張建飛,劉朋亮,馬鳳翔,謝東晨,賈帥龍

(1.河南平高電氣股份有限公司,河南 平頂山 467000;2.國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學研究院,安徽 合肥 230022)

0 引言

六氟化硫(SF6)氣體的絕緣滅弧性能極為優(yōu)異,以其為絕緣介質的絕緣電氣設備被廣泛應用于國內外電力系統(tǒng)[15]。然而SF6氣體的溫室效應顯著,被公認為是一種對大氣環(huán)境具有較大危害的溫室氣體,其全球變暖潛能為迄今已知溫室氣體之最,達到了二氧化碳氣體的23 900倍,自然壽命長達3 200年以上,是《京都議定書》中禁止排放的6種溫室氣體之一[6-8],因而在使用過程中必須對SF6氣體進行嚴格控制。

為適應國際環(huán)保要求,減少溫室氣體排放,國內外積極研究混合絕緣氣體替代純SF6氣體,減少SF6氣體用量[916]。20世紀80年代,國外開始將SF6/N2混合氣體(SF6氣體體積分數(shù)50%~60%)斷路器在低溫地區(qū)應用,以避免SF6氣體低溫液化。2001年,西門子公司研制的第2代氣體輸電管線采用SF6/N2混合氣體(SF6氣體體積分數(shù)10%)在日內瓦成功投入使用;ABB 公司研制并在法國建設了首條長距離SF6/N2混合絕緣氣體GIL,取代了原有的420 k V 架空輸電線路[17]。中國研制的1 100 k V SF6/N2混合絕緣氣體GIL于2016年在武漢特高壓交流試驗基地開始帶電運行,并順利通過為期1年的帶電考核。2016—2018年,國家電網(wǎng)有限公司聯(lián)合GIS設備制造廠家開展了SF6/N2混合氣體(SF6氣體體積分數(shù)30%)在GIS母線中應用的關鍵技術研究[18-22],制定了《SF6/N2混合氣體GIS母線技術規(guī)范》等多項技術規(guī)范文件,并在河北、山東、河南等地3座110 k V 變電站和5座220 k V GIS變電站GIS母線上順利完成了為期1 年的試點應用;2018—2020年,開展了SF6/N2混合氣體隔離和接地開關關鍵技術研究,并在重慶等地開展了SF6/N2混合氣體隔離開關試點應用。

由于N2液化臨界溫度極低,常溫下難以加壓液化,現(xiàn)有成熟的純SF6氣體回收儲存技術并不適用于SF6/N2混合氣體。為解決SF6/N2混合氣體現(xiàn)場難以液化、回收、儲存等難題,亟需一種新型的氣體分離技術,將SF6和N2的高效分離,實現(xiàn)SF6氣體的回收再利用和N2的無害排放。膜分離技術具有綠色環(huán)保、高效分離的優(yōu)點[23-26],為此難題提供了一種解決思路。

1 單級分離膜分離技術研究

為確定單級分離膜的分離效果,選擇某品牌P 3010型玻璃態(tài)聚酰亞胺氣體分離膜作為測試膜組件。玻璃態(tài)聚合物膜是一種擴散控制的氣體分離膜,具有較高的選擇性。測試P 3010型玻璃態(tài)聚酰亞胺氣體分離膜對SF6/N2混合氣體的滲透速率和分離選擇性,判斷玻璃態(tài)聚合物膜用于SF6/N2混合氣體分離的效果。

1.1 混合氣體滲透測試平臺搭建

為了能夠系統(tǒng)地測試P-3010型玻璃態(tài)聚酰亞胺氣體分離膜的性能參數(shù),搭建了帶溫度調節(jié)功能的混合氣體滲透測試平臺,測試SF6/N2混合氣體的滲透速率和分離選擇性,驗證膜分離技術應用于SF6/N2混合氣體分離回收的可行性。并在此基礎上,測試單級分離膜分離效果,為工藝流程設計和實現(xiàn)工程應用提供依據(jù)。工藝流程如圖1所示。

圖1 混合氣體分離測試工藝流程

主要實驗設備及作用。

1)調壓閥。最高允許進氣壓力5.0 MPaG,出氣壓力調節(jié)范圍為0~1.0 MPaG;

