СИСТЕМА И СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГЕКСАФТОРИДА СЕРЫ В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ
SYSTEM AND METHOD FOR SULPHUR HEXAFLUORIDE EXTRACTION IN GASEOUS PHASE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе и способу извлечения многократно используемого гексафторида серы из источника потенциально загрязненного газа.
Уровень техники
6
6
6
6
6
Существует целый ряд отраслей промышленности, где требуется оборудование для работы в атмосфере газообразного гексафторида серы (SF). Одной из таких отраслей является электротехническая промышленность. Газообразный SF имеет очень низкую удельную электропроводность, что делает его исключительно подходящим для изоляции высоковольтного оборудования, например для электрических автоматических выключателей и трансформаторов. Большинство изготовителей оборудования указывают, что их оборудование должно вводиться в эксплуатацию с использованием чистого SF. В промышленных стандартах определено количество и тип загрязняющих веществ, которые могут присутствовать в SF, не нарушая определения годности к употреблению SF.
6
6
6
Чистый SF является относительно дорогостоящим продуктом. К тому же применение SF сопряжено с серьезными экологическими проблемами в связи с его потенциальным содействием парниковому эффекту. Обеспечение экологической безопасности за счет сведения к минимуму выбросов в атмосферу повышает стоимость манипуляций с SF.
6
6
6
6
6
6
4
6
Нормальная обработка SF осуществляется периодически на протяжении срока службы высоковольтного оборудования. Газообразный SF должен быть удален из оборудования перед его техническим обслуживанием, ремонтом или перед выводом из эксплуатации (по истечении срока службы данного оборудования). В ходе такой обработки в SF могут попадать дополнительные загрязняющие вещества, например, воздух, масло и вода. Поэтому качество извлекаемого SF может не соответствовать нормам, предусмотренным промышленным стандартом на SF, пригодным к употреблению, что, зачастую, делает невозможным его повторное использование. Другие загрязняющие вещества могут оказаться в извлекаемом SF вследствие его нормальной эксплуатации в оборудовании, например CF может образовываться в результате возникновения электрической дуги или искрения. Международная электротехническая комиссия (IEC) в своей публикации IEC 60480 под названием «Руководство по проверке и обработке гексафторида серы (SF), выводимого из электрооборудования», изданной в октябре 2004, приводит следующую информацию относительно вероятного происхождения различных типов загрязняющих веществ:
Таблица 1Происхождение веществ, загрязняющих SF<sub>6</sub>
Место нахождения и цель использования SF<sub>6</sub>
Источник загрязняющих веществ
Возможные загрязняющие вещества
Во время обработки и при техническом обслуживании
Утечки и неполная откачка;десорбция
Воздух, масло, H<sub>2</sub>O
Только функция электроизоляции
Частичные разряды; коронный разряд и искрение
HF, SO<sub>2</sub>, SOF<sub>2</sub>, SOF<sub>4</sub>, SO<sub>2</sub>F<sub>4</sub>
В коммутационной аппаратуре
Эрозия из-за электрической дуги при переключении
H<sub>2</sub>O, HF, SO<sub>2</sub>, SOF<sub>2</sub>, SOF<sub>4</sub>, SO<sub>2</sub>F<sub>2</sub>, CuF<sub>2</sub>, SF<sub>4</sub>, WO<sub>3</sub>, CF<sub>4</sub>, АlF<sub>3</sub>
Механическая эрозия
Металлическая пыль, частицы
Внутренняя дуга
Оплавление и разложение материалов
Воздух, Н<sub>2</sub>O, НЕ, SO<sub>2</sub>, SOF<sub>2</sub>, SOF<sub>4</sub>, SO<sub>2</sub>F<sub>2</sub>, SF<sub>4</sub>,CF<sub>4</sub> металлическая пыль, частицы AlF<sub>3</sub>, FeF<sub>3</sub>,WO<sub>3</sub>, CuF<sub>2</sub>
6
Далее, в документе IEC 60480 приведены следующие рекомендованные значения максимальной концентрации загрязняющих веществ, которые могут присутствовать в SF, пригодном к употреблению:
Таблица 2Максимально допустимые концентрации загрязняющих веществ
Загрязняющее вещество
Максимально допустимые значения концентрации
Номинальное абсолютное давление <200 кПа
Номинальное абсолютное давление >200 кПа
Воздух и/или CF<sub>4</sub>
3% по объему
3% по объему
Н<sub>2</sub>O
95 мг/кг
25 мг/кг
Минеральное масло
10 мг/кг
