SF₆集中供氣系統(tǒng)研究與應(yīng)用

任東峰 路全峰

【摘 要】當(dāng)前，世界電力市場(chǎng)全封閉組合電器大量應(yīng)用，電壓等級(jí)的不斷攀升，SF6氣體的使用量急劇增漲。而SF6氣體又是一種典型的溫室氣體，其在生產(chǎn)過(guò)程中排放至大氣中，會(huì)造成極大上午溫室效應(yīng)。因此高效率的SF6集中供氣系統(tǒng)的研究與應(yīng)用至關(guān)重要。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)SF6氣體的集中存儲(chǔ)、凈化、供氣、回收，能大幅提高SF6氣體的循環(huán)利用率，減少了SF6氣體的排放，可為企業(yè)節(jié)省大量的生產(chǎn)成本，同時(shí)可以減少SF6氣體的排放，減緩全球氣候變暖的步伐。

【關(guān)鍵詞】SF6氣體；集中；循環(huán)

中圖分類號(hào)： TM561 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）16-0013-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.006

【Abstract】At present， the world's electricity market has a large number of fully-enclosed combinational appliances， and the voltage level is continuously rising. The use of SF6 gas has increased rapidly. The SF6 gas is also a typical greenhouse gas， which is emitted into the atmosphere during the production process， causing a great morning greenhouse effect. Therefore， the research and application of the highly efficient SF6 centralized gas supply system are of utmost importance. The system can realize the centralized storage， purification， gas supply， and recovery of SF6 gas， which can greatly increase the recycling rate of SF6 gas， reduce the emission of SF6 gas， save a lot of production costs for enterprises， and reduce the emission of SF6 gas. To slow the pace of global warming.

【Key words】SF6 gas； Concentration； Circulation

0 前言

純凈的六氟化硫氣體是一種無(wú)色、無(wú)嗅、無(wú)毒和不可燃的惰性氣體，具有優(yōu)異的絕緣和滅弧性能。[1]二十世紀(jì)中期，六氟化硫氣體被廣泛應(yīng)用于高壓斷路器、互感器、六氟化硫封閉組合器（GIS）等電力設(shè)備中。[2]進(jìn)入21世紀(jì)，世界電力市場(chǎng)全封閉組合電器的大量應(yīng)用，電壓等級(jí)的不斷攀升，SF6氣體的使用量以每年20%的速度急劇增漲。[3]盡管SF6氣體備受高壓電力設(shè)備行業(yè)青睞，但其溫室效應(yīng)是CO2的23900倍，是一種典型的溫室氣體。全球氣候變暖是21世紀(jì)人類所面臨最艱巨的挑戰(zhàn)之一，溫室氣體不斷增加導(dǎo)致全球變暖現(xiàn)象愈發(fā)凸顯。[4]因此，高效率的SF6循環(huán)再利用技術(shù)的研究與應(yīng)用，不僅可應(yīng)為電力設(shè)備制造企業(yè)節(jié)省大量的生產(chǎn)成本，同時(shí)可以減少SF6氣體的排放，減緩全球氣候變暖的步伐。[5]

1 SF6集中供氣系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

SF6集中供氣系統(tǒng)是SF6氣體輸出與回收的專用系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備氣室的快速抽真空、充入及回收SF6氣體，同時(shí)具備對(duì)回收的SF6氣體進(jìn)行凈化與提純功能。SF6集中供氣系統(tǒng)由分布于廠房?jī)?nèi)的各工作站、SF6氣體中央處理系統(tǒng)、管路系統(tǒng)三部分組成。分布于廠房?jī)?nèi)的各工作站對(duì)廠房?jī)?nèi)各處的高壓SF6產(chǎn)品就近抽真空、充SF6氣體和回收SF6氣體；SF6氣體中央處理系統(tǒng)則具有對(duì)回收SF6氣體凈化吸附、制冷液化、液態(tài)儲(chǔ)存、氣體分離、加熱氣化、氣態(tài)儲(chǔ)存?zhèn)溆玫纫幌盗泄δ?；管路系統(tǒng)用于連接分布于廠房?jī)?nèi)的各工作站與SF6氣體中央處理系統(tǒng)。整個(gè)SF6集中供氣系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1所示。

1.2 主要參數(shù)

SF6集中供氣系統(tǒng)主要參數(shù)見(jiàn)表1

2 系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

2.1 SF6氣體中央處理系統(tǒng)

SF6氣體中央處理系統(tǒng)具有對(duì)回收SF6氣體凈化吸附、制冷液化、液態(tài)儲(chǔ)存、氣體分離、加熱氣化、氣態(tài)儲(chǔ)存?zhèn)溆玫纫幌盗泄δ?。其主要由進(jìn)出口端吸附過(guò)濾裝置、冷凝液化裝置、儲(chǔ)液系統(tǒng)及氣體分離裝置、加熱氣化裝置、氣態(tài)罐組等設(shè)備組成。SF6氣體中央處理系統(tǒng)中原理見(jiàn)圖2所示。