2)針閥。通過開啟程度調節(jié)進氣流量。

3)精密過濾器。過濾精度0.1μm,最高流量為20 m3/h。

4)水浴加熱系統(tǒng)。由水箱、氣路盤管、加熱棒等組成,可調溫度范圍為5~80 ℃。

5)分離膜組件。用于分離SF6和N2的主要部件,最高允許工作壓力2.4 MPaG,最高允許工作溫度65 ℃。

以目前電力行業(yè)常用的SF6氣體體積分數(shù)30%的SF6/N2混合氣體為測試原料氣,測試工藝流程為:SF6/N2混合原料氣經(jīng)調壓閥調節(jié)壓力、針閥調節(jié)流量后,進入精密過濾器,去除可能損傷膜微觀結構的液滴、液霧、粉塵和固體顆粒等。隨后進入水浴加熱系統(tǒng),對原料氣進行溫度調節(jié)控制,加熱后流出的氣體保持穩(wěn)定溫度、壓力PF進入分離膜組件。分子量較小的N2,滲透速率相對較快,在低壓滲透側富集,同時檢測滲透氣流量QP和壓力PP;分子量較大的SF6氣體,滲透速率相對較慢,在高壓滲余側富集。分別在滲透側和滲余側進行氣體取樣,經(jīng)氣相色譜分析分別得到其混合氣體的組成。

1.2 滲透速率和分離選擇性測試

以初壓0.8 MPaG、SF6氣體體積分數(shù)30%的SF6/N2混合氣體為氣源,連接混合氣滲透測試平臺,調節(jié)調壓閥,開啟水浴加熱系統(tǒng),使進入分離膜的氣體壓力PF分別在0.1 MPaG、0.2 MPaG、0.3 MPaG、0.4 MPaG、0.5 MPaG、0.6 MPaG 下,控制溫度T分別在15℃、30℃、45℃、60℃進行實驗,測試分離膜對混合氣體中2種成分的滲透速率,并計算其分離選擇性。

根據(jù)壓力、濃度以及膜分離器的有效滲透面積,可通過公式(1)計算某一氣體的混合氣滲透速率。

式中:J i為滲透速率;QP為滲透流量;y i,P為滲透氣體中物質的摩爾分數(shù);PF為原料側壓力;PP為滲透側壓力;x i,F為原料氣中物質的摩爾分數(shù);x i,R為滲余氣體中物質的摩爾分數(shù);A為膜的有效滲透面積。

通過公式(2)對不同氣體滲透速率進行比較,即可得到分離選擇性。

P3010型玻璃態(tài)聚酰亞胺氣體分離膜在不同溫度和不同壓力下的測試結果見圖2。

圖2 P 3010型氣體分離膜的測試結果

由圖2可知:隨著溫度的升高,玻璃態(tài)聚酰亞胺氣體分離膜分離選擇性略有下降,而氣體滲透速率上升明顯。在可行的溫度和壓力范圍內,P-3010型分離膜的N2/SF6分離選擇性可以達到39以上,而在操作溫度為60 ℃時,N2的滲透速率可以達到2.73 GPU 以上。

對比文獻[27]研究的Cu MOF OMe有機骨架材料和文獻[28]研究的COF 6等材料,相同壓力0.6 MPa和溫度60 ℃條件下,N2/SF6分離選擇性、SF6的滲透速率、N2的滲透速率如表1所示。P 3010型玻璃態(tài)聚酰亞胺氣體分離膜的各項參數(shù)具有一定優(yōu)勢。

表1 不同材料分離選擇性、滲透速率對比

1.3 分離效果測試

為滿足實際應用需求,實現(xiàn)分離后SF6氣體液化灌裝、N2直接無害排放,分離后SF6純度需達到95%以上,排放尾氣中SF6體積分數(shù)不得超過0.05%(簡稱“分離要求”)。由于在操作溫度為60 ℃時,N2的滲透速率可以達到2.73 GPU 以上,因此選擇分離SF6/N2混合氣體的工作溫度為60 ℃。為滿足以上分離后氣體含量的需求,結合實際工作條件,需要測試不同壓力(1.00~3.00 MPaG)下SF6/N2混合氣體的分離效果,檢測分離后滲透側和滲余側的SF6氣體體積分數(shù),選擇最佳的工作壓力。以初壓3.5 MPaG、SF6氣體體積分數(shù)30%的SF6/N2混合氣體為氣源,連接混合氣滲透測試平臺,調節(jié)調壓閥,開啟水浴加熱系統(tǒng),使進入分離膜的氣體壓力PF分別在1.00 MPaG、1.25 MPaG、1.50 MPaG、1.75 MPaG、2.00 MPaG、2.25 MPaG 下,維持溫度T在60 ℃,對P-3010單級分離膜分離效果進行測試,測試結果見表2。

表2 單級分離膜分離效果

從表2中的測試結果可以看出,使用單級分離膜分離流程,隨著壓力的升高,滲余側SF6氣體體積分數(shù)呈逐漸上升趨勢,滲透側SF6氣體體積分數(shù)先上升后下降,在壓力達到2.00 MPaG 時達到最高值,為最佳工作壓力。但是經(jīng)單級分離膜分離后的氣體,并不能滿足分離要求。