Сумма реакционно-способных газообразных продуктов при разложении
Всего 50 мкл/л или 12 мкл/л для (SO<sub>2</sub>+SOF<sub>2</sub>), или 25 мкл/л HF
6
6
В ситуациях утечки газа, вследствие экологических проблем, вытекающий газ накапливается во все большем количестве, пока не станет возможным его вывод из защитной оболочки. Однако в ходе удерживания газ SF подвергается существенному загрязнению. Поэтому выводимый из полости удержания газ может оказаться далеко не соответствующим стандарту, пригодного к употреблению SF.
6
6
6
6
Известное оборудование для извлечения газообразного SF обычно состоит из насосов высокого давления и больших контейнеров для хранения. Объем свежего газа, закачиваемого в защитную оболочку, относительно велик. Для эффективной работы насосы должны обладать высокой производительностью. Однако очень мощные насосы подходящего типа для обработки SF представляют собой громоздкое и дорогостоящее оборудование. Такие насосы приходится защищать от химического воздействия некоторых продуктов распада SF, при этом поток газа необходимо фильтровать и очищать до подачи на вход насосов. Кроме того, извлечение газообразного SF обычно является длительной процедурой, что нежелательно, особенно при утечке газа.
6
В патенте США №4274851, выданном автору настоящего изобретения, раскрывается устройство для извлечения газа из высоковольтного оборудования с использованием криогенной откачки. Найдено, что криогенная откачка является действенной альтернативой мощному насосному оборудованию. Тем не менее, в описании указанного изобретения не говорится о том, как получать SF в достаточно чистой форме, пригодной для повторного использования.
6
6
6
6
6
Цель настоящего изобретения состоит в обеспечении системы и способа для извлечения пригодного к повторному употреблению сорта SF, причем этот пригодный к повторному употреблению сорт SF имеет степень чистоты, удовлетворяющую требования стандарта IEC 60480. Следующая цель настоящего изобретения состоит в обеспечении средства быстрого извлечения SF из электрооборудования, например, с использованием таких технических средств, которые не чувствительны к химическому воздействию продуктов разложения SF и которые позволяют производить последующую очистку на более позднем этапе и в другом месте. Дальнейшая цель настоящего изобретения состоит в обеспечении извлечения SF без надобности использования мощного насосного оборудования.
Раскрытие сущности изобретения
Согласно первому аспекту настоящего изобретения разработана система для извлечения пригодного к повторному употреблению сорта гексафторида серы из потенциально загрязненного источника газа, содержащего гексафторид серы, причем упомянутая система включает в себя:
по меньшей мере, один извлекающий сосуд, имеющий вход для газа и выход для газа, причем указанный вход для газа приспособлен для подсоединения к упомянутому источнику потенциально загрязненного газа;
первое криогенное средство, которое представляет собой ванну с жидким азотом, в которую погружают, по меньшей мере, один извлекающий сосуд, для понижения температуры, по меньшей мере, одного извлекающего сосуда до значения ниже температуры фазового перехода газообразного гексафторида серы, где при криогенно пониженной температуре давление в, по меньшей мере, одном извлекающем сосуде оказывается ниже, чем давление в источнике потенциально загрязненного газа, что вызывает поступление потенциально загрязненного газа, по меньшей мере, в один сосуд через вход для газа, при этом гексафторид серы, содержащийся в упомянутом потенциально загрязненном газе, переходит в жидкое и/или твердое состояние в, по меньшей мере, одном извлекающем сосуде;
4
средство откачки для откачивания любого несконденсированного загрязняющего газа из, по меньшей мере, одного извлекающего сосуда через выход для газа, пока, по меньшей мере, один извлекающий сосуд находится при криогенно пониженной температуре; при этом средство откачки включает вакуумный насос. Для хранения откачанного несконденстированного загрязняющего газа используют сосуд для хранения. Откачанный несконденсированный загрязняющий газ включает в себя четыреххлористый углерод (CF), который затем извлекают из откаченного газа.
