加氫變壓器油

加氫變壓器油是指採用加氫工藝，分別是加氫裂化、加氫異構脫蠟和加氫補充精製而成的變壓器油。

基本介紹

• 中文名：加氫變壓器油
• 外文名：Hydrogenated transformer oil
• 類型：變壓器輔助品
• 關鍵：加氫工藝
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

變壓器油的作用

利用電磁感應原理把交流電壓升高或降低的設備在電力系統中稱為變壓器 。變壓器油，有時也稱為電器絕緣油，是指適用於變壓器、電抗器、互感器、套管、油開關等充油電氣設備，起絕緣、冷卻和滅弧作用的一類絕緣油品 。

變壓器油是電力系統中重要的液體絕緣介質，它們猶如機器中的血液，它們質量的好壞直接影響發、供電設備的安全、經濟運行 。電氣設備所注入的變壓器油，其運行的安全可靠性又與它的基本特性緊密聯繫，這些特性將會影響變壓器油功能的正常發揮。變壓器油主要具有以下三大功能

1）絕緣作用

變壓器油具有比空氣高得多的絕緣強度，在電氣設備中，變壓器油可將不同電位(勢)的帶電部分隔離開來，避免形成短路，假若變壓器的繞組暴露在空氣中，則變壓器運行時很快就會被擊穿。但若變壓器的鐵芯和繞組都浸在變壓器油中，使其與空氣和潮氣隔絕，則設備的絕緣強度增加，就不容易被擊穿，同時隨著油品質量的提高，設備將具有更高的安全可靠性。所以為保證變壓器器的安全運行，變壓器油必須具有優良的絕緣性能。

2)散熱作用

變壓器在運行過程中，由於繞組有電流通過，繞組的“銅耗”和“鐵芯損耗”均會發熱而產生熱量，這些熱量如果不能得到及時有效的消除，將會使鐵芯內部溫度升高，損壞包覆在外層的固體絕緣，最終導致繞組燒毀。變壓器油的比熱大，運動粘度低，傳熱性能良好。變壓器損耗產生的熱量可藉助熱傳導經固體絕緣材料或直接傳遞給變壓器油，變壓器油通過藉助自身的對流或外部強迫循環而使熱量散發出來。所以散熱作用是變壓器油的主要功能之一。

3)消弧作用

變壓器和斷路器的有載調壓開關在切換時，其觸頭之間會產生電弧。高溫電弧使變壓器油熱分解而產生大量的氫氣，由於氫氣的導熱係數較大，可以迅速吸熱，並及時將熱量傳遞至油品中，從而冷卻觸頭，很好地起到消弧的作用。

變壓器油的化學組成

電力設備中所使用的變壓器油主要是由天然石油煉製而成。石油的化學組分十分複雜，導致變壓器油的化學組成也很複雜。變壓器油大概含有2900多種化合物，這些化合物基本上可以分為烷烴、環烷烴和芳香烴三類

烷烴的分子結構呈直線或分枝型。直線型烷烴稱之為石蠟。從化學觀點來看，烷烴具有較穩定的化學安定性、高閃點和其它優越的性質。但直鏈型烷烴的低溫流動性差，即凝點較高。所以含直鏈烷烴的變壓器油被冷卻到一定溫度時，其自由流動就會受阻，這極大限制了在地域上的廣泛套用。

環烷烴的分子結構比較複雜，有單環、雙環和多環，並帶有烷基側鏈。環烷烴具有優良的低溫流動性和很低的傾點，並會使製得的油品具有良好的熱穩定性和化學安定性，是電力用油的主要理想成分之一。

芳香烴可分為對稱結構的芳烴(如苯、蔡、蔥)和帶側鏈的芳烴(如甲苯)。芳香烴比環烷烴的化學性質活潑，它們的活潑性是由側鏈的數量和大小決定的。芳烴可以改善變壓器油的析氣性 自從，但它容易老化生成沉澱，使變壓器油的顏色變深。

