基于化学吸附原理的除酸过滤系统在电力设备中的应用 一、引言：电力设备运行中酸性物质的危害 在现代电力系统中，绝缘油作为变压器、断路器等关键电气设备的重要组成部分，其性能直接影响到设备的安全...
基于化学吸附原理的除酸过滤系统在电力设备中的应用
一、引言：电力设备运行中酸性物质的危害
在现代电力系统中，绝缘油作为变压器、断路器等关键电气设备的重要组成部分，其性能直接影响到设备的安全稳定运行。然而，在长期运行过程中，由于氧化反应、水分侵入以及局部放电等因素，绝缘油会逐渐产生有机酸、无机酸及其他腐蚀性物质，这些酸性物质不仅降低了油品的绝缘性能，还可能对金属部件造成严重腐蚀，进而引发设备故障甚至事故。
为了解决这一问题，近年来基于化学吸附原理的除酸过滤系统（Acid Removal Filtration System Based on Chemical Adsorption）被广泛应用于电力设备维护领域。该系统通过高效吸附剂材料选择性地去除油中酸性成分，显著延长了设备寿命，并提升了系统的运行可靠性。
本文将从化学吸附的基本原理出发，结合国内外研究进展，详细分析该技术在电力设备中的具体应用、产品参数、实际案例及未来发展趋势，并引用多篇权威文献以增强论述的科学性和参考价值。
二、化学吸附的基本原理与机制
2.1 吸附的分类
吸附是固体表面捕获气体或液体分子的过程，主要分为物理吸附和化学吸附两种类型：
| 类型 | 特点 | 结合力 | 可逆性 |
|---|---|---|---|
| 物理吸附 | 分子间作用力（范德华力） | 弱 | 易脱附 |
| 化学吸附 | 形成化学键 | 强 | 难脱附 |
在除酸系统中，通常采用的是具有强亲和力的碱性吸附剂，如活性氧化铝、硅胶、氢氧化钙等，它们能与酸性物质发生化学反应并形成稳定的盐类，从而实现酸性物质的永久去除。
2.2 化学吸附过程模型
常见的化学吸附过程包括以下几个阶段：
- 扩散：酸性物质从油体扩散至吸附剂表面；
- 表面反应：酸性物质与吸附剂表面活性位点发生化学反应；
- 产物生成：形成不溶性盐类或其他稳定化合物；
- 内扩散：反应产物进入吸附剂内部孔隙结构。
此过程可由Langmuir吸附等温式或Freundlich模型进行描述：
-
Langmuir公式：
$$
qe = frac{q{text{max}} K C_e}{1 + K C_e}
$$
其中，$ qe $ 为平衡吸附量，$ q{text{max}} $ 为大吸附容量，$ K $ 为吸附常数，$ C_e $ 为平衡浓度。 -
Freundlich公式：
$$
q_e = K_f C_e^{1/n}
$$
上述模型已被广泛用于评估吸附剂对酸性物质的吸附性能（Liu et al., 2018；Zhang et al., 2020）。
三、除酸过滤系统的组成与工作原理
3.1 系统组成
基于化学吸附原理的除酸过滤系统一般由以下几部分构成：
| 组成模块 | 功能描述 |
|---|---|
| 吸附滤芯 | 核心组件，填充碱性吸附剂材料 |
| 油循环泵 | 推动绝缘油在系统中循环流动 |
| 控制单元 | 监测温度、压力、酸值等参数 |
| 安全阀 | 防止过压损坏系统 |
| 冷却装置 | 控制油温，防止高温影响吸附效率 |
3.2 工作流程
- 绝缘油从设备中抽出；
- 通过吸附滤芯时，酸性物质与吸附剂发生化学反应；
- 被净化的油返回设备；
- 控制单元实时监测油质变化；
- 达到设定条件后自动报警或更换滤芯。
四、常用吸附剂材料及其性能比较
吸附剂材料的选择直接影响系统的除酸效率和使用寿命。目前常用的吸附剂包括活性氧化铝、硅胶、氢氧化镁、氢氧化钙、天然沸石等。
| 吸附剂类型 | 主要成分 | pH范围 | 吸附容量（mg/g） | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|---|---|
| 活性氧化铝 | Al₂O₃ | 9–10 | 10–20 | 吸附能力强，稳定性好 | 成本较高 |
| 硅胶 | SiO₂ | 7–8 | 5–10 | 吸附速度快 | 易受潮失效 |
| 氢氧化钙 | Ca(OH)₂ | 12–13 | 15–25 | 成本低，来源广 | 易结块，流动性差 |
| 氢氧化镁 | Mg(OH)₂ | 10–11 | 10–18 | 环保无毒 | 吸附速率较慢 |
| 天然沸石 | 硅铝酸盐矿物 | 8–9 | 8–15 | 孔隙结构丰富 | 吸附选择性较低 |
研究表明，复合型吸附剂（如Al₂O₃-CaO混合物）在提高吸附容量和降低再生难度方面表现出良好前景（Wang et al., 2021）。
五、典型产品参数与选型指南
以下为几种市场上主流的除酸过滤系统的技术参数对比：
| 型号 | 制造商 | 大处理流量（L/min） | 吸附剂种类 | 酸值降低率（%） | 运行温度范围（℃） | 适用设备类型 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ARFS-200 | ABB | 200 | 活性氧化铝 | ≥85 | 40–80 | 变压器、GIS |
| ERF-TX | Siemens | 150 | 硅胶+Ca(OH)₂ | ≥80 | 30–70 | 断路器 |
| Puraclean 300 | Hydac | 300 | 复合吸附剂 | ≥90 | 50–90 | 高压套管 |
| OilPure ACID | Pall | 100 | 改性硅胶 | ≥75 | 40–60 | 中小型变压器 |
| Filtrex AC | Parker | 250 | 沸石+Mg(OH)₂ | ≥82 | 45–75 | 电抗器 |
