一種SF6低溫回收裝置設(shè)計(jì)和測試

楊豐帆, 羅 浪, 陳詩龍, 鄧華璞

(1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司 超高壓公司,武漢 430000,E-mail:18672705110@163.com;2.南昌工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,南昌 330000)

SF6氣體因其優(yōu)良的絕緣特性和電弧熄滅特性, 在電力工業(yè)廣泛的應(yīng)用[1]。同時(shí),SF6氣體也是一種溫室氣體,是聯(lián)合國清潔發(fā)展機(jī)制中規(guī)定的六種溫室氣體中全球增溫潛勢值最高的[2-4],直接排放SF6氣體會(huì)產(chǎn)生極高的溫室效應(yīng)。及對(duì)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重污染。雖然 SF6 氣體無毒,但其分解物HF、SO2、SOF2、SOF4 和SO2F4等有劇毒和強(qiáng)腐蝕性,這些物質(zhì)會(huì)直接影響人體健康[5-8]。

目前SF6回收裝置主要采用集氣袋式收集或儲(chǔ)氣罐壓縮SF6式收集[9]。但是集氣袋式收集容積限制,每次測量需要準(zhǔn)備多個(gè)集氣袋,且集氣袋充氣后體積膨脹,占用較大車載面積,不易運(yùn)輸;集氣袋采用柔性材質(zhì)生產(chǎn)制作,容易被尖刺物刺破,造成氣體泄漏;集氣袋內(nèi)無壓力監(jiān)測,無法監(jiān)測充裝情況,充滿后如不能及時(shí)更換造成后端壓力較高影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。儲(chǔ)氣罐六氟化硫壓縮式收集存在大型裝置現(xiàn)場搬運(yùn)不方便、大型裝置現(xiàn)場操作不方便、管道連接繁瑣。

研發(fā)并設(shè)計(jì)的SF6氣體低溫回收裝置[10-14],采用斯特林制冷機(jī)作為冷源,將SF6氣體降溫至-62 ℃以下,SF6由氣體液化成液態(tài)存儲(chǔ)在儲(chǔ)氣罐中,真空罐進(jìn)行保溫減少冷量的流失。液態(tài)的SF6體積小,可極大地提高儲(chǔ)氣罐的收集能力。因此改裝置具有制冷量大、效益高、重量輕、保溫性能好、可靠性高、流量壓力溫度可視化和便于搬運(yùn)等優(yōu)點(diǎn)。

1 SF6氣體低溫回收裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

SF6氣體低溫回收裝置的工作原理為:SF6氣體降溫至-62 ℃以下時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)化為液態(tài),斯特林制冷機(jī)作為冷源液化SF6氣體,儲(chǔ)氣罐收集并儲(chǔ)存SF6,冷量傳輸結(jié)構(gòu)將斯特林制冷機(jī)冷頭輸出的制冷量傳輸給儲(chǔ)氣罐,真空罐通過抽真空降低導(dǎo)熱系數(shù)以對(duì)儲(chǔ)氣罐保溫,傳感器包括壓力傳感器、流量傳感器和溫度傳感器,通過可編程控制器和觸摸屏可視化顯示裝置的參數(shù)。SF6回收裝置設(shè)計(jì)包括儲(chǔ)氣罐設(shè)計(jì)、真空罐設(shè)計(jì)、冷量傳輸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制冷機(jī)冷量校核設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)目標(biāo)如表1所示。

表1 SF6氣體低溫回收裝置設(shè)計(jì)目標(biāo)

