電力設(shè)備中SF6混合絕緣氣體的凈化分離技術(shù)

張 亮

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030)

SF6混合絕緣氣體是指利用SF6氣體與其他緩沖氣體進(jìn)行混合，如CO2、N2及干燥空氣等，具有低溫易液化特點(diǎn)。以上混合絕緣氣體在低溫地區(qū)的斷路器中有廣泛應(yīng)用。

1 試驗(yàn)材料

在開展SF6混合絕緣氣體分離凈化試驗(yàn)時(shí)，需要做好充足的準(zhǔn)備，如試驗(yàn)使用的材料及設(shè)備等。試驗(yàn)材料為符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的氣體，即純度在99.99%及以上的SF6混合絕緣氣體。N2和CF4是試驗(yàn)需要的氣體，以上氣體的純度均要達(dá)到99.99%及以上。同時(shí)，動態(tài)配氣儀的使用也不可缺少，以便試驗(yàn)過程中配備濃度不同的SF6氣體。

2 試驗(yàn)儀器和設(shè)備

在凈化分離試驗(yàn)中，試驗(yàn)儀器及設(shè)備必不可少，如氣體檢測儀表。在進(jìn)行氣體處理時(shí)，不同階段的氣體指標(biāo)存在一定的差異，為了保證得到對氣體的準(zhǔn)確檢測，氣體監(jiān)測儀表的使用具有重要的作用和意義。常用的氣體檢測儀表主要包括以下幾類，即相色譜儀、SF6氣體純度儀、SF6氣體濕度儀及SF6氣體綜合分析儀等。SF6混合絕緣氣體經(jīng)過處理后，在純度、濕度及分解產(chǎn)物方面會發(fā)生不同程度的變化，需要利用合適的檢測儀表對發(fā)生的變化進(jìn)行監(jiān)測，以實(shí)現(xiàn)對吸附單元吸附效應(yīng)的分析，同時(shí)還能了解混合絕緣氣體的質(zhì)量。除了以上監(jiān)測儀表外，還需要準(zhǔn)備模擬試驗(yàn)臺，主要應(yīng)用于SF6/N2及SF6/CF4混合氣體的分離凈化過程中。試驗(yàn)還會涉及壓縮機(jī)的使用，主要用途是增壓。在對混合氣體中的水分、粉塵、分解物及各種雜質(zhì)進(jìn)行去除時(shí)，需要利用回收灌裝過濾裝置。

3 SF6混合絕緣氣體在線處理方式

SF6混合絕緣氣體或SF6氣體對應(yīng)的分解現(xiàn)象，通常在長時(shí)間帶電運(yùn)行及放電情況下才會出現(xiàn)，也會與所處環(huán)境中的氧氣和水分發(fā)生反應(yīng)。以上過程中產(chǎn)生的分解物質(zhì)帶有一定程度的腐蝕性。SF6氣體凈化處理系統(tǒng)的主要原理是吸附單元將回收到的SF6氣體中的雜質(zhì)進(jìn)行去除。雜質(zhì)中主要包括粉塵、酸性分解產(chǎn)物及水分等。經(jīng)過處理的氣體如果不存在有害性，可以直接排放到大氣中。但是在開展SF6混合絕緣氣體處理工作的過程中，不能直接對以上系統(tǒng)進(jìn)行使用，需要采取有效措施，做好升級和優(yōu)化，即將此系統(tǒng)與SF6混合絕緣氣體的控制單元進(jìn)行充分結(jié)合，令氣體處理工作得到良好的校正，直到處理后的氣體符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求，達(dá)到循環(huán)利用的目的。

4 SF6混合絕緣氣體種類及分離凈化技術(shù)

與其他氣體相比，SF6混合絕緣氣體是受污染程度最高的氣體，其中含有大量的分解產(chǎn)物，且碳氟化物無法通過在線處理系統(tǒng)完全去除，需要開展更進(jìn)一步的分離凈化處理。混合氣體中的不同成分之間存在較大差異，需要做好相應(yīng)的分析，結(jié)合實(shí)際情況，明確科學(xué)的處理方式。

