Elektrostatyczne oczyszczanie olejów izolacyjnych smarowych i hydraulicznych

Wprowadzenie

O bezpiecznej i długotrwałej pracy węzłów tarcia albo układów regulacji maszyn oraz o stanie izolacji uzwojeƒ transformatorów decyduje w bardzo dużym stopniu stan zanieczyszczenia i zużycia stosowanych olejów mineralnych. Spośród wielu metod oczyszczania olejów elektroizolacyjnych, smarowych i hydraulicznych, szczególne znaczenie przypisuje się metodzie elektrostatycznej. W porównaniu z innymi metodami pozwala ona nie tylko na usuwanie występujących zanieczyszczeƒ stałych i wody, ale również na eliminowanie zanieczyszczeƒ rozpuszczalnych w olejach, o budowie polarnej. Oczyszczanie elektrostatyczne wpływa na wydłu- żenie czasu pracy olejów, zapobiega stanom awaryjnym maszyn oraz urządzeƒ, a także znacznie wydłuża okresy pomiędzy wymianą oleju. Stosowanie urządzeƒ elektrostatycznego oczyszczania olejów jest ekonomiczne i ekologiczne.

Metody oczyszczania olejów

Współcześnie w budowie maszyn istotne jest doskonalenie konstrukcji zgodnie z oczekiwaniami użytkowników. Jeśli przyjąć, że oleje stanowią jeden z elementów budowy w maszynach i urządzeniach, to nieodzowne są odpowiednie działania, także profilaktyczne, nie tylko przy zapełnianiu urządzeƒ, ale także i podczas ich eksploatacji. Często znane metody preparowania i oczyszczania olejów nie są wystarczające, a nawet mogą wpływać na gorszą jakość wyrobów, powodować awarie i kosztowne przerwy w produkcji. Obecnie użytkownicy maszyn i urządzeƒ wykorzystują wiele sposobów oczyszczania i preparowania olejów mineralnych (tab. I) są to m.in.:

Metoda filtracji (filtry) z wykorzystaniem materiałów porowatych, na których osadzają się zanieczyszczenia, tworząc warstwę filtracyjną.
Metoda działania sił odśrodkowych (wirówki), w których wykorzystuje się różnice ciężarów pomiędzy zanieczyszczeniami a medium pod wpływem działania sił odśrodkowych.
Metoda odparowania i odgazowania (wyparki); tu stosuje się rozpylenie najczęściej podgrzanego oleju pod obniżonym ciśnieniem, co gwarantuje usuwanie rozpuszczonych gazów, wody, lotnych produktów starzenia i ewentualnie rozpuszczalników.
Metody sit molekularnych (sita molekularne) wykorzystujące właściwości glinokrzemianów do selektywnego zatrzymywania cząstek wody.
Metody magnetyczne (filtry magnetyczne) do zatrzymywania wszelkiego rodzaju zanieczyszczeƒ o podatności magnetycznej.
Metody elektrostatyczne (separatory elektrostatyczne) oparte na oddziaływaniu pola elektrostatycznego na wszelkiego rodzaju zanieczyszczenia mechaniczne (ciała obce) oraz rozpuszczone substancje polarne, znajdujące się w cieczach dielektrycznych (oleje mineralne, poliglikole itp.) i osadzane na elektrodach.

Z analizy metod oczyszczania olejów wynika, że nie istnieje uniwersalny sposób na rozwiązanie wszystkich problemów eksploatacji olejów elektroizolacyjnych, smarowych i hydraulicznych. Niewątpliwie jednak na wyróżnienie zasługuje metoda elektrostatycznego oczyszczania olejów (ELC).

