SF6气体回收率在线测量方法研究及装置研制

张 驰，蔡 萱，肖 攀，肖志邦，王佩佩

（1.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.湖北方源东力电力科学研究有限公司，湖北 武汉 430077）

0 引言

SF6气体因为具有很好的绝缘和灭弧性能，被广泛应用于电力行业，该气体具有很强的吸收红外辐射能力，是一种温室效应能力极强的气体。过去很长一段时间内，由于地球大气中SF6气体的含量非常低，所以SF6气体在全球气候变暖中所发挥的作用没有得到足够的重视。SF6气体化学性质十分稳定，而且排放的SF6气体正在以每年8.7%的速率增长，导致SF6气体在大气中的含量不断增加。当前，SF6气体作为《京都议定书》禁排的6 种温室气体之一［1-2］，带来的一系列环保问题越来越引起国家和社会的广泛关注。

SF6混合气体绝缘电气设备的推广和使用可以一定程度减少SF6气体的使用量和排放量。杨桢［3］等研究了SF6/N2混合绝缘气体对气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）母线温升的影响，结果表明当SF6气体在混合气体中的比例一定时，提高混合气体压强，能有效减少GIS导体的温升情况。马凤翔［4］等探讨混合气体（SF6/CF4）的分解特性。研究表明在开断电弧下，SF6/CF4混合气体的主要分解产物为CO、CO2、SO2、SOF2；分解产物各组分含量均随着燃弧能量的增加而增加；在相同的燃弧能量下，SF6/CF4混合气体比纯SF6气体产生更多的碳氧化合物（CO/CO2），而硫化物（SOF2/SO2）的生产量较少。刘朋亮［5］等研究了膜技术在SF6混合绝缘气体回收及提纯中的应用。大量的基础研究工作［6-14］推动SF6混合气体在电力行业中使用。2021年3月，实现碳达峰、碳中和正式被纳入生态文明建设整体布局，上升为国家战略。混合气体不能从根本上解决SF6气体排放带来的温室效应问题。在“碳达峰，碳中和”目标背景下，该项技术解决SF6气体带来的环保问题已经显得力不从心。

为了更好地解决SF6气体带来的环保问题，自20世纪70 年代提出SF6替代技术以来，国内外研究者积极寻找潜在的SF6替代气体。肖登明［15］和邓云坤等［16］总结了SF6替代气体发展前景和研究进展。周联蕊［17］等总结了SF6替代气体分解特性的研究进展。文献［18］-文献［24］研究了C4F7N 新型绝缘气体及其混合气体的在不同条件下绝缘和灭弧特性。侯孟希［25］等利用仿真技术研究发现CF4/N2混合物放电过程中存在明显的协同效应，CF4放电延时随气压增大而增大。唐念［26］等提出将HFO-1336mzz（E）作为绝缘介质应用于电力设备中，并通过实验证明这种环保气体与CO2和干燥空气的混合气体的绝缘强度与SF6气体接近。唐念［27］等研究均匀电场中SF6替代气体雷电冲击特性，发现C5F10O、C4F7N 及其混合气体在充气压力较低的设备中更具替代SF6可行性。周永言等研究新型环保绝缘气体1-C3F6与CO2混合气体的绝缘性能，研究表明在稍不均匀电场中，1-C3F6/CO2混合气体直流和工频击穿电压随着充气压力的升高而升高，表现出较好的线性度。在极不均匀电场下，1-C3F6/CO2混合气体工频击穿电压随着充气压力的升高而缓慢升高，逐渐趋于饱和。王宝山等通过研究环保绝缘气体的构效关系与分子设计，通过比较各种构效关系模型与分子设计技术的优缺点，提出基于量子化学的SF6替代气体分子设计新方法。侯华等通过研究SF6替代气体设计和构造，提出官能团加和方法，引入不饱和键或形成环结构，同时避免孤立的CHx、CF 等基团，而用CF3、OCF3、SCF3等基团取代，有利于获得绝缘性能优异的气体分子。通过大量SF6替代气体的研究，各种替代气体在某些方面确实表现出明显的优势，但是相比于SF6气体，在部分特性存在不小的差距。当下，通过替代气体全面取代SF6作为绝缘介质还无法实现。

SF6气体回收处理和循环再利用是目前控制SF6气体使用量和排放量最有效、最可行的方法。2021 年3月，实现碳达峰、碳中和正式被纳入生态文明建设整体布局，上升为国家战略。2019年，国资委将“SF6气体回收率”纳入中央企业负责人任期经营业绩考核。国家电网有限公司规定SF6气体循环利用工作坚持“分散回收、集中处理、统一检测、循环利用”的原则，纳入公司日常生产运维检修管理。但是，SF6气体回收工作相关统计数据的准确性和相关数据获取的便捷性始终无法满足生产需求，需要在这一方面寻求技术突破。

