一种SF6低温回收装置设计和测试

杨丰帆, 罗 浪, 陈诗龙, 邓华璞

(1.国网湖北省电力有限公司 超高压公司,武汉 430000,E-mail:18672705110@163.com;2.南昌工程学院 机械工程学院,南昌 330000)

SF6气体因其优良的绝缘特性和电弧熄灭特性, 在电力工业广泛的应用[1]。同时,SF6气体也是一种温室气体,是联合国清洁发展机制中规定的六种温室气体中全球增温潜势值最高的[2-4],直接排放SF6气体会产生极高的温室效应。及对大气环境造成严重污染。虽然 SF6 气体无毒,但其分解物HF、SO2、SOF2、SOF4 和SO2F4等有剧毒和强腐蚀性,这些物质会直接影响人体健康[5-8]。

目前SF6回收装置主要采用集气袋式收集或储气罐压缩SF6式收集[9]。但是集气袋式收集容积限制,每次测量需要准备多个集气袋,且集气袋充气后体积膨胀,占用较大车载面积,不易运输;集气袋采用柔性材质生产制作,容易被尖刺物刺破,造成气体泄漏;集气袋内无压力监测,无法监测充装情况,充满后如不能及时更换造成后端压力较高影响实验结果。储气罐六氟化硫压缩式收集存在大型装置现场搬运不方便、大型装置现场操作不方便、管道连接繁琐。

研发并设计的SF6气体低温回收装置[10-14],采用斯特林制冷机作为冷源,将SF6气体降温至-62 ℃以下,SF6由气体液化成液态存储在储气罐中,真空罐进行保温减少冷量的流失。液态的SF6体积小,可极大地提高储气罐的收集能力。因此改装置具有制冷量大、效益高、重量轻、保温性能好、可靠性高、流量压力温度可视化和便于搬运等优点。

1 SF6气体低温回收装置结构及工作原理

SF6气体低温回收装置的工作原理为:SF6气体降温至-62 ℃以下时会转化为液态,斯特林制冷机作为冷源液化SF6气体,储气罐收集并储存SF6,冷量传输结构将斯特林制冷机冷头输出的制冷量传输给储气罐,真空罐通过抽真空降低导热系数以对储气罐保温,传感器包括压力传感器、流量传感器和温度传感器,通过可编程控制器和触摸屏可视化显示装置的参数。SF6回收装置设计包括储气罐设计、真空罐设计、冷量传输结构设计和制冷机冷量校核设计,设计目标如表1所示。

表1 SF6气体低温回收装置设计目标

SF6气体低温回收装置结构如图1所示,包括斯特林制冷机、储气罐、真空罐、冷量传输结构、压力传感器、PLC、触摸屏、70 V电源、24 V电源、蜂鸣器、电磁阀、流量传感器和增压泵;外观尺寸长为428 mm、宽为339 mm和高为756 mm;其中斯特林制冷机作为整套装置的核心部件,为储气罐提供冷源,决定了装置的主要功能和成本。斯特林制冷机冷头安装冷量传输结构、储气罐和冷量传输结构通过螺纹连接固定,真空罐和制冷机冷头通过胶合的方式连接,以保证真空罐的密封性。冷量传输结构上有螺纹进气孔,连接装置的进出气管路。SF6流量、制冷机功率、制冷机冷头温度、制冷机电压、制冷机电流、制冷机热端温度和储气罐温度通过触摸屏显示和监测。当压力、温度、制冷机功率超过设定值时,蜂鸣器报警。所设计的SF6深冷回收装置具有结构紧凑、重量轻、便携式搬运、冷量传输效果好等优点。

图1 SF6回收装置

图2 储气罐的应力和变形分布

2.1 储气罐设计

储气罐设计要求为容积2 L、安全系数大于等于3。储气罐的形状可为球型、椭球型、和圆柱型。通过比较分析,为了更好的传递冷量和满足安全系数要求,本设计选择椭球形。为了连接冷量传输结构,储气罐口加工成PT1/8的管螺纹。储气罐材料为铝合金,铝合金具有良好的金属性能,6061铝合金的屈服强度为110 MPa。储气罐的球面半径R1为67.5 mm、高度H1为300 mm、厚度d1为7 mm。假如储气罐储存满SF6液体后制冷机停止工作,储气罐内SF6由液态转换成气态,此时储气罐会承受10个标准大气压。储气罐承受10个标准大气压下的应力和应变分布图如图3所示。由图3可知储气罐应力和变形最高值分布在储气罐上下球面,最大应力和变形分别为10.54 MPa、9.972e-3 mm,最大应力小于6061铝合金屈服强度110 MPa,满足设计安全系数大于等于3的要求。