2 三級循環(huán)分離系統(tǒng)設計

根據(jù)單級分離膜分離測試結果,結合實際應用條件,選擇進入分離膜的氣體壓力P F為2.00 MPaG、溫度T為60 ℃。經(jīng)過計算分析,設計三級循環(huán)分離系統(tǒng),來實現(xiàn)分離要求。三級循環(huán)膜分離系統(tǒng)主要由預處理模塊、分離模塊、灌裝模塊、尾氣處理模塊四部分組成,工藝流程見圖3。

圖3 分離系統(tǒng)工藝流程

2.1 預處理模塊

預處理模塊的主要作用是將氣源氣體調節(jié)到合適的壓力和溫度,主要由緩沖罐、壓縮機、精密過濾器、水浴加熱系統(tǒng)等部分組成。SF6/N2混合氣體首先進入緩沖罐,為壓縮機提供壓力穩(wěn)定的氣體來源。然后經(jīng)無油壓縮機加壓至2.0 MPaG,然后進入精密過濾器,去除混合氣體中的粉塵和固體顆粒物。最后進入水浴加熱系統(tǒng),將氣體加熱至分離模塊運行所需溫度60 ℃。

2.2 分離模塊

分離模塊的主要作用是將混合氣進行分離,得到純度為95%以上SF6氣體,主要由兩級分離膜組成。恒溫恒壓的混合氣體進入一級分離膜進行分離,在滲透側得到一級N2富集氣,在滲余側得到一級SF6富集氣。一級N2富集氣中仍含有一定的SF6氣體,達不到排放標準,所以需進入尾氣處理模塊進行再次處理。而一級SF6富集氣內仍含有大量的N2,不能直接灌瓶,故需進行二次分離。一級SF6富集氣進入二級分離膜進行再次分離,在滲透側得到二級N2富集氣,在滲余側得到二級SF6富集氣。二級N2富集氣仍然含有少量SF6氣體,需返回預處理模塊再次循環(huán)分離。二級SF6富集氣中SF6體積分數(shù)達到灌瓶要求,進入灌裝模塊進行灌裝。

2.3 灌裝模塊

灌裝模塊的主要作用是將得到的SF6富集氣加壓、降溫、液化,灌裝至儲罐或鋼瓶中,主要由壓縮機、散熱系統(tǒng)和儲罐組成。二級SF6富集氣經(jīng)壓縮機加壓后進入散熱系統(tǒng),降溫至10 ℃以下,達到SF6氣體液化儲存要求,灌裝至儲罐或鋼瓶。

2.4 尾氣處理模塊

尾氣處理模塊的主要作用是對一級N2富集氣進行再次分離,得到SF6體積分數(shù)不超過0.05%N2富集氣,主要由三級分離膜組成。一級N2富集氣進入三級分離膜進行再次分離,在滲透側得到滿足排放標準的N2富集氣,直接排放到大氣中。在滲余側得到三級SF6富集氣,需返回預處理模塊再次循環(huán)分離。

3 三級循環(huán)分離系統(tǒng)效果測試

為驗證三級循環(huán)分離系統(tǒng)的分離效果,準備了容積為5 m3、初壓為0.7 MPaG、SF6氣體體積分數(shù)30%的SF6/N2混合氣體氣源,使用三級循環(huán)膜分離系統(tǒng)進行氣體分離回收,檢測各級分離膜滲透側和滲余側的SF6氣體體積分數(shù),測試結果見表3。

表3 三級循環(huán)膜分離系統(tǒng)測試結果

通過測試結果可以看出,經(jīng)三級循環(huán)膜分離系統(tǒng)處理后,得到的富集SF6氣體(二級分離膜滲余側)純度可以達到98.63%,排放尾氣(三級分離膜滲透側)中SF6體積分數(shù)為0.026%,滿足分離實際應用中分離要求。

4 結論

針對SF6/N2混合氣體現(xiàn)場難以液化、回收、儲存的問題,開展了基于高分子膜的分離技術研究,通過搭建三級循環(huán)分離膜系統(tǒng),實現(xiàn)了SF6/N2混合氣體的有效分離,為SF6/N2混合氣體在電力系統(tǒng)大規(guī)模推廣應用做好準備。

1)玻璃態(tài)聚酰亞胺氣體分離膜的N2/SF6分離選擇性可以達到39以上,在操作溫度為60 ℃時,N2的滲透速率可以達到2.73 GPU 以上,具備將SF6和N2分離的能力。

2)使用單級玻璃態(tài)聚酰亞胺氣體分離膜分離SF6/N2混合氣體,在操作溫度為60 ℃時,隨著壓力的升高,滲余側SF6氣體體積分數(shù)呈逐漸上升趨勢,滲透側SF6氣體體積分數(shù)先上升后下降,在壓力達到2.00 MPaG 時達到最高值。

3)使用三級循環(huán)膜分離工藝,能夠將SF6/N2混合氣體有效分離,滿足分離要求。