SF6氣體回收率在線測量方法研究及裝置研制

張 馳，蔡 萱，肖 攀，肖志邦，王佩佩

（1.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.湖北方源東力電力科學研究有限公司，湖北 武漢 430077）

0 引言

SF6氣體因為具有很好的絕緣和滅弧性能，被廣泛應用于電力行業，該氣體具有很強的吸收紅外輻射能力，是一種溫室效應能力極強的氣體。過去很長一段時間內，由于地球大氣中SF6氣體的含量非常低，所以SF6氣體在全球氣候變暖中所發揮的作用沒有得到足夠的重視。SF6氣體化學性質十分穩定，而且排放的SF6氣體正在以每年8.7%的速率增長，導致SF6氣體在大氣中的含量不斷增加。當前，SF6氣體作為《京都議定書》禁排的6 種溫室氣體之一［1-2］，帶來的一系列環保問題越來越引起國家和社會的廣泛關注。

SF6混合氣體絕緣電氣設備的推廣和使用可以一定程度減少SF6氣體的使用量和排放量。楊楨［3］等研究了SF6/N2混合絕緣氣體對氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）母線溫升的影響，結果表明當SF6氣體在混合氣體中的比例一定時，提高混合氣體壓強，能有效減少GIS導體的溫升情況。馬鳳翔［4］等探討混合氣體（SF6/CF4）的分解特性。研究表明在開斷電弧下，SF6/CF4混合氣體的主要分解產物為CO、CO2、SO2、SOF2；分解產物各組分含量均隨著燃弧能量的增加而增加；在相同的燃弧能量下，SF6/CF4混合氣體比純SF6氣體產生更多的碳氧化合物（CO/CO2），而硫化物（SOF2/SO2）的生產量較少。劉朋亮［5］等研究了膜技術在SF6混合絕緣氣體回收及提純中的應用。大量的基礎研究工作［6-14］推動SF6混合氣體在電力行業中使用。2021年3月，實現碳達峰、碳中和正式被納入生態文明建設整體布局，上升為國家戰略。混合氣體不能從根本上解決SF6氣體排放帶來的溫室效應問題。在“碳達峰，碳中和”目標背景下，該項技術解決SF6氣體帶來的環保問題已經顯得力不從心。

為了更好地解決SF6氣體帶來的環保問題，自20世紀70 年代提出SF6替代技術以來，國內外研究者積極尋找潛在的SF6替代氣體。肖登明［15］和鄧云坤等［16］總結了SF6替代氣體發展前景和研究進展。周聯蕊［17］等總結了SF6替代氣體分解特性的研究進展。文獻［18］-文獻［24］研究了C4F7N 新型絕緣氣體及其混合氣體的在不同條件下絕緣和滅弧特性。侯孟希［25］等利用仿真技術研究發現CF4/N2混合物放電過程中存在明顯的協同效應，CF4放電延時隨氣壓增大而增大。唐念［26］等提出將HFO-1336mzz（E）作為絕緣介質應用于電力設備中，并通過實驗證明這種環保氣體與CO2和干燥空氣的混合氣體的絕緣強度與SF6氣體接近。唐念［27］等研究均勻電場中SF6替代氣體雷電沖擊特性，發現C5F10O、C4F7N 及其混合氣體在充氣壓力較低的設備中更具替代SF6可行性。周永言等研究新型環保絕緣氣體1-C3F6與CO2混合氣體的絕緣性能，研究表明在稍不均勻電場中，1-C3F6/CO2混合氣體直流和工頻擊穿電壓隨著充氣壓力的升高而升高，表現出較好的線性度。在極不均勻電場下，1-C3F6/CO2混合氣體工頻擊穿電壓隨著充氣壓力的升高而緩慢升高，逐漸趨于飽和。王寶山等通過研究環保絕緣氣體的構效關系與分子設計，通過比較各種構效關系模型與分子設計技術的優缺點，提出基于量子化學的SF6替代氣體分子設計新方法。侯華等通過研究SF6替代氣體設計和構造，提出官能團加和方法，引入不飽和鍵或形成環結構，同時避免孤立的CHx、CF 等基團，而用CF3、OCF3、SCF3等基團取代，有利于獲得絕緣性能優異的氣體分子。通過大量SF6替代氣體的研究，各種替代氣體在某些方面確實表現出明顯的優勢，但是相比于SF6氣體，在部分特性存在不小的差距。當下，通過替代氣體全面取代SF6作為絕緣介質還無法實現。

SF6氣體回收處理和循環再利用是目前控制SF6氣體使用量和排放量最有效、最可行的方法。2021 年3月，實現碳達峰、碳中和正式被納入生態文明建設整體布局，上升為國家戰略。2019年，國資委將“SF6氣體回收率”納入中央企業負責人任期經營業績考核。國家電網有限公司規定SF6氣體循環利用工作堅持“分散回收、集中處理、統一檢測、循環利用”的原則，納入公司日常生產運維檢修管理。但是，SF6氣體回收工作相關統計數據的準確性和相關數據獲取的便捷性始終無法滿足生產需求，需要在這一方面尋求技術突破。

