SF₆集中供氣系統研究與應用

任東峰 路全峰

【摘 要】當前，世界電力市場全封閉組合電器大量應用，電壓等級的不斷攀升，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，其在生產過程中排放至大氣中，會造成極大上午溫室效應。因此高效率的SF6集中供氣系統的研究與應用至關重要。該系統可實現SF6氣體的集中存儲、凈化、供氣、回收，能大幅提高SF6氣體的循環利用率，減少了SF6氣體的排放，可為企業節省大量的生產成本，同時可以減少SF6氣體的排放，減緩全球氣候變暖的步伐。

【關鍵詞】SF6氣體；集中；循環

中圖分類號： TM561 文獻標識碼： A 文章編號： 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色、無嗅、無毒和不可燃的惰性氣體，具有優異的絕緣和滅弧性能。[1]二十世紀中期，六氟化硫氣體被廣泛應用于高壓斷路器、互感器、六氟化硫封閉組合器（GIS）等電力設備中。[2]進入21世紀，世界電力市場全封閉組合電器的大量應用，電壓等級的不斷攀升，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備行業青睞，但其溫室效應是CO2的23900倍，是一種典型的溫室氣體。全球氣候變暖是21世紀人類所面臨最艱巨的挑戰之一，溫室氣體不斷增加導致全球變暖現象愈發凸顯。[4]因此，高效率的SF6循環再利用技術的研究與應用，不僅可應為電力設備制造企業節省大量的生產成本，同時可以減少SF6氣體的排放，減緩全球氣候變暖的步伐。[5]

1 SF6集中供氣系統總體方案

1.1 系統構成及工作原理

SF6集中供氣系統是SF6氣體輸出與回收的專用系統，可實現對電力設備氣室的快速抽真空、充入及回收SF6氣體，同時具備對回收的SF6氣體進行凈化與提純功能。SF6集中供氣系統由分布于廠房內的各工作站、SF6氣體中央處理系統、管路系統三部分組成。分布于廠房內的各工作站對廠房內各處的高壓SF6產品就近抽真空、充SF6氣體和回收SF6氣體；SF6氣體中央處理系統則具有對回收SF6氣體凈化吸附、制冷液化、液態儲存、氣體分離、加熱氣化、氣態儲存備用等一系列功能；管路系統用于連接分布于廠房內的各工作站與SF6氣體中央處理系統。整個SF6集中供氣系統原理見圖1所示。

1.2 主要參數

SF6集中供氣系統主要參數見表1

2 系統功能簡介

2.1 SF6氣體中央處理系統

SF6氣體中央處理系統具有對回收SF6氣體凈化吸附、制冷液化、液態儲存、氣體分離、加熱氣化、氣態儲存備用等一系列功能。其主要由進出口端吸附過濾裝置、冷凝液化裝置、儲液系統及氣體分離裝置、加熱氣化裝置、氣態罐組等設備組成。SF6氣體中央處理系統中原理見圖2所示。

（1）進出口端吸附過濾裝置由吸附器、真空泵、粉塵過濾器等組成。吸附器具有對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，另一組加熱再生。兩組吸附器交替工作和活化再生，以實現氣站不間斷的回收工作。另配一臺雙級旋片真空泵用于吸附器活化時的抽真空。吸附器出口設粉塵過濾器，防止吸附劑粉末向后進入儲液罐中。粉塵過濾器對尺寸≥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SF6。制冷量必須能滿足所有工作站同時回收時的冷凝液化要求。采用低壓壓縮機時（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。 為避免僅有少數工作站回收時啟動大功率制冷機浪費能量，可采用數個小型冷凝液化裝置并聯的方式，工作時根據回收壓縮機的啟動數量由PLC自動判定并啟動幾臺冷凝液化裝置。

（3）儲液系統主要由儲液罐及其配套的電子秤、測控閥門、儀表等組成。采用排氣壓力較低的壓縮機（如2.3Mpa）時，儲液罐外表面必須加絕熱層保溫，并內置制冷蒸發器盤管，把儲液罐內的SF6控制在一個較低的溫度限以下，以便其飽和蒸汽壓始終低于壓縮機的最大排氣壓力。只有這樣，低壓壓縮機才能順利地將SF6氣體回收到儲液罐內。儲液罐應設有有電子秤稱量兩儲液罐中儲存SF6的重量，當儲液罐內SF6重量都達到設定上限值時，給出報警信號并控制整個回收系統停止工作。