4.1 SF6/CF4混合絕緣氣體的分離凈化方式

通過對不同混合絕緣氣體的性能分析，發(fā)現(xiàn)存在巨大差異，傳統(tǒng)的分離技術(shù)很難滿足實(shí)際的分離凈化工作需要，如SF6/ CF4混合絕緣氣體與SF6混合絕緣氣體之間存在很大的不同。要結(jié)合之前的技術(shù)，加強(qiáng)對SF6/ CF4混合絕緣氣體分離凈化技術(shù)的分析，制定合理的技術(shù)研究路線。在液化溫度方面，SF6氣體不同于CF4氣體，可以利用機(jī)械方法將SF6/ CF4混合絕緣氣體進(jìn)行壓縮，使其進(jìn)入到深冷分離塔內(nèi)部，進(jìn)行冷卻降溫，SF6氣體會很快從氣態(tài)進(jìn)入固態(tài)，并集中在分離塔的底部。CF4氣體擁有相對較低的沸點(diǎn)，會始終保持氣態(tài)形式不變，并在分離塔的頂部聚集。通過深冷分離，可以快速將聚集在分離塔頂部的CF4氣體壓出，并將SF6氣體的捕獲器設(shè)置在氣體回收通道中，使CF4氣體的純度有所提高，實(shí)現(xiàn)兩種氣體的初步分離。

4.2 SF6/N2混合絕緣氣體的分離凈化方式

針對SF6/N2混合絕緣氣體進(jìn)行分析，其中N2是空氣的構(gòu)成部分，對外部環(huán)境不存在污染，在進(jìn)行分離工作后可以直接向大氣排放。SF6氣體與N2氣體在分子尺寸方面存在較大的差異，可以充分利用高分子膜，實(shí)現(xiàn)SF6/N2混合絕緣氣體的有效分離。當(dāng)具備一定壓力的混合氣體通過高分子膜分離裝置時(shí)，N2分子在通過膜的高壓側(cè)過程中，會在膜表面溶解，且SF6分子的大部分會在膜的高壓側(cè)被截留，從而達(dá)到兩種氣體初步分離的目的。利用高分子膜開展混合氣體的分離工作，當(dāng)N2分子通過膜表面時(shí)，會有少量的SF6分子到膜的另一側(cè)擴(kuò)散，為了獲得更好的分離效果，可采取多級高分子膜并聯(lián)的方式，與其他分離方法進(jìn)行配合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩種氣體的高純度分離。

4.3 多級高分子膜并聯(lián)分離技術(shù)

混合氣體在通過一級膜時(shí)，會有高達(dá)99%的N2分子進(jìn)行溶解或擴(kuò)散到膜的另一側(cè)，直接排放到空氣中。在高壓側(cè)，雖然有部分SF6氣體會發(fā)生部分濃縮，但是依然存在很多雜質(zhì)，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行分離。進(jìn)行二級膜分離時(shí)，由于混合氣體中的SF6氣體濃度較高，會有更多的SF6分子通過二級膜，但是N2分子透過膜另一側(cè)的數(shù)量大幅降低，需要進(jìn)一步純化才可以向空氣中排放，此時(shí)在高壓側(cè)，SF6氣體的濃度會大幅升高，達(dá)90%及以上，會在1號儲存罐內(nèi)進(jìn)行儲存，等待進(jìn)一步處理。第二次分離的N2通過第三級分離膜時(shí)，純度會提升至99%，可以直接排放到大氣中，而SF6氣體會繼續(xù)進(jìn)行濃縮，在2號儲氣罐完成回收，并等待下一步處理。將以上兩個(gè)儲存罐內(nèi)的SF6氣體，通過高壓低溫精餾的方法進(jìn)行處理。

4.4 高壓低溫精餾過程

在混合氣體中，C3F8及C2F6等氣體具有較低的沸點(diǎn)，不會發(fā)生液化情況，聚集在精餾塔的頂部，在分離工作完成后，可以直接排出，而SF6氣體會經(jīng)過無數(shù)次的相變液化，在精餾塔的底部進(jìn)行沉積，得到的SF6液體具備較高純度。利用多級高分子膜與高壓低溫精餾等技術(shù)方式，可以使SF6/N2混合絕緣氣體的分離效果得到有效保證，得到99%純度的N2，可直接排放到大氣中，并得到純度較高的SF6氣體，實(shí)現(xiàn)此種氣體的循環(huán)利用。

5 結(jié)語

在很多低溫地區(qū)，通常將SF6/CF4混合絕緣氣體應(yīng)用在氣體斷路器中，利用SF6/N2混合絕緣氣體代替SF6氣體應(yīng)用在非滅弧氣室中。通過對以上混合絕緣氣體的有效凈化分離，可以實(shí)現(xiàn)對SF6氣體的循環(huán)再利用，不僅能夠解決SF6氣體的低溫液化問題，還能減少對大氣的污染，節(jié)約成本支出，確保電力設(shè)備的正常運(yùn)行。