]及M&I公司的MIDEL[4]等。這些產品性能優良,已在油浸式變壓器中被廣泛使用。2014年全球首臺以FR3為絕緣介質的420 kV超高壓油浸式變壓器在Bruchsal-Kndelweg變電站成功投入運營[5]。
     由于國外的技術壁壘和價格壟斷,我國植物絕緣油產業的發展和植物絕緣油變壓器在電力系統的推廣應用受到了一定的制約。自重慶大學于2000年率先開展植物絕緣油的研究以來,國內相繼研制出滿足標準且部分指標優于國外的植物絕緣油,例如重慶大學的RDB[6]、河南電科院的NP[7]及武漢南瑞的VinsOil[8]等,且均于2014年實現植物絕緣油工業化生產,減少了對國外植物絕緣油的依賴,填補了國內這一領域的空白。
     植物絕緣油的生產是建立在食用植物油精煉工藝基礎上的[9-10]。關于植物油制備工藝相關的研究較多[11],但是關于植物絕緣油生產工藝卻鮮有報道。本文針對植物絕緣油本身的特性,并結合食用植物油間歇式精煉工藝的特點,對植物絕緣油精煉工藝進行簡要的介紹,為植物絕緣油的產業化及推廣應用提供參考。
1 原料油的選擇
     食用植物油主要成分是甘油三酯,不同種類的植物油所含的脂肪酸類型及含量有著較大的差異,其理化、電氣性能與脂肪酸的組成及含量有直接關系。飽和脂肪酸含量高的植物油化學性能穩定,但凝點高,流動性差;多不飽和脂肪酸含量高的植物油凝點低,但化學性能不穩定,易在空氣中氧化,單不飽和脂肪酸含量高的植物油是最佳選擇[12]。綜合考慮植物油的組成及生產成本,目前主要采用轉基因大豆油、轉基因菜籽油及山茶籽油等作為原料油進行植物絕緣油的生產。
2 植物絕緣油精煉工藝
     食用植物油間歇式精煉技術大體可以分為化學精煉和物理精煉,工藝比較成熟,可以滿足人們對食用油品質的需求。但若以食用植物油作為絕緣液體油,就必須全面提高其理化、電氣性能。通過優化和改進現有的食用植物油精煉工藝,可以使植物油滿足國外標準對植物絕緣油的要求,植物絕緣油主要性能指標要求[13]如表1所示。
    

表1 植物絕緣油主要指標要求


檢測項目 IEC 62770
燃點/℃ ≥300
閃點/℃ ≥250
酸值(KOH)/(mg/g) ≤0.06
擊穿電壓/kV ≥35
介質損耗因數/% ≤5
水分/(mg/L) ≤200
  酸值是指絕緣油中有機酸和無機酸的總和,是評定新油和運行油老化程度的重要指標。酸值增高會提高絕緣油的導電性,降低油的絕緣強度,加速固體絕緣材料老化,縮短設備的使用壽命。對于未使用過的礦物絕緣油酸值(KOH)一般要求小于0.03 mg/g,未使用過的植物絕緣油酸值(KOH)要求小于0.06 mg/g,但是大多數的一級食用植物油酸值(KOH)僅僅要求小于0.2 mg/g,遠不能達到植物絕緣油的要求。
     介質損耗因數是衡量絕緣油絕緣性能的一項重要指標。除了與油中所含水分有關外,介質損耗因數還與油中的金屬離子、膠體、微生物、有機酸及其他極性雜質的含量有關。
     擊穿電壓可以有效地考核絕緣油的電氣強度,可以有效衡量絕緣油在電氣設備內部耐受電壓能力[14]。當絕緣油中的水分、雜質和導電微粒的含量超過一定值時,就會導致其擊穿電壓大大下降,影響變壓器的安全穩定運行。
2.1 化學精煉工藝
     化學精煉工藝是目前植物油加工廠生產一級油采用的主要方法,適用性廣。主要流程為:原料油脫膠堿煉水洗真空脫水真空脫色過濾真空脫臭冷卻成品油。
     由于植物絕緣油精煉工藝還處于初級階段,連續式精煉工藝并沒有在植物絕緣油生產中應用。國內植物絕緣油精煉工藝均采用間歇式,目前國內最大的生產線可以達到年產1 500 t。植物絕緣油性能參數要求較高,間歇式精煉工藝可以使每個工序成為一個獨立的部分,有利于工藝調整與參數優化,可以有效改善植物絕緣油的性能參數。植物毛油經過上述傳統的間歇式植物油化學精煉工藝煉制的植物絕緣油性能指標如表2所示。