（4）氣體分離提純系統，在儲液罐頂部設一小罐，用于收集混進SF6中的空氣；此外再裝一套高壓冷凍分離除氣提純裝置對兩小罐中的混合氣體進行處理，處理后的SF6液體流回儲液罐內，空氣成分則通過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、減壓閥等構成。用于加熱氣化來自儲液罐中的SF6液體并控制出口氣壓。加熱氣化過程全自動控制，當氣態罐壓力上升達到設定值時自動停止加熱氣化，進口電磁閥自動關閉；當氣態罐壓力下降低于設定值時自動開始加熱氣化，進口電磁閥自動開啟使SF6液體流入。

（6） 氣態罐組由兩臺氣態儲存罐、出口粉塵過濾器、出口電磁閥、測控儀表等組成。用于儲存氣態SF6以消除充氣時的氣化速度瓶頸，加快充氣速度。

2.2 工作站

工作站用于對廠房內各處的高壓SF6產品就近抽真空、充SF6氣體和回收SF6氣體，主要由SF6回收系統、抽真空系統、控制系統等組成。

（1）SF6回收系統由回收壓縮機、回收真空泵及連接管路組成。當進口壓力大于大氣壓時，壓縮機單獨工作回收氣體；進口壓力降至大氣壓后，回收真空泵自動啟動和壓縮機串聯回收。壓縮機進氣口壓力控制可通過減壓閥、緩沖罐、電磁閥等的合理布局和動作控制，保證壓縮機進氣口在氣源壓力較高時能維持在正常工作壓力范圍內，并在氣源壓力較低時能獲得盡可能大的流量。整個回收過程全自動控制。

（2）每個工作站單獨配備一套抽真空系統，該抽真空系統抽真空系統由單極旋片泵、羅茨泵及連接管路組成。抽真空系統進氣端應有過壓保護功能，壓力降到大氣壓以下時進口電磁閥才能打開抽真空系統才能啟動。前級泵抽真空到100hPa以下時，羅茨增壓泵自動啟動。每個工作站單獨配備一套抽真空系統，該系統可將排出的含有微量SF6的尾氣經專用的尾氣排放管道排放至廠房外部，不污染車間環境，不影響車間正常的檢漏及生產作業。

2.3 管路系統

管路系統主要由回收管路、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最大排氣壓力作為管路承壓指標。

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

（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集中供氣系統對SF6氣體的回收利用率可高達99%。傳統普通SF6回收充氣設備只能將SF6氣體回收至微負壓，其循環利用率約為90%。SF6集中供氣系統與普通SF6回收充氣設備相比可減少9%的SF6氣體損耗。

3.1 社會效益

以一個日平均循環用氣量為4t的生產企業計算，SF6溫室效應是等量CO2氣體的23900倍。以月有效工作日22天計算，相當于年減排CO2氣體量為4×22×0.09×12×23900=2271456t。

3.2 經濟效益

仍然以一個日平均循環用氣量為4t的生產企業計算，目前SF6氣體為每噸6萬元左右，根據每月有效工作日22天計算，年平均節約氣體采購費用為：4×22×0.09×12×6=570.24萬元。

通過以上分析可以看出，SF6集中供氣系統的應用可為企業節約大量SF6氣體購置費用，同時減少了溫室效應氣體的排放，可對環境保護作出重大貢獻。

4 結束語

SF6集中供氣系統適用于SF6高壓電器生產企業及氣體用量大且需循環使用場合。SF6集中供氣系統對SF6氣體進行集中存儲、凈化、供氣，實現了SF6氣體的高效循環利用，其循環利用率高達99%，減少了SF6氣體的排放。該技術的推廣應用大幅降低了SF6高壓電器制造企業的生產成本。同時減少了溫室氣體的排放，減緩全球氣候變暖的步伐。

【參考文獻】

[1]江栩鑠，黃憲武，陳世昌.GIS 設備規范化檢修的精益化管理[J].高電壓技術， 2017，43（13）：252-257.

[2]Hyrenbach M， Paul T A， Owens J.Environmental and safety aspects of airplus insulated GIS[J].CIRED-Open Access Proceedings Journal，2017，2017（1）：132-135.

[3]馬婧珺.GIS設備中SF6氣體分解影響因素分析[J].科技創新與應用，2017（9）：212-212.

[4]田濤，陳昊，王志軍，等.考慮舒適度的智能變電站環境監測系統研究與設計[J].電力信息與通信技術，2016，14（7）： 46-49.

[5]胡翔宇.淺談特高壓變電站GIS安裝質量控制[J].中國新技術新產品，2017（16）：87-88.