средство для повышения температуры, по меньшей мере, одного извлекающего сосуда от криогенно пониженной температуры, по существу, до точки росы после откачивания несконденсированного газа, где при точке росы пригодный к повторному употреблению сорт газообразного гексафторида серы присутствует в по меньшей мере, одном извлекающем сосуде, а любые способные конденсироваться загрязняющие вещества находятся в жидком и/или твердом состоянии, и где повышение температуры, по существу, до точки росы поднимает давление, по меньшей мере, в одном извлекающем сосуде;
по меньшей мере, один рекуперационный сосуд, имеющий вход для газа, который приспособлен для подсоединения к упомянутому газоотводному выходу, по меньшей мере, одного извлекающего сосуда;
второе криогенное средство, представляющее собой ванну с жидким азотом, в которую погружают, по меньшей мере, один рекуперационный сосуд, для понижения температуры, по меньшей мере, одного рекуперационного сосуда до температуры ниже значения температуры фазового перехода гексафторида серы, где при криогенно пониженной температуре давление в, по меньшей мере, одном рекуперационном сосуде оказывается меньше, чем давление в, по меньшей мере, одном извлекающем сосуде, по существу, при точке росы, где соединение входа для газа, по меньшей мере, одного рекуперационного сосуда с выходом для газа, по меньшей мере, одного извлекающего сосуда обеспечивает поступление пригодного к повторному употреблению сорта гексафторида серы, по меньшей мере, в один рекуперационный сосуд. Система дополнительно включает химическое фильтрующее средство, расположенное между входом газа, по меньшей мере, одного извлекающего сосуда и входом газа, по меньшей мере, одного рекуперационного сосуда для селективного удаления дополнительных загрязняющих веществ из гексафторида серы, пригодного к повторному употреблению, при поступлении гексафторида серы, по меньшей мере, в один рекуперационный сосуд из по меньшей мере, одного извлекающего сосуда.
4
Следует иметь в виду, что при извлечении CF из откачанного несконденсированного загрязняющего газа используют технологию частичной перегонки.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения разработан способ извлечения пригодного к повторному употреблению сорта гексафторида серы из источника потенциально загрязненного газа, содержащего гексафторид серы, причем этот способ включает в себя следующие стадии:
криогенное понижение температуры, по меньшей мере, одного извлекающего сосуда до значения температуры ниже фазового перехода газообразного гексафторида серы, где при криогенно пониженной температуре давление в, по меньшей мере, одном извлекающем сосуде оказывается меньше, чем давление в источнике потенциально загрязненного газа;
подвижное соединение, по меньшей мере, одного извлекающего сосуда с источником потенциально загрязненного газа, что обеспечивает поступление потенциально загрязненного газа в, по меньшей мере, один извлекающий сосуд вследствие перепада давлений, по меньшей мере, между одним извлекающим сосудом и источником потенциально загрязненного газа, при этом гексафторид серы, содержащийся в потенциально загрязненном газе, переходит в жидкое и/или твердое состояние в, по меньшей мере, одном извлекающем сосуде;
откачивание любого несконденсированного газообразного загрязняющего вещества из, по меньшей мере, одного извлекающего сосуда, пока упомянутый, по меньшей мере, один извлекающий сосуд находится при криогенно пониженной температуре;
повышение температуры, по меньшей мере, одного извлекающего сосуда от упомянутой криогенно пониженной температуры, по существу, до значения точки росы, где при этом значении точки росы пригодный к повторному употреблению сорт газообразного гексафторида серы присутствует в упомянутом, по меньшей мере, одном извлекающем сосуде, а любые способные конденсироваться загрязняющие вещества находятся в жидком и/или твердом состоянии, и где повышение температуры, по существу, до значения точки росы увеличивает давление, по меньшей мере, в одном извлекающем сосуде;