表2 傳統工藝煉制的植物絕緣油主要參數


檢測項目 植物毛油 植物絕緣油
酸值(KOH)/(mg/g) 1.22 0.068 9
介質損耗因數/% 37.3 6.56
擊穿電壓/kV 21.5 70.8
 
  由表2可以看出,植物毛油經過傳統工藝煉制后酸值和電氣性能得到了巨大的改善,但仍無法滿足植物絕緣油的要求。堿煉脫酸工藝可以有效降低油品的酸值和介質損耗因數。因此,引入二次堿煉脫酸工藝。即:原料油脫膠堿煉水洗真空脫水真空脫色過濾真空脫臭二次堿煉水洗真空脫水冷卻成品油。采用該精煉工藝后,植物絕緣油的理化、電氣性能完全能夠達到國外標準對植物絕緣油的要求,主要性能參數如表3所示。
    

表3 化學精煉工藝工業化批量生產的植物絕緣油性能參數


檢測項目 檢測結果
閃點/℃ 310
燃點/℃ 348
酸值(KOH)/(mg/g) 0.023 7
擊穿電壓/kV 77.9
介質損耗因數/% 0.43
 
2.2 物理-化學混合精煉工藝
     食用植物油物理精煉工藝主要包括脫膠、脫色及物理脫酸等。物理脫酸是借助甘油三酯和游離脂肪酸相對揮發度的不同,在高溫、高真空下直接蒸餾出游離脂肪酸、臭味物質、過氧化物、揮發性分解物、小分子物質及分解色素等物質的工藝,能夠顯著提高植物絕緣油的理化、電氣性能,但是并不能達到植物絕緣油的要求,仍需要對物理精煉工藝進行調整與優化。
     堿煉脫酸工藝可以有效提高植物絕緣油的理化、電氣性能,故可以在物理精煉工藝中引入該工序。“脫膠堿煉脫酸脫色物理脫酸”[15]和“脫膠脫色堿煉脫酸物理脫酸”兩種物理-化學混合精煉工藝均能夠有效降低植物絕緣油的酸值及介質損耗因數,基本可以達到植物絕緣油的要求。但最后的物理脫酸工序在高溫、高真空條件下會使得植物絕緣油分解并產生一定的極性物質,不利于電氣性能的改善,故物理脫酸工序不宜放在最后。
     將堿煉脫酸工序放在物理脫酸之后。即:原料油脫膠真空脫水過濾物理脫酸堿煉水洗真空脫水冷卻成品油。
     該精煉工藝不但可以有效避免物理脫酸產生的極性物質對植物絕緣油電氣性能的影響,還可以進一步提升植物絕緣油的整體性能,主要性能指標優于標準要求,具體檢測結果如表4所示。

表4 物理-化學混合精煉工藝工業化批量
生產的植物絕緣油性能參數


檢測項目 檢測結果
閃點/℃ 315
燃點/℃ 354
酸值(KOH)/(mg/g) 0.019 8
擊穿電壓/kV 80.5
介質損耗因數/% 0.489
 
3 結束語
     目前植物絕緣油精煉技術還處在初級階段,只是將間歇式油脂精煉技術進行了工藝調整與優化,比較單一,并沒有形成完整的工藝體系。將現有的植物油精煉工藝與植物絕緣油性能需求緊密有效地結合起來,可以不斷提高植物絕緣油的理化、電氣性能,突破國外的技術壁壘,促進我國植物絕緣油的產業化發展和植物絕緣油變壓器在電力系統的推廣應用,對保護生態環境、保障電網安全穩定運行具有重要的意義。
參考文獻:
[1] BERTRAND Y,HOANG L C. Vegetal oils as substitute for mineral oils [C]. Japan:Nagoya,2003:491-494.
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[5] 李劍,姚舒瀚,杜斌,等.植物絕緣油及其應用研究關鍵問題分析與展望[J].高電壓技術,2015,41(2):353 -363.
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[11] 姚玉靜,龔倩,朱雯冬,等.食用植物油精煉工藝探討[J].糧食與食品工業,2010,17(1):7-10.
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[13] IEC.Fluids for electrotechnical applications-unused natural ester for transformers and similar electrical equipment:IEC 62770-2013[S/OL]. [2016-02-21]. http://www.techstreet.com/standards/iec -62770-ed-1-0-b-2013? product_id=18694 22. 
[14] 徐君,張賢明,韓敏,等.絕緣油擊穿電壓實驗研究[J].變壓器,2008,45(3):59-62.
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