高含硫氣田開(kāi)發(fā)酸污對(duì)天然氣凈化廠(chǎng)輸電線(xiàn)路安全影響研究及防護(hù)措施優(yōu)選

王和琴 陳惟國(guó) 苗輝 周培利

（中原油田普光分公司生產(chǎn)管理部）

大型高含硫氣田普光氣田地處川東北地區(qū)，山巒疊嶂、氣候潮濕、雷雨天氣較多。氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程采用全濕氣密閉輸送，高含硫天然氣集中凈化的生產(chǎn)工藝。高含硫天然氣在集中凈化過(guò)程中，產(chǎn)生尾氣按照設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)標(biāo)排放，SO2的排放速率設(shè)計(jì)值為753kg／h，排放質(zhì)量濃度為960mg／m3。排放到大氣中的尾氣，在局部區(qū)域、階段時(shí)間內(nèi)改變了大氣的常規(guī)組分，為形成酸霧創(chuàng)造了條件［1－2］。污閃是造成輸電線(xiàn)路停電的主要原因之一，而酸性環(huán)境更容易使絕緣子污閃［3］。一旦電路故障，將造成凈化廠(chǎng)裝置停車(chē)，氣田一級(jí)關(guān)斷等。本研究基于高含硫氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中天然氣凈化廠(chǎng)尾氣排放分布和濃度的研究，通過(guò)分析酸雨、酸霧對(duì)絕緣子外絕緣性能的影響［4－5］，確定輸電線(xiàn)路不同區(qū)段的pH 值，為確保高含硫氣田開(kāi)發(fā)中天然氣凈化廠(chǎng)輸電線(xiàn)路的安全生產(chǎn)提供基礎(chǔ)資料。

1 基于高斯擴(kuò)散模式的酸性氣體分布特性及酸雨pH值預(yù)測(cè)

1.1 普光氣田酸性氣體排放情況分析

在高含硫天然氣的凈化過(guò)程中，尾氣排放主要分為正常生產(chǎn)的連續(xù)排放和非正常生產(chǎn)的間斷排放。正常生產(chǎn)時(shí)，SO2的排放量為524.1kg／h，非正常間斷排放主要包括：?jiǎn)翁籽b置原料氣放空，持續(xù)時(shí)間5s，SO2排放總量4 161.2kg；異常情況下的瞬時(shí)放空，持續(xù)時(shí)間5s，隨后裝置即恢復(fù)正常生產(chǎn)，SO2排放總量376.01kg。

1.2 普光氣田氣候特征對(duì)酸性氣體分布影響分析

普光氣田位于四川省宣漢縣，屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，全年四季分明，雨量充沛，氣候溫和。全年以東北風(fēng)風(fēng)頻最大，達(dá)到14.9%，其次是北北東風(fēng)，頻率為11.1%，各風(fēng)向平均風(fēng)速在1.0～2.0 m／s之間。

非正常排放狀況下，瞬時(shí)源模式SO2濃度分布可用式（1）計(jì)算。

正常排放狀況下，長(zhǎng)期排放條件下，SO2濃度分布可用式（2）計(jì)算。

凈化廠(chǎng)正常排放工況下和非正常排放工況下，大氣中SO2濃度分布如表1所示。

表1 不同工況不同氣象條件下大氣中SO2濃度分布Table 1 Concentration distribution of SO2in atmosphere under different working conditions and meteorological conditions

1.3 空氣中pH值的預(yù)測(cè)

研究表明，酸雨約有51.8%是在不穩(wěn)定天氣條件下出現(xiàn)和形成的，其次是在弱穩(wěn)定和弱不穩(wěn)定狀態(tài)下形成的，因此選擇B類(lèi)大氣穩(wěn)定度來(lái)計(jì)算酸雨、酸霧中的pH值。

事故條件下，排放的時(shí)間較短，僅為5s，因此事故排放條件下是很難形成酸霧的。故而僅選擇正常排放條件來(lái)預(yù)測(cè)計(jì)算酸雨、酸霧中的pH值。在正常排放條件下，可能出現(xiàn)的酸雨、酸霧的pH值為3.06～3.92。為了保證供電安全，選取下限值pH值為3.06作為最終配制鹽霧試驗(yàn)所需霧液的依據(jù)。

2 酸霧對(duì)于高壓輸電線(xiàn)路安全性影響

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)由專(zhuān)用10kV線(xiàn)路供電，經(jīng)調(diào)壓器之后進(jìn)入升壓變壓器，限流保護(hù)電阻主要是在試樣發(fā)生閃絡(luò)之后限制通過(guò)電源部分的電流。電源輸出一端通過(guò)地網(wǎng)接地，另一端通過(guò)鹽霧室的穿墻套管進(jìn)入鹽霧室（見(jiàn)圖1）。主要設(shè)備有150kV工頻升壓變壓器與調(diào)壓器；3 600kV沖壓電壓發(fā)生器與3 600kV分壓器。