криогенное понижение температуры, по меньшей мере, одного рекуперационного сосуда до значения ниже температуры фазового перехода газообразного гексафторида серы, где при криогенно пониженной температуре давление в, по меньшей мере, одном рекуперационном сосуде оказывается меньше, чем давление в, по меньшей мере, одном извлекающем сосуде, по существу, при значении точки росы; и
подвижное соединение, по меньшей мере, одного рекуперационного сосуда, по меньшей мере, с одним извлекающим сосудом, что обеспечивает поступление пригодного к повторному употреблению сорта газообразного гексафторида серы в по меньшей мере, один рекуперационный сосуд вследствие перепада давлений, по меньшей мере, между одним рекуперационным сосудом и, по меньшей мере, одним извлекающим сосудом.
6
6
Настоящее изобретение преимущественно обеспечивает эффективное извлечение SF с получением пригодного к повторному употреблению сорта этого вещества. Изобретение может быть целесообразно воплощено с использованием компоновки оборудования, которое можно монтировать на месте эксплуатации. Извлеченный SF можно удобно хранить с целью последующего использования.
Краткое описание чертежей
Дальнейшие аспекты и характерные признаки настоящего изобретения станут очевидными из нижеследующего описания предпочтительных вариантов его воплощения, приведенных в сопровождении прилагаемых чертежей, в которых:
фиг.1 представляет собой принципиальную схему системы согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.2а и 2b представляют собой схематичные виды компоновки оборудования для большого модуля извлечения согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения.
Описание предпочтительного варианта
Согласно предпочтительным вариантам осуществления настоящего изобретения разработана система для извлечения пригодного к повторному употреблению сорта
6
6
6
6
SF из потенциально загрязненного источника газа. В данной системе используются две стадии криогенной откачки. На первой стадии криогенной откачки производится извлечение потенциально загрязненного газа из источника этого газа. Таким источником может служить узел оборудования, который работает в атмосфере SF, например высоковольтный автоматический выключатель или трансформатор, либо таким источником может стать емкость, содержащая утечки газообразного SF. Вторую стадию криогенной откачки используют для рекуперация пригодного к повторному употреблению сорта газообразного SF.
На фиг.1 представлен предпочтительный вариант рекуперационной системы. Эта система состоит из целого ряда модульных компонентов, которые легко монтировать, когда система требуется для работы, и демонтировать, когда не требуется эксплуатация системы. Наличие системы в виде некоторого количества модульных компонентов обеспечивает легкое хранение, когда система не требуется для работы, а это означает, что такую систему можно без труда содержать на месте использования. Понятно, что одинаково возможна и стационарная установка системы.
6
Вход для газа 1 в систему показан с установленным фитингом, который служит для подсоединения системы к выходу для газа на корпусе электрооборудования с атмосферой SF. На входе для газа 1 предусмотрен регулирующий клапан 2 для перекрытия системы, который соединен с гибким шлангом 3.
Шланг 3 соединен с пробоотборным модулем 6, в состав которого входят вентиль и баллон для образцов. На первой стадии криогенной откачки образец извлеченного газа можно отобрать, открывая вентиль баллона для образца и закрывая все другие клапаны, за исключением клапана 2. Когда образец отобран, вентиль баллона для образцов можно закрыть, что обеспечивает поступление потенциально загрязненного газа прямо в извлекающий модуль 9. Герметично перекрытый баллон 6 для образцов можно отсоединить на более поздней стадии, по завершении извлечения газа.