1 SF6气体回收存在的问题

SF6气体回收工作在落实国家电网有限公司相关要求过程中，SF6气体回收率的准确计算存在较大困难。根据《SF6气体回收处理和循环再利用统计数据核查规定》，SF6气体回收率的计算公式如下：

式（1）中，φ为SF6气体回收率；REP回收为SF6气体实际回收量（kg）；REP容量为设备回收前SF6气体实际充装量（kg）。

气体实际回收量通常采用称重的方式进行统计，称重麻烦，统计效率较低，而且存在一定的偏差。设备中气体回收前SF6实际充装量的计算一直是困扰工作现场的难题。《SF6气体回收处理和循环再利用统计数据核查规定》中给出了3种方法：1）经验公式计算法。通过设备铭牌中气体额定充气量，采用理想气体的计算公式直接计算出SF6实际气体充装量。但是，大量运行设备铭牌上未标明气体额定充气量。另外，SF6气体是一种典型的非理想气体，采用理想气体的计算公式进行计算，计算结果存在很大的偏差。2）直接测量法测量。现场直接测量的方法受限于现场设备和环境条件，该法无法在实际应用中广泛推广。3）通过设备生产厂家查询气体充装量。现场设备设计千差万别，设备生产厂家无法针对每一个具体设备给出准确的充气数据。因此，以上3 种方法都无法很好地解决现场工作的实际困难。

2 在线测量方法研究及装置研制

为解决上文中提到的SF6气体现场回收过程中存在的技术问题，本文通过研究SF6气体回收率在线测量方法，并设计研制基于该方法的测量装置，快速准确地计算出SF6气体运行设备内的SF6实际充气量、SF6回收量和SF6回收率。

2.1 理论计算

已知通过压力传感器及温度传感器测得回收之前气室温度及压力为T0、P0，系统预计压力减少一定量之后气室温度及压力为T1、P1，回收之后的气室温度及压力为T2、P2，回收过程中的气室温度及压力为Ti、Pi，流量传感器测得回收过程中的实时气体量为ΔV0，流量传感器测得的总气体量为ΔV1。

式（2）中：P1为SF6气体的绝对压力，单位MPa；ρ为SF6气体的密度，单位kg/m3；T1为SF6气体的热力学温度，单位K。

将回收之前气室内的温度T0、压力P0，回收过程中的气室温度T1、压力P1代入式（2），获得回收之前及回收过程中的气室的SF6气体密度ρ0、ρ1。

将回收过程中的气室温度及压力Ti、Pi代入式（2），即可获得实时气罐内的气体密度ρi，将实时密度ρi及回收前气室气体密度ρ0代入式（6）中，即可获得回收过程中的实时气体回收率。

在回收结束后，将获取的回收之后的气室温度及压力T2、P2代入式（2），获得回收之后的气室的SF6气体密度ρ2。

同理，再通过回收前SF6气体密度ρ0及回收后SF6气体密度ρ2代入上述式（3）、式（4）、式（6）即可计算获得当前气室的实际气体量、已回收气体量及气体回收率。

2.2 数据修正

通过“2.1理论计算”中的计算方法进行实际试验，验证仪器的容积测量值与罐体实际容积之间的偏差。在多个不同的罐体测量中，发现仪器的测量值与罐体的实际值之间存在1.04 倍的数值偏差规律，通过软件在“2.1理论计算”的数据计算基础上，对容积的计算数据乘以1.04，将式（3）变形可得：

将气室回收前的SF6气体密度ρ0以及气室容积V0代入式（5），获得回收前气室的气体量m0。

再在式（7）基础上通过式（5）、式（6）计算得到气体总量及回收率、回收气体量。

2.3 在线测量装置设计

系统设计图如图1所示。装置通过进气管一端连接SF6电气设备气室，之后气体分别通过温度检测单元、压力检测单元、流量检测单元、电动调节阀、出气接口以及SF6回收装置。

图1 系统设计图Fig.1 System design structure

通过压力传感器和温度传感器分别测量放气前后的电气设备及定量容积瓶内的压力、温度，通过定量容积瓶测量回收时放出气体的增加量，从而测得电气设备内气体减少量，通过放出的气体减少量及回收前后温度压力变化量来计算得到电气设备气室容积、气体总量及气体回收率，在液晶屏幕中将所测得的气体总量及回收率实时显示，并通过无线传输模块将气体总量及回收率数据传输至数据检测APP中。