1 SF6氣體回收存在的問題

SF6氣體回收工作在落實國家電網有限公司相關要求過程中，SF6氣體回收率的準確計算存在較大困難。根據《SF6氣體回收處理和循環再利用統計數據核查規定》，SF6氣體回收率的計算公式如下：

式（1）中，φ為SF6氣體回收率；REP回收為SF6氣體實際回收量（kg）；REP容量為設備回收前SF6氣體實際充裝量（kg）。

氣體實際回收量通常采用稱重的方式進行統計，稱重麻煩，統計效率較低，而且存在一定的偏差。設備中氣體回收前SF6實際充裝量的計算一直是困擾工作現場的難題。《SF6氣體回收處理和循環再利用統計數據核查規定》中給出了3種方法：1）經驗公式計算法。通過設備銘牌中氣體額定充氣量，采用理想氣體的計算公式直接計算出SF6實際氣體充裝量。但是，大量運行設備銘牌上未標明氣體額定充氣量。另外，SF6氣體是一種典型的非理想氣體，采用理想氣體的計算公式進行計算，計算結果存在很大的偏差。2）直接測量法測量。現場直接測量的方法受限于現場設備和環境條件，該法無法在實際應用中廣泛推廣。3）通過設備生產廠家查詢氣體充裝量。現場設備設計千差萬別，設備生產廠家無法針對每一個具體設備給出準確的充氣數據。因此，以上3 種方法都無法很好地解決現場工作的實際困難。

2 在線測量方法研究及裝置研制

為解決上文中提到的SF6氣體現場回收過程中存在的技術問題，本文通過研究SF6氣體回收率在線測量方法，并設計研制基于該方法的測量裝置，快速準確地計算出SF6氣體運行設備內的SF6實際充氣量、SF6回收量和SF6回收率。

2.1 理論計算

已知通過壓力傳感器及溫度傳感器測得回收之前氣室溫度及壓力為T0、P0，系統預計壓力減少一定量之后氣室溫度及壓力為T1、P1，回收之后的氣室溫度及壓力為T2、P2，回收過程中的氣室溫度及壓力為Ti、Pi，流量傳感器測得回收過程中的實時氣體量為ΔV0，流量傳感器測得的總氣體量為ΔV1。

式（2）中：P1為SF6氣體的絕對壓力，單位MPa；ρ為SF6氣體的密度，單位kg/m3；T1為SF6氣體的熱力學溫度，單位K。

將回收之前氣室內的溫度T0、壓力P0，回收過程中的氣室溫度T1、壓力P1代入式（2），獲得回收之前及回收過程中的氣室的SF6氣體密度ρ0、ρ1。

將回收過程中的氣室溫度及壓力Ti、Pi代入式（2），即可獲得實時氣罐內的氣體密度ρi，將實時密度ρi及回收前氣室氣體密度ρ0代入式（6）中，即可獲得回收過程中的實時氣體回收率。

在回收結束后，將獲取的回收之后的氣室溫度及壓力T2、P2代入式（2），獲得回收之后的氣室的SF6氣體密度ρ2。

同理，再通過回收前SF6氣體密度ρ0及回收后SF6氣體密度ρ2代入上述式（3）、式（4）、式（6）即可計算獲得當前氣室的實際氣體量、已回收氣體量及氣體回收率。

2.2 數據修正

通過“2.1理論計算”中的計算方法進行實際試驗，驗證儀器的容積測量值與罐體實際容積之間的偏差。在多個不同的罐體測量中，發現儀器的測量值與罐體的實際值之間存在1.04 倍的數值偏差規律，通過軟件在“2.1理論計算”的數據計算基礎上，對容積的計算數據乘以1.04，將式（3）變形可得：

將氣室回收前的SF6氣體密度ρ0以及氣室容積V0代入式（5），獲得回收前氣室的氣體量m0。

再在式（7）基礎上通過式（5）、式（6）計算得到氣體總量及回收率、回收氣體量。

2.3 在線測量裝置設計

系統設計圖如圖1所示。裝置通過進氣管一端連接SF6電氣設備氣室，之后氣體分別通過溫度檢測單元、壓力檢測單元、流量檢測單元、電動調節閥、出氣接口以及SF6回收裝置。

圖1 系統設計圖Fig.1 System design structure

通過壓力傳感器和溫度傳感器分別測量放氣前后的電氣設備及定量容積瓶內的壓力、溫度，通過定量容積瓶測量回收時放出氣體的增加量，從而測得電氣設備內氣體減少量，通過放出的氣體減少量及回收前后溫度壓力變化量來計算得到電氣設備氣室容積、氣體總量及氣體回收率，在液晶屏幕中將所測得的氣體總量及回收率實時顯示，并通過無線傳輸模塊將氣體總量及回收率數據傳輸至數據檢測APP中。

