基於化學吸附原理的除酸過濾係統在電力設備中的應用 一、引言：電力設備運行中酸性物質的危害 在現代電力係統中，絕緣油作為變壓器、斷路器等關鍵電氣設備的重要組成部分，其性能直接影響到設備的安全...
基於化學吸附原理的除酸過濾係統在電力設備中的應用
一、引言：電力設備運行中酸性物質的危害
在現代電力係統中，絕緣油作為變壓器、斷路器等關鍵電氣設備的重要組成部分，其性能直接影響到設備的安全穩定運行。然而，在長期運行過程中，由於氧化反應、水分侵入以及局部放電等因素，絕緣油會逐漸產生有機酸、無機酸及其他腐蝕性物質，這些酸性物質不僅降低了油品的絕緣性能，還可能對金屬部件造成嚴重腐蝕，進而引發設備故障甚至事故。
為了解決這一問題，近年來基於化學吸附原理的除酸過濾係統（Acid Removal Filtration System Based on Chemical Adsorption）被廣泛應用於電力設備維護領域。該係統通過高效吸附劑材料選擇性地去除油中酸性成分，顯著延長了設備壽命，並提升了係統的運行可靠性。
本文將從化學吸附的基本原理出發，結合國內外研究進展，詳細分析該技術在電力設備中的具體應用、產品參數、實際案例及未來發展趨勢，並引用多篇權威文獻以增強論述的科學性和參考價值。
二、化學吸附的基本原理與機製
2.1 吸附的分類
吸附是固體表麵捕獲氣體或液體分子的過程，主要分為物理吸附和化學吸附兩種類型：
| 類型 | 特點 | 結合力 | 可逆性 |
|---|---|---|---|
| 物理吸附 | 分子間作用力（範德華力） | 弱 | 易脫附 |
| 化學吸附 | 形成化學鍵 | 強 | 難脫附 |
在除酸係統中，通常采用的是具有強親和力的堿性吸附劑，如活性氧化鋁、矽膠、氫氧化鈣等，它們能與酸性物質發生化學反應並形成穩定的鹽類，從而實現酸性物質的永久去除。
2.2 化學吸附過程模型
常見的化學吸附過程包括以下幾個階段：
- 擴散：酸性物質從油體擴散至吸附劑表麵；
- 表麵反應：酸性物質與吸附劑表麵活性位點發生化學反應；
- 產物生成：形成不溶性鹽類或其他穩定化合物；
- 內擴散：反應產物進入吸附劑內部孔隙結構。
此過程可由Langmuir吸附等溫式或Freundlich模型進行描述：
-
Langmuir公式：
$$
qe = frac{q{text{max}} K C_e}{1 + K C_e}
$$
其中，$ qe $ 為平衡吸附量，$ q{text{max}} $ 為大吸附容量，$ K $ 為吸附常數，$ C_e $ 為平衡濃度。 -
Freundlich公式：
$$
q_e = K_f C_e^{1/n}
$$
上述模型已被廣泛用於評估吸附劑對酸性物質的吸附性能（Liu et al., 2018；Zhang et al., 2020）。
三、除酸過濾係統的組成與工作原理
3.1 係統組成
基於化學吸附原理的除酸過濾係統一般由以下幾部分構成：
| 組成模塊 | 功能描述 |
|---|---|
| 吸附濾芯 | 核心組件，填充堿性吸附劑材料 |
| 油循環泵 | 推動絕緣油在係統中循環流動 |
| 控製單元 | 監測溫度、壓力、酸值等參數 |
| 安全閥 | 防止過壓損壞係統 |
| 冷卻裝置 | 控製油溫，防止高溫影響吸附效率 |
3.2 工作流程
- 絕緣油從設備中抽出；
- 通過吸附濾芯時，酸性物質與吸附劑發生化學反應；
- 被淨化的油返回設備；
- 控製單元實時監測油質變化；
- 達到設定條件後自動報警或更換濾芯。
四、常用吸附劑材料及其性能比較
吸附劑材料的選擇直接影響係統的除酸效率和使用壽命。目前常用的吸附劑包括活性氧化鋁、矽膠、氫氧化鎂、氫氧化鈣、天然沸石等。
| 吸附劑類型 | 主要成分 | pH範圍 | 吸附容量（mg/g） | 優點 | 缺點 |
|---|---|---|---|---|---|
| 活性氧化鋁 | Al₂O₃ | 9–10 | 10–20 | 吸附能力強，穩定性好 | 成本較高 |
| 矽膠 | SiO₂ | 7–8 | 5–10 | 吸附速度快 | 易受潮失效 |
| 氫氧化鈣 | Ca(OH)₂ | 12–13 | 15–25 | 成本低，來源廣 | 易結塊，流動性差 |
| 氫氧化鎂 | Mg(OH)₂ | 10–11 | 10–18 | 環保無毒 | 吸附速率較慢 |
| 天然沸石 | 矽鋁酸鹽礦物 | 8–9 | 8–15 | 孔隙結構豐富 | 吸附選擇性較低 |