SF6氣體低溫回收裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括斯特林制冷機(jī)、儲(chǔ)氣罐、真空罐、冷量傳輸結(jié)構(gòu)、壓力傳感器、PLC、觸摸屏、70 V電源、24 V電源、蜂鳴器、電磁閥、流量傳感器和增壓泵;外觀尺寸長為428 mm、寬為339 mm和高為756 mm;其中斯特林制冷機(jī)作為整套裝置的核心部件,為儲(chǔ)氣罐提供冷源,決定了裝置的主要功能和成本。斯特林制冷機(jī)冷頭安裝冷量傳輸結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)氣罐和冷量傳輸結(jié)構(gòu)通過螺紋連接固定,真空罐和制冷機(jī)冷頭通過膠合的方式連接,以保證真空罐的密封性。冷量傳輸結(jié)構(gòu)上有螺紋進(jìn)氣孔,連接裝置的進(jìn)出氣管路。SF6流量、制冷機(jī)功率、制冷機(jī)冷頭溫度、制冷機(jī)電壓、制冷機(jī)電流、制冷機(jī)熱端溫度和儲(chǔ)氣罐溫度通過觸摸屏顯示和監(jiān)測。當(dāng)壓力、溫度、制冷機(jī)功率超過設(shè)定值時(shí),蜂鳴器報(bào)警。所設(shè)計(jì)的SF6深冷回收裝置具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、便攜式搬運(yùn)、冷量傳輸效果好等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 SF6回收裝置

圖2 儲(chǔ)氣罐的應(yīng)力和變形分布

2.1 儲(chǔ)氣罐設(shè)計(jì)

儲(chǔ)氣罐設(shè)計(jì)要求為容積2 L、安全系數(shù)大于等于3。儲(chǔ)氣罐的形狀可為球型、橢球型、和圓柱型。通過比較分析,為了更好的傳遞冷量和滿足安全系數(shù)要求,本設(shè)計(jì)選擇橢球形。為了連接冷量傳輸結(jié)構(gòu),儲(chǔ)氣罐口加工成PT1/8的管螺紋。儲(chǔ)氣罐材料為鋁合金,鋁合金具有良好的金屬性能,6061鋁合金的屈服強(qiáng)度為110 MPa。儲(chǔ)氣罐的球面半徑R1為67.5 mm、高度H1為300 mm、厚度d1為7 mm。假如儲(chǔ)氣罐儲(chǔ)存滿SF6液體后制冷機(jī)停止工作,儲(chǔ)氣罐內(nèi)SF6由液態(tài)轉(zhuǎn)換成氣態(tài),此時(shí)儲(chǔ)氣罐會(huì)承受10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。儲(chǔ)氣罐承受10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的應(yīng)力和應(yīng)變分布圖如圖3所示。由圖3可知儲(chǔ)氣罐應(yīng)力和變形最高值分布在儲(chǔ)氣罐上下球面,最大應(yīng)力和變形分別為10.54 MPa、9.972e-3 mm,最大應(yīng)力小于6061鋁合金屈服強(qiáng)度110 MPa,滿足設(shè)計(jì)安全系數(shù)大于等于3的要求。

圖3 真空罐應(yīng)力和變形分布

2.2 真空罐設(shè)計(jì)

真空罐設(shè)計(jì)要求為能抽真空度小于10-3Pa、安全系數(shù)大于等于3。真空罐由6塊玻璃纖維板組成;每塊玻璃纖維板的周圍加工有M4的螺紋孔,通過內(nèi)六角M4螺絲將6塊玻璃纖維板組裝在一起;真空罐上頂板開有通制冷機(jī)的冷頭孔,前板開有抽真空孔和通氣體管路孔,左板開有傳感器導(dǎo)線孔;真空罐材料為玻璃纖維,玻璃纖維具有密度小和導(dǎo)熱性系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。真空罐的底面邊長為227 mm、高H2為394 mm、厚度d2為9 mm。真空罐真空度為10-3Pa,大約會(huì)承受1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,應(yīng)力和變形分布圖如圖3所示。由圖3可以確定真空罐的應(yīng)力和應(yīng)變最高值分布在真空罐直角處、玻璃纖維板中心部位,最大應(yīng)力和變形分別為14.36 MPa、7.362e-2 mm,最大應(yīng)力小于玻璃纖維屈服強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)安全系數(shù)大于等于3的要求。

2.3 制冷機(jī)選型

SF6氣體低溫回收裝置在儲(chǔ)氣罐溫度到達(dá)-70 ℃時(shí),通入SF6氣體。通過真空罐壁漏熱計(jì)算、負(fù)載物熱量計(jì)算,得出理論制冷量為9.682 W?？紤]到實(shí)際裝配的絕熱損失,假如只達(dá)到設(shè)計(jì)絕熱性能的40%,則在冷頭-70 ℃時(shí),制冷量至少24.205 W。氣體軸承斯特林制冷機(jī)實(shí)物圖和冷頭溫度與制冷量關(guān)系如圖4所示,由圖4可知CTT80W型氣體軸承斯特林制冷機(jī)冷頭溫度為-70 ℃時(shí),制冷量為90 W,滿足在制冷機(jī)冷頭溫度為-70 ℃時(shí),制冷量大于24.205 W的要求。