选型时应考虑如下因素：
- 设备容量与油体积；
- 油中初始酸值；
- 运行环境温度；
- 是否需要在线连续处理；
- 吸附剂更换周期与成本。
六、在电力设备中的应用实例
6.1 在变压器中的应用
变压器绝缘油在长期运行中易因氧化而产生羧酸类物质，导致酸值升高。某220kV变电站使用ABB的ARFS-200系统进行在线除酸处理，结果显示：
| 参数 | 处理前 | 处理后 | 改善幅度 |
|---|---|---|---|
| 酸值（mgKOH/g） | 0.52 | 0.08 | ↓84.6% |
| 击穿电压（kV） | 38 | 52 | ↑36.8% |
| 介质损耗角正切（tanδ） | 0.012 | 0.006 | ↓50% |
数据表明，除酸处理有效恢复了油的介电性能，提高了设备运行安全性。
6.2 在GIS（气体绝缘开关设备）中的应用
GIS设备中使用的SF₆气体在电弧作用下可能分解出HF、SO₂F₂等强酸性物质，腐蚀设备内部金属结构。某110kV GIS站采用Siemens的ERF-TX系统进行油中酸性物质清除，配合气体纯化装置，取得了良好的协同效果。
七、除酸系统的运行与维护管理
7.1 运行监控指标
为了确保除酸系统的高效运行，需定期监测以下指标：
| 指标名称 | 推荐检测频率 | 正常范围 |
|---|---|---|
| 油中酸值 | 每月一次 | ≤0.1 mgKOH/g |
| 吸附剂饱和度 | 每季度一次 | ≤80% |
| 温度 | 实时监控 | 40–80℃ |
| 压力损失 | 实时监控 | ≤0.2 MPa |
| 击穿电压 | 每半年一次 | ≥45 kV |
7.2 吸附剂更换与再生
吸附剂在吸附一定量酸性物质后会达到饱和状态，需及时更换或再生。不同吸附剂的再生方式如下：
| 吸附剂类型 | 再生方法 | 效果评价 |
|---|---|---|
| 活性氧化铝 | 热风干燥法（200–300℃） | 可恢复80%以上活性 |
| 氢氧化钙 | 酸洗+煅烧 | 成本高，再生困难 |
| 硅胶 | 烘干脱水 | 效果较好，但易碎裂 |
| 沸石 | 高温焙烧 | 可多次再生 |
建议根据厂家指导手册制定合理的更换周期，避免因吸附剂失效而导致除酸效率下降。
八、国内外研究进展与技术创新
8.1 国外研究现状
国外在除酸过滤系统方面的研究起步较早，尤其以德国、美国和日本为代表。例如：
- ABB公司开发的Guardian系列除酸系统，采用模块化设计，支持远程监控；
- Siemens推出的Oil Guardian系统集成了pH值、酸值、含水量等多项监测功能；
- 美国Pall公司研发的NanoClear技术，利用纳米级吸附材料提升吸附效率。
8.2 国内研究进展
我国近年来在该领域的研究也取得长足进步：
- 华东电力试验研究院研制的DFJ-III型动态除酸装置已在多个500kV变电站投入使用；
- 中国电科院提出“吸附-催化联合除酸”新思路，提高了酸性物质的去除深度；
- 清华大学材料学院与南方电网合作开发了复合型改性吸附剂，在实验室条件下酸值去除率达95%以上（Li et al., 2022）。
8.3 技术创新方向
未来除酸系统的发展趋势主要包括：
- 开发更高比表面积、更强吸附能力的新型吸附材料；
- 实现智能化控制与远程诊断；
- 提高吸附剂再生效率，降低成本；
- 推动除酸与其他油处理技术（如脱水、脱气）一体化集成。
九、经济效益与环境效益分析
9.1 经济效益
使用除酸系统可显著延长变压器等设备的检修周期，减少停电损失和维修费用。据国家电网测算：
| 项目 | 未使用除酸系统 | 使用除酸系统 | 差异 |
|---|---|---|---|
| 年均维修费用（万元） | 12 | 6 | ↓50% |
| 检修次数（次/年） | 3 | 1 | ↓66.7% |
| 设备寿命延长（年） | – | +5~8 | +显著 |
9.2 环境效益
除酸系统有助于减少废油排放，降低环境污染风险。每台变压器每年可减少约10%的废油产生量，符合绿色电力发展的要求。
十、结论与展望
随着电力系统向高电压、大容量、智能化方向发展，绝缘油的品质管理愈发重要。基于化学吸附原理的除酸过滤系统作为一种高效、环保、经济的技术手段，已在各类电力设备中展现出良好的应用前景。未来，随着新材料、新工艺和智能控制技术的不断融合，该系统将在保障电网安全、提升运维效率方面发挥更大作用。
参考文献
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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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ABB. (2021). Technical Manual: Guardian Acid Removal Filtration System. Retrieved from http://new.abb.com
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国家电网公司. (2021). 电力设备绝缘油运行维护导则. 北京：中国电力出版社.
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IEEE C57.106-2019. Guide for Acceptance and Maintenance of Insulating Mineral Oil in Electrical Equipment. IEEE Standards Association.
（全文共计约4200字）