Если стадия отбора проб на входе газа в систему является необязательной, то систему можно монтировать без пробоотборного модуля 6. В таком случае шланг 3 можно соединить непосредственно с извлекающим модулем 9.
На фиг.1 показано, что извлекающий модуль 9 включает в себя единственный баллон (сосуд) 10 с подключенным манометром 11. Обычно используются баллоны на 10, 25 и 50 кг, причем собственная масса баллона приблизительно равна массе содержимого газа. Однако, если извлечению подлежат более крупные количества газа, то потребуется извлекающий модуль 9 большей емкости. На фиг.2а и 2b показана альтернативная компоновка извлекающего модуля 9, в которой множество баллонов 10 подключены к распределительной гребенке и укреплены на раме 26. В такой альтернативной компоновке клапаны баллонов 10 повернуты в одинаковое положение уставки. Благоприятно, что модульная структура этой альтернативной компоновки позволяет собирать различные требующиеся конфигурации. Испытания показали, что на практике извлекающие модули емкостью до 400 кг (восемь баллонов по 50 кг на гребенке) обладают достаточной вместимостью для многих задач и соответствуют эксплуатационным требованиям.
6
Для того чтобы инициировать извлечение потенциально загрязненного газа, т.е. приступить к выполнению первой стадии криогенной откачки, баллон 10 извлекающего модуля 9 погружают в ванну с жидким азотом 15. Жидкий азот понижает температуру извлекающего баллона 10 до очень низких значений, когда происходит конденсация SF внутри извлекающего баллона 10. При этом давление внутри извлекающего баллона 10 падает, тем самым возникает очень сильный эффект откачки между извлекающим модулем и потенциально загрязненным источником газа, что вызывает естественный переток загрязненного газа из источника в извлекающий модуль 9.
По завершении процесса извлечения давление в каждом баллоне 10 будет ниже чем, приблизительно 0,1 кПа (около 1 торр) в зависимости от количества времени, отведенного на извлечение, а также от количества неконденсирующихся газов (таких как воздух), присутствующих в виде загрязняющих веществ.
6
Если вслед за извлечением потенциально загрязненного газа сразу не требуется производить извлечение SF, то процесс можно прервать на этом этапе. Извлекающий модуль 9 можно герметично закрыть, или герметично закрыть каждый баллон 10, а затем отсоединить от системы и хранить, пока баллон не потребуется для рекуперационной обработки в последующем. В случае утечки газа работы по техническому обслуживанию и ремонту высоковольтной аппаратуры могут иметь более высокий приоритет, чем фактический процесса извлечения газа.
6
4
6
Предпочтительно, как только закончился процесс переконденсации, систему используют для последующего извлечения SF, пригодного к повторному употреблению. Первой стадией рекуперационного процесса является вывод несконденсированных загрязняющих веществ (например, воздуха и CF) из извлекающего модуля 9 и баллона 10. Обращаясь к фиг.1, заметим, что клапаны 16, 17, и клапан пробоотборного баллона 6 закрыты. Клапаны 18, 19 и 24 открыты, а вакуумный насос 20 соединен с клапаном 24. Затем несконденсированные загрязняющие вещества откачивают из извлекающего модуля 9 и баллона 10, при этом конденсированный SF и всевозможные конденсированные загрязняющие вещества остаются в баллоне 10.
4
6
4
4
6
Было обнаружено, что для высоковольтного оборудования, установленного в очень холодном климате, целесообразной практикой является смешивание значительных количеств CF с SF с целью удовлетворения требований по применению высоковольтной электросиловой техники. Была бы возможной отдельная рекуперация любого выведенного ранее количества CF для повторного использования, с использованием большего парциального давления насыщенного пара CF (чем у SF) и применением технологии частичной перегонки.