3 在線測量裝置準確性驗證

3.1 試驗方案

在儲氣罐內充入一定量的SF6氣體，通過電子秤分別稱得儲氣罐內回收前的重量、回收后的重量及抽真空至50 Pa以下的重量，通過重量數據分別計算出儲氣罐內的氣體總量、回收氣體量（減少的氣體量）以及回收率，再與回收率測量裝置所測得的氣體總量、回收氣體量、回收率進行比對，判定裝置測量準確性。

3.2 試驗材料

試驗準備器件及材料如下：

1）無線電子秤4臺，量程0～200 kg，精度0.05 kg；

2）儲氣罐，容積609 L（通過稱重法測出），帶進出兩個自封接頭；

3）SF6純氣瓶1瓶，純度為99.995%；

4）SF6氣瓶1瓶，用于盛裝回收后的SF6氣體；

5）回收裝置，帶有回收、充氣、抽真空功能；

6）回收率測量裝置，可測量氣室容積、氣體總量、回收氣體量、回收率等數據；

7）3 m 回收管路2 根，用于連接儲氣罐、回收裝置、回收率測量裝置；

8）10 m抽真空管路1根，用于回收裝置抽真空排放尾氣；

9）3 m 帶手閥鋼瓶管路1 根，用于回收裝置內回收氣體充入鋼瓶；

10）3 m帶減壓閥充氣管路1根，用于SF6純氣充氣；

11）液壓叉車1臺，用于搬運儲氣罐；

12）平整木板2塊，用于均衡不同稱之間的重量。

3.3 試驗步驟

1）將4個電子秤擺放整齊，調整高度一致，打開電源，并將木板放置在電子秤上，依次對電子秤進行清零，用液壓叉車將儲氣罐放置在木板中心位置；

2）在儲氣罐上連接回收管路至回收率測量裝置進氣口，回收率測量裝置的出氣口連接管路至回收裝置產品接口，打開回收率測量裝置內部閥門，并在回收裝置抽真空接口上連接抽真空管路，管路另一端放至室外；

3）啟動回收裝置真空泵，觀測真空計示數，等待2 h儲氣罐真空度低于50 Pa后結束抽真空；

4）將減壓閥充氣管路連接至SF6純氣瓶，并將管路另一端連接至儲氣罐，打開閥門，調節減壓閥輸出壓力為0.5 MPa，對儲氣罐充入SF6氣體，充完氣體后拆掉儲氣罐上的所有管路；

5）靜置12 h后，測量此時罐內的質量m1；

6）在回收裝置回收出口處連接SF6氣瓶，并在儲氣罐上連接回收管路至回收率測量裝置進氣口，回收率測量裝置的出氣口連接管路至回收裝置產品接口；

7）啟動回收率測量裝置，啟動回收裝置，開始回收測量；

8）等待回收率測量裝置更新實時回收率后，觀測裝置回收至98%時點擊結束測量，關閉回收裝置；

9）記錄回收率測量裝置測量示數回收率R、氣體總量W0、回收氣體量W1、氣室容積V0；

10）拆掉儲氣罐上的所有管路，測量此時罐內的質量m2；

11）重復步驟2）、步驟3），測量此時罐內的質量m0；

12）重復步驟4）-步驟11），將數據填入表1。

表1 實驗數據Table 1 Experimental data

3.4 試驗小結

根據修正后的算法，結合罐體比對試驗結果可得，回收率測量裝置在測量中，氣體總量測量值W0與稱重計算值誤差小于2%；已回收氣體量測量值W1與稱重計算值誤差小于2%；回收率測量值R與稱重測量誤差小于2%；氣室容積測量值V0與儲氣罐真實容積值誤差小于1.5%，多組測量數據重復性小于1%，滿足要求，該修正算法可行。

4 結語

本文針對運行設備內SF6氣體實際充裝量無法準確獲取，通過理論研究，提出了在SF6氣體回收率在線測量方法。基于這一方法，設計出SF6氣體回收率在線測量裝置，并通過實驗對該裝置準確性和重復性進行了驗證。主要結論如下：

1）基于Beattie-Bridgman 經驗公式，通過各種壓力、溫度傳感器檢測氣體回收前后壓力和溫度變化，通過理論計算方法能夠快速計算出設備內SF6實際氣體量、實際回收氣體量及SF6氣體回收率。

2）通過對理論計算公式進行數據修正后，計算結果準確性能夠更進一步提高。

3）通過實驗驗證，氣體總量測量值W0與稱重計算值誤差小于2%；已回收氣體量測量值W1與稱重計算值誤差小于2%；回收率測量值R與稱重測量誤差小于2%；氣室容積測量值V0與儲氣罐真實容積值誤差小于1.5%，多組測量數據重復性小于1%。