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间歇式植物绝缘油精炼工艺探讨

发布日期:2017-12-21 中国油脂网

杨 涛1,寇晓适1,张小勇2,王 吉1,王 天1,蒲兵舰1,王震宇1
(1.国网河南省电力公司 电力科学研究院,郑州 450052; 2.西安中粮工程研究设计院有限公司,西安 710082)


摘要:针对植物绝缘油的性能需求,对现有的食用植物油间歇式精炼工艺进行调整和优化。化学精炼工艺引入二次碱炼可以有效提高植物绝缘油的性能,酸值(KOH)达到0.03 mg/g以下,介质损耗因数小于0.5%。物理-化学混合精炼工艺不但可以有效避免物理脱酸产生的极性物质对植物绝缘油电气性能的影响,还可以进一步降低植物绝缘油的酸值。该研究旨在为促进我国植物绝缘油产业的发展提供参考。
关键词:植物绝缘油;脂肪酸;间歇式精炼工艺;介质损耗因数;击穿电压
中图分类号:TQ644.4;TM214    文献标识码:A

文章编号: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


  作为高燃点、易降解、可再生的绿色环保型液体绝缘介质,植物绝缘油被普遍认为是矿物绝缘油的良好替代品[1]。将植物绝缘油应用于变压器,可赋予变压器高燃点、环保、低噪声等优点,提高变压器的过载能力,延长变压器的使用寿命,有效缓解“返乡高负荷”等电网短期集中过负荷压力,保障电网的安全稳定运行。
     国外植物绝缘油的研制已有超过半个世纪的历史,主要产品有Cargill公司的Envirotemp FR3[2]、ABB公司的BIOTEMP[3]及M&I公司的MIDEL[4]等。这些产品性能优良,已在油浸式变压器中被广泛使用。2014年全球首台以FR3为绝缘介质的420 kV超高压油浸式变压器在Bruchsal-Kndelweg变电站成功投入运营[5]。
     由于国外的技术壁垒和价格垄断,我国植物绝缘油产业的发展和植物绝缘油变压器在电力系统的推广应用受到了一定的制约。自重庆大学于2000年率先开展植物绝缘油的研究以来,国内相继研制出满足标准且部分指标优于国外的植物绝缘油,例如重庆大学的RDB[6]、河南电科院的NP[7]及武汉南瑞的VinsOil[8]等,且均于2014年实现植物绝缘油工业化生产,减少了对国外植物绝缘油的依赖,填补了国内这一领域的空白。
     植物绝缘油的生产是建立在食用植物油精炼工艺基础上的[9-10]。关于植物油制备工艺相关的研究较多[11],但是关于植物绝缘油生产工艺却鲜有报道。本文针对植物绝缘油本身的特性,并结合食用植物油间歇式精炼工艺的特点,对植物绝缘油精炼工艺进行简要的介绍,为植物绝缘油的产业化及推广应用提供参考。
1 原料油的选择
     食用植物油主要成分是甘油三酯,不同种类的植物油所含的脂肪酸类型及含量有着较大的差异,其理化、电气性能与脂肪酸的组成及含量有直接关系。饱和脂肪酸含量高的植物油化学性能稳定,但凝点高,流动性差;多不饱和脂肪酸含量高的植物油凝点低,但化学性能不稳定,易在空气中氧化,单不饱和脂肪酸含量高的植物油是最佳选择[12]。综合考虑植物油的组成及生产成本,目前主要采用转基因大豆油、转基因菜籽油及山茶籽油等作为原料油进行植物绝缘油的生产。
2 植物绝缘油精炼工艺
     食用植物油间歇式精炼技术大体可以分为化学精炼和物理精炼,工艺比较成熟,可以满足人们对食用油品质的需求。但若以食用植物油作为绝缘液体油,就必须全面提高其理化、电气性能。通过优化和改进现有的食用植物油精炼工艺,可以使植物油满足国外标准对植物绝缘油的要求,植物绝缘油主要性能指标要求[13]如表1所示。
    