研究表明，複合型吸附劑（如Al₂O₃-CaO混合物）在提高吸附容量和降低再生難度方麵表現出良好前景（Wang et al., 2021）。
五、典型產品參數與選型指南
以下為幾種市場上主流的除酸過濾係統的技術參數對比：
| 型號 | 製造商 | 大處理流量（L/min） | 吸附劑種類 | 酸值降低率（%） | 運行溫度範圍（℃） | 適用設備類型 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ARFS-200 | ABB | 200 | 活性氧化鋁 | ≥85 | 40–80 | 變壓器、GIS |
| ERF-TX | Siemens | 150 | 矽膠+Ca(OH)₂ | ≥80 | 30–70 | 斷路器 |
| Puraclean 300 | Hydac | 300 | 複合吸附劑 | ≥90 | 50–90 | 高壓套管 |
| OilPure ACID | Pall | 100 | 改性矽膠 | ≥75 | 40–60 | 中小型變壓器 |
| Filtrex AC | Parker | 250 | 沸石+Mg(OH)₂ | ≥82 | 45–75 | 電抗器 |
選型時應考慮如下因素：
- 設備容量與油體積；
- 油中初始酸值；
- 運行環境溫度；
- 是否需要在線連續處理；
- 吸附劑更換周期與成本。
六、在電力設備中的應用實例
6.1 在變壓器中的應用
變壓器絕緣油在長期運行中易因氧化而產生羧酸類物質，導致酸值升高。某220kV變電站使用ABB的ARFS-200係統進行在線除酸處理，結果顯示：
| 參數 | 處理前 | 處理後 | 改善幅度 |
|---|---|---|---|
| 酸值（mgKOH/g） | 0.52 | 0.08 | ↓84.6% |
| 擊穿電壓（kV） | 38 | 52 | ↑36.8% |
| 介質損耗角正切（tanδ） | 0.012 | 0.006 | ↓50% |
數據表明，除酸處理有效恢複了油的介電性能，提高了設備運行安全性。
6.2 在GIS（氣體絕緣開關設備）中的應用
GIS設備中使用的SF₆氣體在電弧作用下可能分解出HF、SO₂F₂等強酸性物質，腐蝕設備內部金屬結構。某110kV GIS站采用Siemens的ERF-TX係統進行油中酸性物質清除，配合氣體純化裝置，取得了良好的協同效果。
七、除酸係統的運行與維護管理
7.1 運行監控指標
為了確保除酸係統的高效運行，需定期監測以下指標：
| 指標名稱 | 推薦檢測頻率 | 正常範圍 |
|---|---|---|
| 油中酸值 | 每月一次 | ≤0.1 mgKOH/g |
| 吸附劑飽和度 | 每季度一次 | ≤80% |
| 溫度 | 實時監控 | 40–80℃ |
| 壓力損失 | 實時監控 | ≤0.2 MPa |
| 擊穿電壓 | 每半年一次 | ≥45 kV |
7.2 吸附劑更換與再生
吸附劑在吸附一定量酸性物質後會達到飽和狀態，需及時更換或再生。不同吸附劑的再生方式如下：
| 吸附劑類型 | 再生方法 | 效果評價 |
|---|---|---|
| 活性氧化鋁 | 熱風幹燥法（200–300℃） | 可恢複80%以上活性 |
| 氫氧化鈣 | 酸洗+煆燒 | 成本高，再生困難 |
| 矽膠 | 烘幹脫水 | 效果較好，但易碎裂 |
| 沸石 | 高溫焙燒 | 可多次再生 |
建議根據廠家指導手冊製定合理的更換周期，避免因吸附劑失效而導致除酸效率下降。
八、國內外研究進展與技術創新
8.1 國外研究現狀
國外在除酸過濾係統方麵的研究起步較早，尤其以德國、美國和日本為代表。例如：
- ABB公司開發的Guardian係列除酸係統，采用模塊化設計，支持遠程監控；
- Siemens推出的Oil Guardian係統集成了pH值、酸值、含水量等多項監測功能；
- 美國Pall公司研發的NanoClear技術，利用納米級吸附材料提升吸附效率。
8.2 國內研究進展
我國近年來在該領域的研究也取得長足進步：
- 華東電力試驗研究院研製的DFJ-III型動態除酸裝置已在多個500kV變電站投入使用；
- 中國電科院提出“吸附-催化聯合除酸”新思路，提高了酸性物質的去除深度；
- 清華大學材料學院與南方電網合作開發了複合型改性吸附劑，在實驗室條件下酸值去除率達95%以上（Li et al., 2022）。
8.3 技術創新方向
未來除酸係統的發展趨勢主要包括：
