電網(wǎng)溫室氣體減排能力提升的研究與應(yīng)用

國網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院 羅超 朱峰 董王朝 趙躍

1 引言

隨著2020 年9月中國首次提出碳達峰、碳中和目標，全社會正加速朝向綠色低碳、高質(zhì)量轉(zhuǎn)型和發(fā)展。作為關(guān)系國計民生的骨干企業(yè)，電網(wǎng)公司低碳減排行動刻不容緩。SF6氣體因具有優(yōu)良的絕緣和滅弧特質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于電氣設(shè)備中，隨著國家電網(wǎng)尤其是高電壓等級輸配電線路的飛速發(fā)展[1]，特別是GIS等組合電器的不斷增多，電力系統(tǒng)的SF6氣體用量也大量增加。然而，作為《京都協(xié)議書》中限制排放的六種溫室氣體之一，SF6具有極強的溫室效應(yīng)，生態(tài)環(huán)境部在《中央企業(yè)負責(zé)人任期經(jīng)營業(yè)績責(zé)任書》 中明確要求“2021年，SF6氣體回收率達到96.5%，比2018年上升1.5%”。

因此，控制SF6氣體的排放、提高其回收利用效率是提高電網(wǎng)溫室氣體減排能力的重中之重。同時，隨著國家政策的轉(zhuǎn)變，SF6由自主減排快速切換到強制性減排階段，其減排潛力以及管控也面臨更為嚴峻的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

一是目前部分現(xiàn)場回收裝置存在極限真空度不達標的問題，回收后的GIS 設(shè)備無法滿足真空保壓的要求；SF6開關(guān)大修時采用德國DILO 移動式SF6氣體回收裝置，只能對設(shè)備中SF6氣體進行簡單的干燥處理，無法凈化，剩余廢氣被直接排入大氣。這些SF6氣體若不回收及再生處理，將對環(huán)境產(chǎn)生極大危害。

二是電網(wǎng)公司各種電氣設(shè)備繁多，導(dǎo)致SF6氣體來源多，且大部分在運設(shè)備銘牌缺少用氣量和設(shè)備容積標注，無法對設(shè)備的充氣量進行準確判斷；部分新投運的設(shè)備銘牌標注的SF6氣體充氣量存在誤差，實際運行壓力普遍高于額定壓力值；另外，設(shè)備在檢修、退役時的氣體回收率無法管控。因此，難以掌握新電氣設(shè)備SF6用氣量的準確數(shù)據(jù)，存在廢棄氣體量無法預(yù)估的情況，最終導(dǎo)致氣體回收率不達標，嚴重影響SF6氣體減排效率和質(zhì)量。

針對上述問題，本文借助數(shù)字化、智能化手段賦能電網(wǎng)溫室氣體減排工作，通過搭建氣體處理中心、裝置智能化改造、建設(shè)全生命周期管控平臺，綜合硬件裝置、管理組織以及數(shù)字管控的優(yōu)勢，構(gòu)建電網(wǎng)溫室氣體減排能力提升體系，有效提升減排效能，推動電網(wǎng)綠色低碳發(fā)展，助力實現(xiàn)“雙碳”目標。

2 建立SF6氣體處理中心

為了解決因電氣設(shè)備眾多、氣體無法集中管控、氣體回收困難的問題，實現(xiàn)對SF6氣體的統(tǒng)一系統(tǒng)化管理，公司建立SF6氣體處理中心，對SF6氣體的監(jiān)督管理以及回收凈化工作進行統(tǒng)一管控。

2.1 配備先進基礎(chǔ)設(shè)備

氣體處理中心采用達到了國際先進水平的SF6小型集中處理回用凈化系統(tǒng)，模塊化設(shè)計，組合式流程，根據(jù)SF6源氣質(zhì)量相應(yīng)調(diào)整流程，以最經(jīng)濟的方式處理舊氣，組合使用變壓吸附、空氣分離、機械制冷式深冷分離等三種處理方法，達到處理流程全過程“零污染”排放。將其建設(shè)成為氣體采購、凈化、發(fā)放和存儲的中心環(huán)節(jié)，將回收工作納入處理中心的業(yè)務(wù)范疇，統(tǒng)一負責(zé)基建、檢修、運維、退役過程中的氣體使用與回收，由處理中心運維單位負責(zé)氣體的全過程、全局管控。