本次試驗(yàn)所用的試品型號(hào)為FXBW3－220／100型及FXBW4－220／100型硅橡膠合成絕緣子，其性能參數(shù)如表2所示。

表2 試品絕緣子技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of insulator samples

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 材料準(zhǔn)備

按照GB／T 4585－2004《交流系統(tǒng)用高壓絕緣子人工污穢試驗(yàn)方法》規(guī)定，對(duì)合成絕緣子人工表面進(jìn)行了預(yù)處理。

化學(xué)純氯化鈉和硅藻土按一定比率配置模擬污層，用純凈水?dāng)嚢?，均勻地涂在絕緣子表面。結(jié)合普光氣田當(dāng)?shù)乜諝馕廴镜燃?jí)，鹽密（SDD）取值為0.1 mg／cm2，灰密取值為1.0mg／cm2。

根據(jù)普光氣田尾氣擴(kuò)散研究，220kV輸電線(xiàn)路部分區(qū)段酸霧的pH值為3.15～4。采用硫酸配制成pH值為3.08的稀硫酸溶液，用電導(dǎo)儀測(cè)定其電導(dǎo) 率 約 為 714μS／cm。采 用 電 導(dǎo) 率 的 40 mg／100mL氯化鈉溶液作為等效鹽霧。

2.2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）工頻交流電壓試驗(yàn)。耐受試驗(yàn)施加了最大相對(duì)電壓140kV，以及高于此電壓的電壓143kV，145kV。

（2）空氣絕緣強(qiáng)度試驗(yàn)及輸電線(xiàn)路絕緣配合分析。基于不同情況下的空氣絕緣強(qiáng)度進(jìn)行了輸電線(xiàn)路絕緣配合實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)試了空氣、pH值為7的霧、pH值等于3的霧（稀硫酸溶液）、pH值等于3的霧與II級(jí)污穢相結(jié)合（按0.1mg／cm2鹽密配制的氯化鈉溶液滴入硫酸至pH值等于3）下的空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

（3）金屬件腐蝕分析。試樣為表面鍍鋅的杵頭掛環(huán)，測(cè)試pH值等于3的稀硫酸溶液對(duì)杵頭掛環(huán)的自然腐蝕。

（4）酸霧對(duì)輸電線(xiàn)路耐雷水平影響的仿真分析。酸霧對(duì)絕緣子的工頻閃絡(luò)電壓和沖擊閃絡(luò)電壓都有影響，根據(jù)測(cè)得的沖擊閃絡(luò)電壓，可以利用仿真軟件分析輸電線(xiàn)路的耐雷水平。

2.3 結(jié)果與討論

2.3.1 污穢與酸霧共同作用時(shí)的工頻電壓耐受性分析

試驗(yàn)中，在最大相對(duì)電壓140kV以及高于此電壓的電壓143kV、145kV時(shí)，各組絕緣子均未出現(xiàn)閃絡(luò)和帕弧現(xiàn)象。在鹽霧的作用下，絕緣子的閃絡(luò)電壓下降了約20%。但由于兩種絕緣子都是耐污型絕緣子，F(xiàn)XBW3型的濕閃電壓只是略低于標(biāo)稱(chēng)電壓，而FXBW4型只有一次試驗(yàn)值低于標(biāo)稱(chēng)濕閃電壓，因此兩種絕緣子均能滿(mǎn)足普光220kV輸電線(xiàn)路的需要，但加長(zhǎng)型要比普通型絕緣性能好。

2.3.2 空氣絕緣強(qiáng)度試驗(yàn)及輸電線(xiàn)路絕緣配合分析

基于1cm均勻電場(chǎng)空氣擊穿電壓測(cè)試結(jié)果分析表明，在濃霧時(shí)，空氣的絕緣強(qiáng)度約下降14.4%，霧的pH值為3時(shí)，空氣的絕緣強(qiáng)度下降了大約15.1%；pH值等于3的酸霧與II級(jí)空氣污染相結(jié)合，空氣的絕緣強(qiáng)度大約下降了23.2%。

2.3.3 金屬件腐蝕分析

杵頭掛環(huán)測(cè)試前質(zhì)量為294.2g，浸泡24h后測(cè)得的質(zhì)量為294.2g；浸泡96h后測(cè)得質(zhì)量為294 g。因此，自然條件下pH值等于3的酸霧對(duì)表面鍍鋅金屬件的腐蝕非常小。

2.3.4 酸霧對(duì)輸電線(xiàn)路耐雷水平影響的仿真分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和仿真分析，酸雨酸霧對(duì)輸電線(xiàn)路的耐雷水平有一定的影響，在pH值等于3的酸雨酸霧環(huán)境下，線(xiàn)路的耐雷水平下降了約20%，但如果能保證桿塔的接地電阻在10Ω以下時(shí)，其耐雷水平滿(mǎn)足規(guī)定的要求。

3 酸性氣田酸污條件下輸電線(xiàn)路安全防護(hù)措施優(yōu)選

基于普光氣田氣候特征以及氣田酸霧的分布特性，結(jié)合酸霧條件下高壓輸電線(xiàn)的安全性分析，酸性氣田酸污條件下，輸電線(xiàn)安全防護(hù)措施主要包括以下幾個(gè)方面。