3 在线测量装置准确性验证

3.1 试验方案

在储气罐内充入一定量的SF6气体，通过电子秤分别称得储气罐内回收前的重量、回收后的重量及抽真空至50 Pa以下的重量，通过重量数据分别计算出储气罐内的气体总量、回收气体量（减少的气体量）以及回收率，再与回收率测量装置所测得的气体总量、回收气体量、回收率进行比对，判定装置测量准确性。

3.2 试验材料

试验准备器件及材料如下：

1）无线电子秤4台，量程0～200 kg，精度0.05 kg；

2）储气罐，容积609 L（通过称重法测出），带进出两个自封接头；

3）SF6纯气瓶1瓶，纯度为99.995%；

4）SF6气瓶1瓶，用于盛装回收后的SF6气体；

5）回收装置，带有回收、充气、抽真空功能；

6）回收率测量装置，可测量气室容积、气体总量、回收气体量、回收率等数据；

7）3 m 回收管路2 根，用于连接储气罐、回收装置、回收率测量装置；

8）10 m抽真空管路1根，用于回收装置抽真空排放尾气；

9）3 m 带手阀钢瓶管路1 根，用于回收装置内回收气体充入钢瓶；

10）3 m带减压阀充气管路1根，用于SF6纯气充气；

11）液压叉车1台，用于搬运储气罐；

12）平整木板2块，用于均衡不同称之间的重量。

3.3 试验步骤

1）将4个电子秤摆放整齐，调整高度一致，打开电源，并将木板放置在电子秤上，依次对电子秤进行清零，用液压叉车将储气罐放置在木板中心位置；

2）在储气罐上连接回收管路至回收率测量装置进气口，回收率测量装置的出气口连接管路至回收装置产品接口，打开回收率测量装置内部阀门，并在回收装置抽真空接口上连接抽真空管路，管路另一端放至室外；

3）启动回收装置真空泵，观测真空计示数，等待2 h储气罐真空度低于50 Pa后结束抽真空；

4）将减压阀充气管路连接至SF6纯气瓶，并将管路另一端连接至储气罐，打开阀门，调节减压阀输出压力为0.5 MPa，对储气罐充入SF6气体，充完气体后拆掉储气罐上的所有管路；

5）静置12 h后，测量此时罐内的质量m1；

6）在回收装置回收出口处连接SF6气瓶，并在储气罐上连接回收管路至回收率测量装置进气口，回收率测量装置的出气口连接管路至回收装置产品接口；

7）启动回收率测量装置，启动回收装置，开始回收测量；

8）等待回收率测量装置更新实时回收率后，观测装置回收至98%时点击结束测量，关闭回收装置；

9）记录回收率测量装置测量示数回收率R、气体总量W0、回收气体量W1、气室容积V0；

10）拆掉储气罐上的所有管路，测量此时罐内的质量m2；

11）重复步骤2）、步骤3），测量此时罐内的质量m0；

12）重复步骤4）-步骤11），将数据填入表1。

表1 实验数据Table 1 Experimental data

3.4 试验小结

根据修正后的算法，结合罐体比对试验结果可得，回收率测量装置在测量中，气体总量测量值W0与称重计算值误差小于2%；已回收气体量测量值W1与称重计算值误差小于2%；回收率测量值R与称重测量误差小于2%；气室容积测量值V0与储气罐真实容积值误差小于1.5%，多组测量数据重复性小于1%，满足要求，该修正算法可行。

4 结语

本文针对运行设备内SF6气体实际充装量无法准确获取，通过理论研究，提出了在SF6气体回收率在线测量方法。基于这一方法，设计出SF6气体回收率在线测量装置，并通过实验对该装置准确性和重复性进行了验证。主要结论如下：

1）基于Beattie-Bridgman 经验公式，通过各种压力、温度传感器检测气体回收前后压力和温度变化，通过理论计算方法能够快速计算出设备内SF6实际气体量、实际回收气体量及SF6气体回收率。

2）通过对理论计算公式进行数据修正后，计算结果准确性能够更进一步提高。

3）通过实验验证，气体总量测量值W0与称重计算值误差小于2%；已回收气体量测量值W1与称重计算值误差小于2%；回收率测量值R与称重测量误差小于2%；气室容积测量值V0与储气罐真实容积值误差小于1.5%，多组测量数据重复性小于1%。