表1 植物绝缘油主要指标要求


检测项目 IEC 62770
燃点/℃ ≥300
闪点/℃ ≥250
酸值(KOH)/(mg/g) ≤0.06
击穿电压/kV ≥35
介质损耗因数/% ≤5
水分/(mg/L) ≤200
  酸值是指绝缘油中有机酸和无机酸的总和,是评定新油和运行油老化程度的重要指标。酸值增高会提高绝缘油的导电性,降低油的绝缘强度,加速固体绝缘材料老化,缩短设备的使用寿命。对于未使用过的矿物绝缘油酸值(KOH)一般要求小于0.03 mg/g,未使用过的植物绝缘油酸值(KOH)要求小于0.06 mg/g,但是大多数的一级食用植物油酸值(KOH)仅仅要求小于0.2 mg/g,远不能达到植物绝缘油的要求。
     介质损耗因数是衡量绝缘油绝缘性能的一项重要指标。除了与油中所含水分有关外,介质损耗因数还与油中的金属离子、胶体、微生物、有机酸及其他极性杂质的含量有关。
     击穿电压可以有效地考核绝缘油的电气强度,可以有效衡量绝缘油在电气设备内部耐受电压能力[14]。当绝缘油中的水分、杂质和导电微粒的含量超过一定值时,就会导致其击穿电压大大下降,影响变压器的安全稳定运行。
2.1 化学精炼工艺
     化学精炼工艺是目前植物油加工厂生产一级油采用的主要方法,适用性广。主要流程为:原料油脱胶碱炼水洗真空脱水真空脱色过滤真空脱臭冷却成品油。
     由于植物绝缘油精炼工艺还处于初级阶段,连续式精炼工艺并没有在植物绝缘油生产中应用。国内植物绝缘油精炼工艺均采用间歇式,目前国内最大的生产线可以达到年产1 500 t。植物绝缘油性能参数要求较高,间歇式精炼工艺可以使每个工序成为一个独立的部分,有利于工艺调整与参数优化,可以有效改善植物绝缘油的性能参数。植物毛油经过上述传统的间歇式植物油化学精炼工艺炼制的植物绝缘油性能指标如表2所示。

表2 传统工艺炼制的植物绝缘油主要参数


检测项目 植物毛油 植物绝缘油
酸值(KOH)/(mg/g) 1.22 0.068 9
介质损耗因数/% 37.3 6.56
击穿电压/kV 21.5 70.8
 
  由表2可以看出,植物毛油经过传统工艺炼制后酸值和电气性能得到了巨大的改善,但仍无法满足植物绝缘油的要求。碱炼脱酸工艺可以有效降低油品的酸值和介质损耗因数。因此,引入二次碱炼脱酸工艺。即:原料油脱胶碱炼水洗真空脱水真空脱色过滤真空脱臭二次碱炼水洗真空脱水冷却成品油。采用该精炼工艺后,植物绝缘油的理化、电气性能完全能够达到国外标准对植物绝缘油的要求,主要性能参数如表3所示。
    