6
По удалению несконденсированных загрязняющих веществ можно инициировать вторую стадию криогенной откачки для извлечения сорта SF, пригодного к повторному употреблению, в рекуперационный модуль 21. На фиг.1 рекуперационный модуль 21 показан как включающий в себя единственный баллон (сосуд) 22 вместе с манометром 23. Однако, как и извлекающий модуль 9, рекуперационный модуль 21 может содержать множество баллонов, подключенных к одной гребенке.
Для того чтобы инициировать вторую стадию криогенной откачки, извлекающий баллон 10 вынимают из ванны с жидким азотом 15, а баллон 22 рекуперационного модуля погружают в ванну с жидким азотом 25. На практике было бы возможным, хотя и менее удобно, использовать только одну ванну с жидким азотом.
Когда извлекающий баллон 10 удаляют из ванны с жидким азотом 15, давление в извлекающем баллоне 10 будет подниматься из-за нагрева теплом окружающей среды. Здесь можно было бы использовать (не показанное на чертеже) дополнительное средство подогрева для ускорения темпа нагревания баллона 10.
6
6
Поскольку в извлекающем модуле 9 присутствуют только пары, которые способны конденсироваться, то давление в извлекающем баллоне 10 можно использовать как показатель его температуры. Когда давление в извлекающем баллоне 10 достигает величины приблизительно 830 кПа, содержимое извлекающего баллона 10 будет иметь значение точки росы около -16°С. При таком значении точки росы транспортируемый SF будет находиться в газообразном состоянии, и лишь незначительное количество сконденсированных загрязняющих веществ (например, вода и масло) будет находиться в парообразном состоянии. Как выяснилось, этот материал является пригодным к повторному употреблению сортом газообразного SF в смысле требований документа IEC 60480 по точке росы. На практике минимальное значение точки росы, используемое в криогенной технологии, равно приблизительно -70°С, что превышает значения, указанные для чистого газа, и оказывается легко достижимым.
6
Поддержание такого давления в извлекающем баллоне 10 и подключение рекуперационного модуля 21, пока баллон 22 погружен в свою ванну с жидким азотом 25, будут создавать эффект откачки между извлекающим баллоном 10 и баллоном 22 рекуперационного модуля, вызывая естественный переток газообразного SF, пригодного к повторному употреблению, в рекуперационный модуль 21. Обращаясь к фиг.1, заметим, что такой переток может быть устроен непосредственно закрытием всех клапанов в системе, за исключением клапана 18. Тем не менее, по выбору оператора, переток может быть направлен через химический фильтрующий модуль 27 с тем, чтобы удалить дополнительные химически активные загрязняющие вещества из потока газа путем открытия клапанов 16 и 17 вместо клапана 18. В качестве химического фильтрующего модуля 27 целесообразно использовать известное химическое фильтрующее средство, наподобие того, которое рекомендовано в документе IEC 60480.
6
Если требуется производить отбор проб на выходе газа, например, для того чтобы тестировать степень чистоты извлеченного SF, можно подсоединить пробоотборный модуль 6 между рекуперационным модулем 21 и химическим фильтрующим модулем 27.
Следует признать, что могут быть сделаны многие видоизменения в конфигурации вышеописанной системы, которые подпадают под сферу действия прилагаемой формулы изобретения. Например, могут быть применены хладагенты, альтернативные жидкому азоту, но обеспечивающие подходящие криогенные температуры. Подобным образом, вместо ванны с хладагентом можно использовать иное средство охлаждения, которое обеспечивает подходящие криогенные температуры. Кроме того, фильтрующие модули или альтернативные фильтрующие модули могут быть включены в состав конструкции системы, в зависимости от количества и типов загрязняющих веществ, присутствующих или ожидаемых в данной ситуации.