（1）進(jìn)出口端吸附過(guò)濾裝置由吸附器、真空泵、粉塵過(guò)濾器等組成。吸附器具有對(duì)充填分子篩加熱活化再生的功能。吸附器分成兩組，一組工作時(shí)，另一組加熱再生。兩組吸附器交替工作和活化再生，以實(shí)現(xiàn)氣站不間斷的回收工作。另配一臺(tái)雙級(jí)旋片真空泵用于吸附器活化時(shí)的抽真空。吸附器出口設(shè)粉塵過(guò)濾器，防止吸附劑粉末向后進(jìn)入儲(chǔ)液罐中。粉塵過(guò)濾器對(duì)尺寸≥1.0μm的微粒阻擋率為100%。

（2）冷凝液化裝置用于冷凝液化回收的SF6氣體，使之能在較低的壓力下迅速液化成所需溫度下的液態(tài)SF6。制冷量必須能滿足所有工作站同時(shí)回收時(shí)的冷凝液化要求。采用低壓壓縮機(jī)時(shí)（如最大排氣壓力2.3Mpa）必須配以較大制冷量，以便回收的SF6氣體能在低于壓縮機(jī)最大排氣壓力的情況下迅速液化成溫度較低的液體。 為避免僅有少數(shù)工作站回收時(shí)啟動(dòng)大功率制冷機(jī)浪費(fèi)能量，可采用數(shù)個(gè)小型冷凝液化裝置并聯(lián)的方式，工作時(shí)根據(jù)回收壓縮機(jī)的啟動(dòng)數(shù)量由PLC自動(dòng)判定并啟動(dòng)幾臺(tái)冷凝液化裝置。

（3）儲(chǔ)液系統(tǒng)主要由儲(chǔ)液罐及其配套的電子秤、測(cè)控閥門(mén)、儀表等組成。采用排氣壓力較低的壓縮機(jī)（如2.3Mpa）時(shí)，儲(chǔ)液罐外表面必須加絕熱層保溫，并內(nèi)置制冷蒸發(fā)器盤(pán)管，把儲(chǔ)液罐內(nèi)的SF6控制在一個(gè)較低的溫度限以下，以便其飽和蒸汽壓始終低于壓縮機(jī)的最大排氣壓力。只有這樣，低壓壓縮機(jī)才能順利地將SF6氣體回收到儲(chǔ)液罐內(nèi)。儲(chǔ)液罐應(yīng)設(shè)有有電子秤稱量?jī)蓛?chǔ)液罐中儲(chǔ)存SF6的重量，當(dāng)儲(chǔ)液罐內(nèi)SF6重量都達(dá)到設(shè)定上限值時(shí)，給出報(bào)警信號(hào)并控制整個(gè)回收系統(tǒng)停止工作。

（4）氣體分離提純系統(tǒng)，在儲(chǔ)液罐頂部設(shè)一小罐，用于收集混進(jìn)SF6中的空氣；此外再裝一套高壓冷凍分離除氣提純裝置對(duì)兩小罐中的混合氣體進(jìn)行處理，處理后的SF6液體流回儲(chǔ)液罐內(nèi)，空氣成分則通過(guò)真空排氣管道排出室外。

（5）加熱氣化裝置由加熱器、熱交換器、電磁閥、減壓閥等構(gòu)成。用于加熱氣化來(lái)自儲(chǔ)液罐中的SF6液體并控制出口氣壓。加熱氣化過(guò)程全自動(dòng)控制，當(dāng)氣態(tài)罐壓力上升達(dá)到設(shè)定值時(shí)自動(dòng)停止加熱氣化，進(jìn)口電磁閥自動(dòng)關(guān)閉；當(dāng)氣態(tài)罐壓力下降低于設(shè)定值時(shí)自動(dòng)開(kāi)始加熱氣化，進(jìn)口電磁閥自動(dòng)開(kāi)啟使SF6液體流入。

（6） 氣態(tài)罐組由兩臺(tái)氣態(tài)儲(chǔ)存罐、出口粉塵過(guò)濾器、出口電磁閥、測(cè)控儀表等組成。用于儲(chǔ)存氣態(tài)SF6以消除充氣時(shí)的氣化速度瓶頸，加快充氣速度。

2.2 工作站

工作站用于對(duì)廠房?jī)?nèi)各處的高壓SF6產(chǎn)品就近抽真空、充SF6氣體和回收SF6氣體，主要由SF6回收系統(tǒng)、抽真空系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。