3.1 絕緣子類(lèi)型的優(yōu)選

合成絕緣子表面具有憎水性，因此在雨霧天氣下，表面不易吸附水分，從而能較好地保持絕緣性能，而且合成絕緣子表面憎水性具有一定的遷移性能，即使表面積有一定的污垢，合成絕緣子還能保持一定的憎水性。合成絕緣子在酸霧和小雨情況下，憎水性使其能很好地保持絕緣性能，而大雨天氣會(huì)導(dǎo)致雨水中酸濃度下降，酸的危害也隨之下降，因此合成絕緣子較適合用于提高酸雨酸霧環(huán)境下輸電線(xiàn)路的絕緣性能［6－7］。

3.2 絕緣子絕緣等級(jí)的優(yōu)選

在沒(méi)有酸雨酸霧影響的情況下，絕緣子的絕緣等級(jí)只需考慮電壓等級(jí)與環(huán)境污染兩種情況，但由于酸雨酸霧電導(dǎo)率較低，絕緣子表面污穢吸附酸雨酸霧之后，導(dǎo)致其閃絡(luò)電壓下降，因此選擇絕緣子時(shí)必須考慮酸雨酸霧對(duì)絕緣子的影響。通過(guò)對(duì)FXBW4耐污合成絕緣子實(shí)驗(yàn)可知，該類(lèi)型合成絕緣子能滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)條件的需要。根據(jù)上文分析結(jié)果，并考慮到長(zhǎng)期運(yùn)行之后，合成絕緣子在酸雨酸霧的影響下，耐污水平下降，因此在pH值為3～4的區(qū)域盡量選用爬距為6 600mm、結(jié)構(gòu)高度為2 250m的220kV FXBW4型耐污耐酸合成絕緣子或選用16片爬距為5 500mm的耐污型玻璃絕緣子組成的絕緣子串。pH值大于4的區(qū)域可以按3級(jí)污穢進(jìn)行處理，采用爬距為6 300mm、結(jié)構(gòu)高度為2 050mm的220kV耐污耐酸合成絕緣子或選用14片爬距為5 500mm的耐污型玻璃絕緣子組成的絕緣子串。

3.3 輸電線(xiàn)路絕緣配合優(yōu)選

通過(guò)酸雨酸霧條件下空氣間隙的擊穿實(shí)驗(yàn)可知，酸雨酸霧對(duì)空氣的絕緣強(qiáng)度有一定的影響。因此，普光氣田220kV輸電線(xiàn)路的最小空氣間隙按GB 311.1－2012《高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合》的規(guī)定值增加10%優(yōu)選。

3.4 輸電線(xiàn)路路線(xiàn)優(yōu)選

根據(jù)酸性氣體濃度的擴(kuò)散分析，以及凈化廠(chǎng)所在地區(qū)常年氣象情況分析，選取普光220kV輸電線(xiàn)路的走向與該地區(qū)主要的風(fēng)向平行，并向該方向的外側(cè)偏移。

3.5 金具的優(yōu)選

在pH值為3～4的區(qū)域內(nèi)，絕緣子以及連接用金具要做防腐處理，表面采用耐酸涂層或涂防護(hù)油。必要時(shí)，絕緣子金屬部分和連接用的金具采用不銹鋼制品。

3.6 安裝避雷器

普光氣田220kV輸電線(xiàn)路桿塔接地電阻應(yīng)認(rèn)真處理，保證pH值為3～4的區(qū)段內(nèi)接地電阻值小于10Ω。無(wú)法實(shí)現(xiàn)的區(qū)段應(yīng)在A、C相安裝避雷器。

［1］胡永碧，谷壇.高含硫氣田腐蝕特征及腐蝕控制技術(shù)［J］.天然氣工業(yè) ，2012，32（12）：92－96.

［2］王壽平，黃雪松，李明志，等.普光氣田地面生產(chǎn)系統(tǒng)腐蝕控制技術(shù)及其效果［J］.天然氣工業(yè)，2012，32（12）：97－101.

［3］顧樂(lè)觀，孫才新.電力系統(tǒng)的污穢絕緣［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，1990.

［4］賈志東，關(guān)志成.室溫硫化硅橡膠涂層憎水性遷移機(jī)理的研究［J］.高電壓技術(shù)，1999，25（1）：7－9.

［5］O De La A，Gorur R S，Chang J A C.Clean fog tests on nonceramic insulating materials and a comparison with porcelain［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，1994，9（4）：2000－2008.

［6］孫才新，舒立春.降水酸化與電力系統(tǒng)外絕緣污閃［J］.電工技術(shù)雜志，1995（5）：5－7.

［7］關(guān)志成，王紹武，梁曦東，等.我國(guó)電力系統(tǒng)絕緣子污閃事故及其對(duì)策［J］.高電壓技術(shù)，2000，26（6）：37－39.