2.2 逐步完善管理職能

按照“分散回收、集中處理、統(tǒng)一檢測、循環(huán)利用”的原則，強化以處理中心為核心單位的統(tǒng)一管控，逐步完善管理職能。一是完善制度規(guī)范，氣體處理中心堅決落實國家電網(wǎng)公司《SF6氣體回收處理和循環(huán)再利用監(jiān)督管理辦法》，建立覆蓋SF6氣體流轉(zhuǎn)全過程的監(jiān)督和管理的制度體系；二是強化技術(shù)支撐，處理中心建立SF6監(jiān)督所必需的檢測手段、SF6回收和處理的基本條件，承擔(dān)基層單位不能完成的測試項目和氣體回收處理工作，并指導(dǎo)、培訓(xùn)各市供電公司的技術(shù)和分析化驗人員；三是加強經(jīng)驗總結(jié)，分析、整理、上報因氣體質(zhì)量引起的事故中的技術(shù)問題，并不斷總結(jié)、完善監(jiān)督管理經(jīng)驗，創(chuàng)新監(jiān)督方式，全面提升SF6回收凈化效能。

3 回收凈化裝置智能化改造

為提高氣體處理中心管理質(zhì)量和效率、提高SF6減排能力，解決現(xiàn)有凈化處理裝置陳舊、難以滿足GB/T 12022—2014 和實際生產(chǎn)需求的問題，公司將“大云物移智鏈”等現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與減排工作深度融合，進行裝置智能化改造，通過全景可視化和遠程智能控制呈現(xiàn)方式，實現(xiàn)人與設(shè)備的智能交互，以信息全流程貫通升級SF6管控模式，全面提升SF6凈化裝置智慧化管理水平。

3.1 改進待處理氣、尾氣凈化處理系統(tǒng)

待處理氣、尾氣凈化處理系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 待處理氣、尾氣凈化處理系統(tǒng)

通過處理單元、動力單元、深冷容器、低溫液體泵等設(shè)備，構(gòu)建氣體系統(tǒng)處理流程，使源氣鋼瓶中的氣體經(jīng)過系統(tǒng)處理后成為合格氣[2]。氣體經(jīng)過處理單元成為濕度合格氣，濕度合格氣在進入動力單元后，通過壓縮或自然進氣的方式進行循環(huán)抽氣，隨后進入深冷容器，成為純度合格氣，經(jīng)過低溫液體泵后的純度合格氣成為合格氣，將其放置到真空鋼瓶中，即完成待處理氣、尾氣凈化處理。

3.2 升級充氮再生系統(tǒng)

升級后的充氮再生系統(tǒng)需要工作人員連接氮氣鋼瓶，打開手動閥V25/V28/V24，通過減壓閥與流量計控制氮氣充入速度。鉑電阻裝入底部探測氮氣出口實時溫度，通過溫度巡檢儀控溫控制。兩只吸附塔長度為1300mm，加熱絲插入吸附塔內(nèi)1100mm 位置。通過邊加熱邊充氮方式，將吸附飽和的吸附劑進行再生。

充氮再生系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 充氮再生系統(tǒng)

3.3 改進系統(tǒng)氣路

深冷單元進氣、抽氣、抽真空及回氣接口合為深冷容器凈化接口，各功能采用耐低溫電動球閥進行轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)各單元閥門采用電動球閥與部門手動閥控制方式，提高了系統(tǒng)氣路的可操作性，降低了氣體泄漏的可能性，保障了SF6回收凈化過程的安全性。

3.4 改造電氣控制

系統(tǒng)電氣控制采用觸摸屏+PLC控制方式，自動進行一次、二次處理，操作簡單方便。工作人員通過觸摸屏一鍵式操作系統(tǒng)（換SF6鋼瓶、灌瓶除外），流程動態(tài)顯示系統(tǒng)運行狀況。保留深冷單元手動按鈕控制，低溫液體泵控制采用手動控制，進行手動灌瓶。冷水塔改為冷水機組，防止寒冷天氣水上凍。

通過對SF6氣體凈化處理裝置的待處理氣/尾氣凈化處理系統(tǒng)、充氮再生系統(tǒng)、系統(tǒng)氣路和電氣控制的改造，凈化處理速率達到150kg/h 以上，大幅提升氣體處理水平和凈化效率，實現(xiàn)回收過程智能化處理。

4 開展SF6碳資產(chǎn)數(shù)字化管控技術(shù)研究

為實現(xiàn)SF6氣體碳資可視化管理和SF6氣體碳資產(chǎn)全過程監(jiān)督執(zhí)行，搭建SF6碳資產(chǎn)數(shù)字化管控平臺，對SF6采購、出入庫、使用以及回收和凈化的全生命碳資產(chǎn)周期進行數(shù)字化管理，推動SF6氣體的循環(huán)利用和減排工作精細化，提高SF6氣體減排工作的智能化水平，將減排成本轉(zhuǎn)化為減排效益，既承擔(dān)社會責(zé)任，又獲得經(jīng)濟收益。