表3 化学精炼工艺工业化批量生产的植物绝缘油性能参数


检测项目 检测结果
闪点/℃ 310
燃点/℃ 348
酸值(KOH)/(mg/g) 0.023 7
击穿电压/kV 77.9
介质损耗因数/% 0.43
 
2.2 物理-化学混合精炼工艺
     食用植物油物理精炼工艺主要包括脱胶、脱色及物理脱酸等。物理脱酸是借助甘油三酯和游离脂肪酸相对挥发度的不同,在高温、高真空下直接蒸馏出游离脂肪酸、臭味物质、过氧化物、挥发性分解物、小分子物质及分解色素等物质的工艺,能够显著提高植物绝缘油的理化、电气性能,但是并不能达到植物绝缘油的要求,仍需要对物理精炼工艺进行调整与优化。
     碱炼脱酸工艺可以有效提高植物绝缘油的理化、电气性能,故可以在物理精炼工艺中引入该工序。“脱胶碱炼脱酸脱色物理脱酸”[15]和“脱胶脱色碱炼脱酸物理脱酸”两种物理-化学混合精炼工艺均能够有效降低植物绝缘油的酸值及介质损耗因数,基本可以达到植物绝缘油的要求。但最后的物理脱酸工序在高温、高真空条件下会使得植物绝缘油分解并产生一定的极性物质,不利于电气性能的改善,故物理脱酸工序不宜放在最后。
     将碱炼脱酸工序放在物理脱酸之后。即:原料油脱胶真空脱水过滤物理脱酸碱炼水洗真空脱水冷却成品油。
     该精炼工艺不但可以有效避免物理脱酸产生的极性物质对植物绝缘油电气性能的影响,还可以进一步提升植物绝缘油的整体性能,主要性能指标优于标准要求,具体检测结果如表4所示。

表4 物理-化学混合精炼工艺工业化批量
生产的植物绝缘油性能参数


检测项目 检测结果
闪点/℃ 315
燃点/℃ 354
酸值(KOH)/(mg/g) 0.019 8
击穿电压/kV 80.5
介质损耗因数/% 0.489
 
3 结束语
     目前植物绝缘油精炼技术还处在初级阶段,只是将间歇式油脂精炼技术进行了工艺调整与优化,比较单一,并没有形成完整的工艺体系。将现有的植物油精炼工艺与植物绝缘油性能需求紧密有效地结合起来,可以不断提高植物绝缘油的理化、电气性能,突破国外的技术壁垒,促进我国植物绝缘油的产业化发展和植物绝缘油变压器在电力系统的推广应用,对保护生态环境、保障电网安全稳定运行具有重要的意义。
参考文献:
[1] BERTRAND Y,HOANG L C. Vegetal oils as substitute for mineral oils [C]. Japan:Nagoya,2003:491-494.
[2] Cargill. Envirotemp FR3 fluids[EB/OL]. [2016-01-20]. http:// www.cargill.com/products/industrial/dielectric-ester-fluids/ envirotemp-fr3 /index.jsp.
[3] SULEIMAN A A,MUHAMAD N A B. Feasibility study on the use of vegetable oil(natural ester) in Malaysia power system transformers[J]. Transactions Electric Electron Mat,2014,15(3):113-116.
[4] M&I. MEDEL eN[EB/OL]. [2016-01-20]. http://www.midel.com/ cn/ productsmidel/midel-en.
[5] 李剑,姚舒瀚,杜斌,等.植物绝缘油及其应用研究关键问题分析与展望[J].高电压技术,2015,41(2):353 -363.
[6] LI J,ZHANG Z T,ZOU P,et al. Preparation of a vegetable oil-based nanofluid and investigation of its breakdown and dielectric properties[J].IEEE Electric Insul Magazine,2012,28(5):43-50.
[7] 杨涛,张小勇,王天,等.新型高燃点环保型液体绝缘介质——植物绝缘油[J].中国油脂,2016,41(11):41-45. 
[8] 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司. VinsOil植物绝缘油[EB/OL]. [2016-01-20]. http://kjfw.cec. org.cn/ jianding tongbao/ jiandingtongbao/2014-05-08/ 121420.html.
[9] 孙大贵,杨凤,刘作华,等.植物绝缘油的制备及电气性能研究[J].中国油脂,2010,35(11):36-39.
[10] 胡婷,吴义华,周竹君,等.植物绝缘油碱炼工艺的优化[J].绝缘材料,2012,45(4):60 -63.
[11] 姚玉静,龚倩,朱雯冬,等.食用植物油精炼工艺探讨[J].粮食与食品工业,2010,17(1):7-10.
[12] 李勇.山茶籽绝缘油的电气及抗氧化性能研究[D].重庆:重庆大学,2007.
[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,张贤明,韩敏,等.绝缘油击穿电压实验研究[J].变压器,2008,45(3):59-62.
[15] 潘逢博,严有兵,万辉,等.食用植物油精炼技术在生产植物绝缘油中的应用研究[J].粮食与食品工业,2015,22(1):36-38.

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