Zasady elektrostatycznego oczyszczania olejów

W procesie oddziaływania pola elektrostatycznego na ciecze o właściwościach dielektryków obserwuje się częściowe pochłanianie energii pola elektrycznego przez cząstki polarne i pseudopolarne (elektryzowane zewnętrznie). Cząsteczki z ładunkiem elektrycznym osądzają się na odpowiednich elektrodach, co w konsekwencji oznacza oczyszczenie dielektryka z zanieczyszczeƒ. Nagromadzone zanieczyszczenia na elektrodach, osadzone na powierzchni kolektorów (warstwa adsorpcyjna, cartridge) są usuwane z kondensatora przez od- łączenie od napięcia i opróżnienie albo wymianę kolektorów [1], [2], [3]. Stopieƒ oczyszczenia olejów zależy m.in. od natężenia pola elektrycznego i prędkości przepływu oleju. Najczęściej napięcie prądu stałego na elektrodach waha się w granicach 8 do 18 kV, przy natężeniu prądu od 0,1 do 20 mA. Metoda elektrostatyczna nie jest przydatna natomiast do oczyszczania roztworów wodnych, emulsji olejowo-wodnych, itp. Schemat oczyszczania ciekłych elektryków w polu elektromagnetycznym pokazano na rysunku.

Metoda elektrostatycznego oczyszczania olejów transformatorowych

Zanieczyszczenie podczas transportu, magazynowania i eksploatacji olejów elektroizolacyjnych wpływa na ich gorsze cechy użytkowe. Najczęściej dochodzi wówczas do przypadkowego zanieczyszczenia cząstkami mechanicznymi (pyły, piasek, produkty korozji) i do wystąpienia skroplin. W wyjątkowych sytuacjach dochodzi też do zanieczyszczenia oleju świeżego olejem starym. Warto przypomnieć w tym miejscu, że oleje zalane do transformatorów oprócz zanieczyszczeƒ mechanicznych (ciała obce) zawierają:

wodę (z otoczenia oraz procesów starzenia oleju i izolacji stałej);
kwasy (organiczne z utleniania węglowodorów);
mydła (produkty reakcji kwasów organicznych z metalami);
substancje żywiczne (z reakcji utleniania i kondensacji węglowodorów aromatycznych zawartych w oleju oraz z wymywania żywic impregnacyjnych z izolacji stałej).

Obowiązujące przepisy określają jednoznacznie zawartość zanieczyszczeƒ w olejach transformatorowych. Określenie jakości olejów, czyli stanu ich czystości wymaga pomiarów: zawartości wody, napięcia przebicia, liczby kwasowej, współczynnika strat dielektrycznych, napięcia powierzchniowego, stałą dielektryczną i współ- czynnik załamania światła [4], [5]. Ze względu na charakter i skuteczność oddziaływania stałego pola elektrycznego na zanieczyszczenia zawarte w dielektrykach, elektrostatyczne oczyszczanie zastosowano do oczyszczania olejów w transformatorach [1], [6], [7]. Do oczyszczania tego typu olejów stosuje się separatory elektrostatyczne (ELC – electrostatic cleaning) produkowane m.in. przez firmę Kleentek Co. [8].

Wykonane wspólnie z OPA-CARBO i RUT-Będzin próby oczyszczania czterech olejów transformatorowych za pomocą urządzenia ELC-R3SP potwierdziły przydatność opisywanej metody. W stosunkowo krótkim czasie nastąpiła znacząca poprawa cech izolacyjnych oleju (tg δ, ρ i napięcie przebicia), także chemicznych (liczba kwasowa) i fizycznych (usunięcie zanieczyszczeƒ mechanicznych i zmiana barwy) (tab. II). Dobrą skuteczność metody elektrostatycznego oczyszczania olejów transformatorowych potwierdzają również oznaczenia zanieczyszczeƒ w postaci cząstek stałych, których wartość według skali ISO stabilizuje się na poziomie 10/7/0 [7].

Metoda elektrostatycznego oczyszczania przydatna jest do preparowania nowych i eksploatowanych olejów transformatorowych. Interesująca jest zwłaszcza moż- liwość wykorzystania urządzeƒ elektrostatycznych do oczyszczania olejów zawartych w pracujących transformatorach. Pozwala to nie tylko na usunięcie z olejów zanieczyszczeƒ i skroplin, ale także na ich regenerację i eliminowanie produktów starzenia. Możliwość poprawy cech dielektrycznych oleju automatycznie wpływa na stan izolacji transformatora, zatem można mówić o elektrostatycznej metodzie poprawy stanu izolacji transformatorów. Ponieważ wymiana oleju w transformatorach nie oznacza jednocześnie usuwania zużytego oleju z izolacji uzwojeƒ, zatem w stosunkowo krótkim czasie dochodzi do pogorszenia jego cech dielektrycznych. Urządzenie elektrostatyczne podłączone do pracujących transformatorów usuwa stary olej z izolacji uzwojeƒ i przerywa proces samozanieczyszczania się.