4.1 采集多源氣體碳資產(chǎn)數(shù)據(jù)

基于省市二級建立統(tǒng)一SF6碳資產(chǎn)臺賬管理[3]，通過智能化手段和人工方式相結(jié)合的方式，完成SF6氣體出入庫、充補氣、回收及凈化處理等碳資產(chǎn)多維數(shù)據(jù)錄入收集。同時，各單位及時更新完善本單位氣體設(shè)備臺賬及檢測、監(jiān)測儀器臺賬信息，并及時錄入檢修設(shè)備的基礎(chǔ)信息，包括凈化氣回用和檢修剩余回用氣體出入庫重量碳轉(zhuǎn)換信息。

4.2 搭建SF6碳資產(chǎn)數(shù)字化管控平臺

為了更好地實現(xiàn)溫室氣體SF6的碳資產(chǎn)管理，通過SF6碳資產(chǎn)數(shù)字化管控平臺的搭建，從SF6氣體采購、運輸、出入庫、使用、回收、凈化、提純、檢測和退役等環(huán)節(jié)來確定SF6碳資產(chǎn)來源；通過對各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)信息采集、上傳、匯總分析，根據(jù)各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)特點建立電網(wǎng)企業(yè)SF6碳排放核算指標清單，實現(xiàn)對碳資產(chǎn)信息采集和SF6碳資產(chǎn)全流程數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，為減排能力提升提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和保障，實現(xiàn)SF6碳資產(chǎn)流轉(zhuǎn)信息快速識別，促進SF6碳資產(chǎn)管控工作的開展。

5 應(yīng)用成果

針對回收、凈化裝置存在的問題，通過對現(xiàn)有技術(shù)的革新，實現(xiàn)裝置智能化改造升級，提升了SF6氣體回收凈化技術(shù)水平，提高了凈化處理裝置的處理水平，實現(xiàn)氣體減排的基礎(chǔ)設(shè)施配備，減少廢氣排放、提高氣體利用率。響應(yīng)國家“雙碳”目標，達到減少溫室氣體排放的目的，為國家電網(wǎng)公司“致力環(huán)境保護、建設(shè)綠色電網(wǎng)”的優(yōu)秀企業(yè)做出自己應(yīng)盡的責(zé)任和貢獻[4]。

通過建設(shè)SF6氣體處理中心和SF6氣體碳資產(chǎn)數(shù)字化管控平臺，對氣體流轉(zhuǎn)進行全過程管理，并建立臺賬模式，保障氣體流轉(zhuǎn)過程中的信息完整性，推動SF6氣體過程管理規(guī)范化，實現(xiàn)SF6氣體的多級場景統(tǒng)一管控，確保循環(huán)利用過程數(shù)據(jù)的真實性、可靠性，提升SF6氣體再利用全過程的數(shù)據(jù)管理及可視化、智能化水平，提高了氣體管理效率，節(jié)省人工數(shù)據(jù)收集和統(tǒng)計時間，極大提高了經(jīng)濟效益。

通過處理中心統(tǒng)一部署調(diào)配、裝置智能化改造，將SF6碳資產(chǎn)數(shù)字化管控平臺系統(tǒng)應(yīng)用到各地市公司，滿足不同業(yè)務(wù)場景便捷化使用。統(tǒng)一管理各單位氣體信息，規(guī)范各單位SF6氣體管理過程，提升SF6整體減排能力提升，可在各網(wǎng)省公司推廣使用，提升設(shè)備、氣體供應(yīng)商、回收服務(wù)公司等主體工作效率以及SF6氣體凈化率，具備良好的環(huán)保效益。

6 結(jié)語

本文總結(jié)了電網(wǎng)溫室氣體減排綜合能力提升的研究與實踐，將人、物通過數(shù)據(jù)管控平臺連接起來，建立氣體處理中心統(tǒng)一管理模式，在裝置智能化的基礎(chǔ)上，構(gòu)建SF6碳資產(chǎn)數(shù)字化管控平臺以及從上至下的數(shù)字化SF6減排框架，從而達到公司減排綜合能力提升的目的。本文通過綜合考量SF6電氣設(shè)備的應(yīng)用和管理兩個層面，為進一步提升溫室氣體減排能力提供了系統(tǒng)的實踐路徑，為電網(wǎng)溫室氣體減排數(shù)字化、智能化、系統(tǒng)化管理提供了借鑒思路，其構(gòu)建的減排升級管理模式不局限于電網(wǎng)內(nèi)部，具有實用及推廣價值。