不飽和烴的氧化安定性差，是油品的有害成分，所以在煉製中應完全從油中除去。此外變壓器油中還含有非烴化合物，如含硫化合物、含氮化合物、含氧化合物及膠質等，它們對變壓器油產品的質量和使用均有不同程度的不良影響，一般應在煉製過程中儘量除去。

變壓器油的性能與其組成是密切相關的。要使變壓器油在設備中很好地發揮作用，保證設備安全運行，就需保證油品的電氣、理化性質和使用性能達到一定的要求。例如，為了延長變壓器的使用壽命，減緩變壓器油的老化，要求變壓器油具有良好的氧化安定性;為了減少變壓器油在使用時的蒸發，降低火災的危險性，要求變壓器油具有較高的閃點 ;為了使變壓器油起到良好的冷卻散熱作用，要求變壓器油具有適宜的運動勃度和粘溫性能(勃度隨溫度變化的性質);為了使變壓器油起到良好的絕緣作用，要求變壓器油具有優良的電氣性能，如較高的擊穿耐壓、較小的介質損耗因數等。

變壓器油的煉製工藝

一般石油的加工步驟為:原油預處理，以除去油中水分、雜質及鹽類;蒸餾，包括常壓蒸餾和減壓蒸餾，切取餾分油;精製，以除去油中有害成分，得到半成品或基礎油;調製，以改善油品的某些指標和質量，如添加合適的添加劑等，最後得到成品油。

變壓器油的煉製工藝流程一般有以下三種 “ :

（1）原油的預處理、低凝原油常減壓蒸餾、溶劑精製、白土補充精製、過濾、加抗氧化劑。

（2）原油的預處理、原油常減壓蒸餾、溶劑精製、脫蠟、加氫補充精製、白土精製、過濾、加抗氧化劑。

(3)原油的預處理、原油常減壓蒸餾、脫蠟、硫酸精製、白土補充精製、白土精製、過濾、加抗氧化劑。

石蠟基變壓器油由於具有較高含量的長直鏈烴和非飽和烴，導致其在低溫流動性、抗氧化性能方面明顯差於環烷基變壓器油。因此，如果能從根本上降低長直鏈烴和非飽和烴的含量，將可能從劣質、廉價、來源廣泛的石蠟基油出發，研製出性能更加優良的非環烷基變壓器油。

目前，變壓器油的煉製工藝主要分為3種。一是物理加工路線，通常是“溶劑精製一溶劑脫蠟一白土補充精製”。二是化學加工路線，其工藝結構是“加氫裂化一催化脫蠟一加氫精制”。三是物理一化學聯合加工路線。純粹的物理加工工藝不可能從根本上改變烴類組成，物理一化學聯合加工路線也主要是針對以環烷基原油為原料的變壓器油。因此，本研究以非環烷基原油為原料，嘗試採用“加氫裂化一加氫異構脫蠟一加氫補充精製”全加氫工藝研製變壓器油。通過加氫工藝改變烴類組成，降低直鏈烷烴分子量和烯烴含量，從而提高非環烷基變壓器油的性能指標。

加氫變壓器油的研製

加氫變壓器油的研製改變了傳統煉油模式。通過採用全加氫工藝，從非環烷基原油生產API n類基礎油，也可生產API m類基礎油。對應的工藝路線為“加氫裂化一加氫異構脫蠟一加氫補充精製”。

加氫裂化主要發生加氫脫硫、加氫脫氮、加氫脫氧以及烯烴和芳烴的加氫飽和反應，此外還有少量的開環、斷鏈和縮合反應，從而改善基礎油的粘溫性能以及有效降低基礎油的硫、氮、氧等雜質含量。加氫異構脫蠟是有選擇性地將原料中的正構烷烴和少許帶側鏈的烷烴轉化成理想的異構烷烴，從而改善基礎油的傾點。加氫補充精製可進一步降低基礎油中的硫、氮、氧等雜質含量，並通過少量的芳烴飽和，從而改善基礎油的光安定性和氧化安定性。

加氫裂化

加氫裂化是指通過加氫反應使原料中的長鏈分子變短的一些加氫過程。在具有裂化和加氫兩種功能的催化劑的作用下，非烴類化合物進行加氫轉化，烷烴、烯烴進行裂化，多環化合物通過開環等反應最終轉化為單環化合物.