图3 真空罐应力和变形分布

2.2 真空罐设计

真空罐设计要求为能抽真空度小于10-3Pa、安全系数大于等于3。真空罐由6块玻璃纤维板组成;每块玻璃纤维板的周围加工有M4的螺纹孔,通过内六角M4螺丝将6块玻璃纤维板组装在一起;真空罐上顶板开有通制冷机的冷头孔,前板开有抽真空孔和通气体管路孔,左板开有传感器导线孔;真空罐材料为玻璃纤维,玻璃纤维具有密度小和导热性系数等优点。真空罐的底面边长为227 mm、高H2为394 mm、厚度d2为9 mm。真空罐真空度为10-3Pa,大约会承受1个标准大气压,应力和变形分布图如图3所示。由图3可以确定真空罐的应力和应变最高值分布在真空罐直角处、玻璃纤维板中心部位,最大应力和变形分别为14.36 MPa、7.362e-2 mm,最大应力小于玻璃纤维屈服强度满足设计安全系数大于等于3的要求。

2.3 制冷机选型

SF6气体低温回收装置在储气罐温度到达-70 ℃时,通入SF6气体。通过真空罐壁漏热计算、负载物热量计算,得出理论制冷量为9.682 W。考虑到实际装配的绝热损失,假如只达到设计绝热性能的40%,则在冷头-70 ℃时,制冷量至少24.205 W。气体轴承斯特林制冷机实物图和冷头温度与制冷量关系如图4所示,由图4可知CTT80W型气体轴承斯特林制冷机冷头温度为-70 ℃时,制冷量为90 W,满足在制冷机冷头温度为-70 ℃时,制冷量大于24.205 W的要求。

图4 气体轴承斯特制冷机

3 深冷回收装置的传热仿真

3.1 储气罐温度场校核

SF6气体低温回收装置真空度抽至10-3Pa,斯特林制冷机选用CTT80W型气体轴承斯特林制冷机。装置通过COMSOL软件的固体传热模块有限元分析的结果如图5(a)温度分布图所示,低温区域分布在储气罐上,真空罐和储气罐温差较大,说明基于斯特林制冷技术的SF6深回收装置通过抽真空的方式可以有效的降低冷量向环境传递。温度曲线如图5(b)所示,储气罐的温度随时间降低,降温速率越来越慢,最后储气罐上表面和储气罐下表面分别稳点在-150 ℃。储气罐温度在大于等于80 min低于六氟化硫液化温度-62 ℃,储气罐下表面能在5 h内降温至-150 ℃,满足设计指标储气罐温度小于-62 ℃。

图5 传热仿真

3.2 保温特性校核

当储气罐内壁温度到达-80 ℃时,斯特林制冷机停止工作,通过COMSOL固体传热模块有限元仿真验证装置的保温特性。如图6所示,储气罐的温度随时间上升,温度变化速率越来越缓慢,储气罐在90 min时候温度小于等于-62 ℃,满足设计要求低于六氟化硫液化温度时间大于等于30 min。

图6 储气罐保温特性曲线

4 样机的制作与测试

根据设计方案和设计要求制作出SF6气体低温回收装置样机,如图7所示。样机采用CTT80W型气体轴承斯特林制冷机作为冷源,连接冷量传输结构,冷量传输结构连接储气罐。储气罐外壁贴有温度传感器,对SF6回收装置降温时间和保温时间进行实验测试。通过温度传感器测量储气罐温度变化曲线如图8所示,在装置不通入六氟化硫气体情况,储气罐能够在2 h内降温至-104 ℃;在储气罐温度到达-80 ℃制冷机停止工作能保持90 min内储气罐温度低于-62 ℃。

图7 SF6回收装置实物装配图

图8 样机实验测试中的降温曲线和保温曲线

5 结论

研制了一套SF6气体低温回收装置,采用CTT80W气体轴承斯特林制冷机作为装置冷源;采用冷量传输结构有效的将斯特林制冷机冷头制冷量传递给储气罐;采用真空罐对储气罐进行保温减少漏热。储气罐下表面能在2 h内温度降至-103 ℃。在储气罐温度到达-80 ℃,制冷机停止工作能保持90 min内储气罐温度小于-62 ℃。改装置具有结构简单、可视化监控、可靠性高、重量轻、冷量传输率高和保温性好等优点。