（1）SF6回收系統(tǒng)由回收壓縮機(jī)、回收真空泵及連接管路組成。當(dāng)進(jìn)口壓力大于大氣壓時(shí)，壓縮機(jī)單獨(dú)工作回收氣體；進(jìn)口壓力降至大氣壓后，回收真空泵自動(dòng)啟動(dòng)和壓縮機(jī)串聯(lián)回收。壓縮機(jī)進(jìn)氣口壓力控制可通過(guò)減壓閥、緩沖罐、電磁閥等的合理布局和動(dòng)作控制，保證壓縮機(jī)進(jìn)氣口在氣源壓力較高時(shí)能維持在正常工作壓力范圍內(nèi)，并在氣源壓力較低時(shí)能獲得盡可能大的流量。整個(gè)回收過(guò)程全自動(dòng)控制。

（2）每個(gè)工作站單獨(dú)配備一套抽真空系統(tǒng)，該抽真空系統(tǒng)抽真空系統(tǒng)由單極旋片泵、羅茨泵及連接管路組成。抽真空系統(tǒng)進(jìn)氣端應(yīng)有過(guò)壓保護(hù)功能，壓力降到大氣壓以下時(shí)進(jìn)口電磁閥才能打開(kāi)抽真空系統(tǒng)才能啟動(dòng)。前級(jí)泵抽真空到100hPa以下時(shí)，羅茨增壓泵自動(dòng)啟動(dòng)。每個(gè)工作站單獨(dú)配備一套抽真空系統(tǒng)，該系統(tǒng)可將排出的含有微量SF6的尾氣經(jīng)專用的尾氣排放管道排放至廠房外部，不污染車間環(huán)境，不影響車間正常的檢漏及生產(chǎn)作業(yè)。

2.3 管路系統(tǒng)

管路系統(tǒng)主要由回收管路、充氣管路和抽真空排氣管路組成。

（1）回收管路截面積不小于全部工作站所有壓縮機(jī)出口截面積之和的1.3倍。管道承壓能力以工作站回收壓縮機(jī)最大排氣壓力作為管路承壓指標(biāo)。

（2）充氣管路截面積應(yīng)不小于所有工作站充氣出口截面積之和，管道承壓能力以儲(chǔ)氣系統(tǒng)最大工作壓力作為管路承壓指標(biāo)。

（3）真空排氣管路截面積不小于工作站中所有真空泵出口截面積之和的1.5倍，通向每臺(tái)工作站真空泵尾端的支管道截面積不小于該真空泵出口截面積的1.5倍。所有真空泵排氣端和所有安全閥排氣口都連至該排氣管路后一并引出室外。

3 效益分析

SF6集中供氣系統(tǒng)對(duì)SF6氣體的回收利用率可高達(dá)99%。傳統(tǒng)普通SF6回收充氣設(shè)備只能將SF6氣體回收至微負(fù)壓，其循環(huán)利用率約為90%。SF6集中供氣系統(tǒng)與普通SF6回收充氣設(shè)備相比可減少9%的SF6氣體損耗。

3.1 社會(huì)效益

以一個(gè)日平均循環(huán)用氣量為4t的生產(chǎn)企業(yè)計(jì)算，SF6溫室效應(yīng)是等量CO2氣體的23900倍。以月有效工作日22天計(jì)算，相當(dāng)于年減排CO2氣體量為4×22×0.09×12×23900=2271456t。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益

仍然以一個(gè)日平均循環(huán)用氣量為4t的生產(chǎn)企業(yè)計(jì)算，目前SF6氣體為每噸6萬(wàn)元左右，根據(jù)每月有效工作日22天計(jì)算，年平均節(jié)約氣體采購(gòu)費(fèi)用為：4×22×0.09×12×6=570.24萬(wàn)元。

通過(guò)以上分析可以看出，SF6集中供氣系統(tǒng)的應(yīng)用可為企業(yè)節(jié)約大量SF6氣體購(gòu)置費(fèi)用，同時(shí)減少了溫室效應(yīng)氣體的排放，可對(duì)環(huán)境保護(hù)作出重大貢獻(xiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

SF6集中供氣系統(tǒng)適用于SF6高壓電器生產(chǎn)企業(yè)及氣體用量大且需循環(huán)使用場(chǎng)合。SF6集中供氣系統(tǒng)對(duì)SF6氣體進(jìn)行集中存儲(chǔ)、凈化、供氣，實(shí)現(xiàn)了SF6氣體的高效循環(huán)利用，其循環(huán)利用率高達(dá)99%，減少了SF6氣體的排放。該技術(shù)的推廣應(yīng)用大幅降低了SF6高壓電器制造企業(yè)的生產(chǎn)成本。同時(shí)減少了溫室氣體的排放，減緩全球氣候變暖的步伐。

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