原油中烷烴在加氫裂化過程中可通過p鍵斷裂和異構化反應生成短鏈烷烴，降低原油的勃度。其反應式如下:

在加氫裂化條件下，多環芳烴的反應十分複雜，所發生的反應有逐步加氫、開環(異構)、脫烷基等一系列平行和順次反應。

在加氫裂化過程中，還發生了加氫脫硫、加氫脫氮、加氫脫氧反應，從而降低變壓器油的硫、氮、氧含量。通過以下反應式舉例簡示。

加氫異構脫蠟

脫蠟是變壓器油基礎油煉製過程中的一個重要環節，目的是從潤滑油餾分中，分離出在低溫下易從油中析出，且熔點較高的結晶狀烴類，以降低油品的傾點，提高油品在低溫使用條件下的流動性。

異構脫蠟的原理是，在由具有加氫作用的金屬組分和擇形選擇性的沸石(酸性)載體組成的特定分子篩催化劑的催化下，有選擇性地將原料中的正構烷烴和少許帶側鏈的烷烴轉化成理想的異構烷烴和環烷烴。通過上述的異構化反應，將高傾點的正構烷烴轉化成低傾點的、低溫流動性較好的支鏈烷烴，從而改善基礎油的傾點。為保證產品有合適的傾點及收率，在異構脫蠟的工藝中，應保持催化劑的加氫和酸性中心的平衡。如果酸性功能過強，則生成的異構烯烴會由於裂化反應而導致產品收率下降;如果加氫功能過強，則在加氫中心上生成的烯烴來不及轉移到酸性中心上異構，就已飽和成烷烴，不能有效地降凝。

異構脫蠟的優點是，當基礎油的傾點相同時，收率高於溶劑脫蠟，同時突破了受原油種類限制的瓶頸，能夠以非環烷基原油為原料，煉製出性能優良的基礎油，大幅度降低了變壓器油的傾點。同催化脫蠟比，異構脫蠟副產品少，潤滑油收率和勃度指數高。

加氫補充精製

加氫補充精製是指在保持油品分子骨架結構不發生變化或者變化很小的情況下，將雜質脫除，以達到改善油品質量為目的的加氫反應。加氫補充精製可進一步降低基礎油中的硫、氮、氧等雜質含量，並通過少量的芳烴飽和，從而改善基礎油的光安定性和氧化安定性。

調和

通過加氫工藝研製加氫基礎油後，還需添加合適的抗氧化劑和金屬鈍化劑，這是製取加氫變壓器油的最後工序。

加氫工藝的優勢

採用加氫工藝，分別是加氫裂化、加氫異構脫蠟和加氫補充精製，與傳統的一段加氫工藝存在本質的不同。由於非環烷基原油含有大量的直鏈烷烴，如果採用傳統的加氫工藝，將不能有效降低變壓器油的傾點，低溫流動性差，這也是一直以來非環烷基原油沒有受到重視的主要原因。

通過本研究的加氫裂化可使原油中的直鏈烷烴轉化為短鏈烷烴，使烯烴和芳烴飽和，改善基礎油的勃溫性能以及有效降低基礎油的硫、氮、氧等雜質含量。而異構脫蠟的優點是在基礎油傾點相同時，收率高於溶劑脫蠟，同時突破了受原油種類限制的瓶頸，能夠以非環烷基原油為原料，煉製出性能優良的基礎油，大幅度降低了變壓器油的傾點。同催化脫蠟相比異構脫蠟副產品少，潤滑油收率和勃度指數高。最後一段的加氫補充精製可進一步去除變壓器油中的硫氮化合物，達到改善油品質量的目的。同時，由於本工藝採用全段加氫，不需採用鹼液和脫酸劑，不會產生酸渣、鹼渣，屬於環境友好型工藝。