Metoda elektrostatycznego oczyszczania olejów smarowych i hydraulicznych

Oddziaływanie pola elektrostatycznego opisano na przykładzie oleju transformatorowego. Inne są natomiast wymagania jakościowe jeśli idzie o oleje smarowe i hydrauliczne ze względu na różne ich zastosowanie oraz różnorodne funkcje. Dla olejów do turbin parowych i gazowych z generatorami elektrycznymi oraz olejów hydraulicznych istotne znaczenie mają zawartość zanieczyszczeƒ mechanicznych, wody i odporność na starzenie.

Zdobyte doświadczenia w elektrowni Detmarovice [9] wykazały, że olej zawierał zanieczyszczenia cząstkami 4 μm i większymi na poziomie 17 wg kodu liczbowego (600-1300 cząstek w mililitrze), a po zainstalowaniu urządzenia Kleentek ich zawartość spadła do poziomu 12 kodu liczbowego według PN-ISO 4406:2005 (20-40 nego olejów określonych w obowiązujących normach, ale te dotyczą parametrów możliwych do uzyskania zgodnie z dostępnymi technologiami oczyszczania, z uwzględnieniem realiów ekonomicznych (cykle eksploatacyjne). Utrzymywanie stanu olejów na poziomie określonym w normie jest związane jednak z przestrzeganiem harmonogramu remontów, pomiędzy którymi i tak zdarzają się awarie, co oznacza koszty przewidywane, ale także nadzwyczajne. Zastosowanie elektrostatycznej metody oczyszczania olejów oznacza uzyskanie jakości znacznie lepszej od nakazywanej w normie.

Zmniejszają się wówczas bardzo znacząco koszty zakupu oleju, ale przede wszystkim częstotliwości remontów i ryzyko awarii.

Wśród wielu sposobów oczyszczania olejów elektroizolacyjnych, smarowych i hydraulicznych, na szczególną uwagę zasługuje opisana metoda elektrostatyczna, polegająca na pozbywaniu się z olejów zanieczyszczeƒ rozpuszczalnych (polarnych) i nierozpuszczalnych. W praktyce daje to możliwość bieżącego oczyszczania olejów, także ich regenerowania, a zatem ograniczania częstocząstek w mililitrze). Eliminowanie z oleju wody i oparów w zbiorniku przerywa procesy korozji, zapobiega też zanieczyszczaniu oleju produktami korozji. Produkty utleniania węglowodorów są także systematycznie usuwane z oleju. Wyniki tych zabiegów gwarantują dobrą jakość oleju i dają podstawę do dobrych warunków pracy węzłów tarcia, układów lewarowych i regulacyjnych, znacząco też wpływają na wydłużeniu czasu pracy oleju (dwu- a nawet trzykrotnie). Dużą skuteczność opisywanej technologii notowano już w latach sześćdziesiątych minionego stulecia [10], np. gdy do oczyszczania cieczy hydraulicznych w rakiecie Polaris zastosowano separatory elektrostatyczne (12–20 kV, 0,0005 A). W porównaniu do tradycyjnej technologii, uzyskano tu skrócenie czasu oczyszczania z 360 minut do 90 minut, osiągając wyższy poziom czystości cieczy hydraulicznej.

Podsumowanie

Wykorzystanie urządzeƒ oczyszczających oleje metodą elektrostatyczną oznacza istotną zmianę w gospodarce olejami. Można oczywiście zadowolić się respektowaniem wymogów dotyczących czystości i składu chemicztliwości wymiany. Zastosowanie w maszynach i urządzeniach metody elektrostatycznego oczyszczania olejów gwarantuje im bezpieczną i wydłużoną eksploatację. Koszty zastosowania tej technologii zwracają się w bardzo krótkim czasie, już ok. roku.