- 開發更高比表麵積、更強吸附能力的新型吸附材料；
- 實現智能化控製與遠程診斷；
- 提高吸附劑再生效率，降低成本；
- 推動除酸與其他油處理技術（如脫水、脫氣）一體化集成。
九、經濟效益與環境效益分析
9.1 經濟效益
使用除酸係統可顯著延長變壓器等設備的檢修周期，減少停電損失和維修費用。據國家電網測算：
| 項目 | 未使用除酸係統 | 使用除酸係統 | 差異 |
|---|---|---|---|
| 年均維修費用（萬元） | 12 | 6 | ↓50% |
| 檢修次數（次/年） | 3 | 1 | ↓66.7% |
| 設備壽命延長（年） | – | +5~8 | +顯著 |
9.2 環境效益
除酸係統有助於減少廢油排放，降低環境汙染風險。每台變壓器每年可減少約10%的廢油產生量，符合綠色電力發展的要求。
十、結論與展望
隨著電力係統向高電壓、大容量、智能化方向發展，絕緣油的品質管理愈發重要。基於化學吸附原理的除酸過濾係統作為一種高效、環保、經濟的技術手段，已在各類電力設備中展現出良好的應用前景。未來，隨著新材料、新工藝和智能控製技術的不斷融合，該係統將在保障電網安全、提升運維效率方麵發揮更大作用。
參考文獻
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Liu, Y., Zhang, J., & Wang, H. (2018). Adsorption behavior of organic acids in transformer oil by modified alumina. Industrial & Engineering Chemistry Research, 57(12), 4325–4332.
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Zhang, L., Chen, X., & Li, M. (2020). Kinetic and thermodynamic studies on acid removal from insulating oil using silica gel. Journal of Colloid and Interface Science, 564, 152–160.
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Wang, Q., Zhao, R., & Sun, Y. (2021). Development of composite adsorbents for acid removal in power equipment. Chinese Journal of Chemical Engineering, 29(3), 456–464.
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Li, J., Hu, T., & Zhou, W. (2022). Performance evalsuation of a novel acid removal system for high-voltage transformers. Electric Power Science and Engineering, 38(4), 23–29.
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Siemens Energy. (2020). Oil Guardian – Transformer Oil Treatment Solutions. Retrieved from http://www.siemens-energy.com
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國家電網公司. (2021). 電力設備絕緣油運行維護導則. 北京：中國電力出版社.
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IEEE C57.106-2019. Guide for Acceptance and Maintenance of Insulating Mineral Oil in Electrical Equipment. IEEE Standards Association.
（全文共計約4200字）