圖4 氣體軸承斯特制冷機(jī)

3 深冷回收裝置的傳熱仿真

3.1 儲(chǔ)氣罐溫度場校核

SF6氣體低溫回收裝置真空度抽至10-3Pa,斯特林制冷機(jī)選用CTT80W型氣體軸承斯特林制冷機(jī)。裝置通過COMSOL軟件的固體傳熱模塊有限元分析的結(jié)果如圖5(a)溫度分布圖所示,低溫區(qū)域分布在儲(chǔ)氣罐上,真空罐和儲(chǔ)氣罐溫差較大,說明基于斯特林制冷技術(shù)的SF6深回收裝置通過抽真空的方式可以有效的降低冷量向環(huán)境傳遞。溫度曲線如圖5(b)所示,儲(chǔ)氣罐的溫度隨時(shí)間降低,降溫速率越來越慢,最后儲(chǔ)氣罐上表面和儲(chǔ)氣罐下表面分別穩(wěn)點(diǎn)在-150 ℃。儲(chǔ)氣罐溫度在大于等于80 min低于六氟化硫液化溫度-62 ℃,儲(chǔ)氣罐下表面能在5 h內(nèi)降溫至-150 ℃,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)儲(chǔ)氣罐溫度小于-62 ℃。

圖5 傳熱仿真

3.2 保溫特性校核

當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)壁溫度到達(dá)-80 ℃時(shí),斯特林制冷機(jī)停止工作,通過COMSOL固體傳熱模塊有限元仿真驗(yàn)證裝置的保溫特性。如圖6所示,儲(chǔ)氣罐的溫度隨時(shí)間上升,溫度變化速率越來越緩慢,儲(chǔ)氣罐在90 min時(shí)候溫度小于等于-62 ℃,滿足設(shè)計(jì)要求低于六氟化硫液化溫度時(shí)間大于等于30 min。

圖6 儲(chǔ)氣罐保溫特性曲線

4 樣機(jī)的制作與測試

根據(jù)設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)要求制作出SF6氣體低溫回收裝置樣機(jī),如圖7所示。樣機(jī)采用CTT80W型氣體軸承斯特林制冷機(jī)作為冷源,連接冷量傳輸結(jié)構(gòu),冷量傳輸結(jié)構(gòu)連接儲(chǔ)氣罐。儲(chǔ)氣罐外壁貼有溫度傳感器,對(duì)SF6回收裝置降溫時(shí)間和保溫時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。通過溫度傳感器測量儲(chǔ)氣罐溫度變化曲線如圖8所示,在裝置不通入六氟化硫氣體情況,儲(chǔ)氣罐能夠在2 h內(nèi)降溫至-104 ℃;在儲(chǔ)氣罐溫度到達(dá)-80 ℃制冷機(jī)停止工作能保持90 min內(nèi)儲(chǔ)氣罐溫度低于-62 ℃。

圖7 SF6回收裝置實(shí)物裝配圖

圖8 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測試中的降溫曲線和保溫曲線

5 結(jié)論

研制了一套SF6氣體低溫回收裝置,采用CTT80W氣體軸承斯特林制冷機(jī)作為裝置冷源;采用冷量傳輸結(jié)構(gòu)有效的將斯特林制冷機(jī)冷頭制冷量傳遞給儲(chǔ)氣罐;采用真空罐對(duì)儲(chǔ)氣罐進(jìn)行保溫減少漏熱。儲(chǔ)氣罐下表面能在2 h內(nèi)溫度降至-103 ℃。在儲(chǔ)氣罐溫度到達(dá)-80 ℃,制冷機(jī)停止工作能保持90 min內(nèi)儲(chǔ)氣罐溫度小于-62 ℃。改裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、可視化監(jiān)控、可靠性高、重量輕、冷量傳輸率高和保溫性好等優(yōu)點(diǎn)。