Центр утилизации элегаза. Сидней, Австралия
Бретт Александер
Дункан Робби
Маркус Маренги
Мишель Кинер
Компания ABB разработала и запатентовала технологию полного восстановления гексафлорида серы (газ SF6, элегаз). Технология основана на новом энергосберегающем криогенном процессе. Новая технология будет реализована в специализированном центре переработки элегаза, который компания в настоящее время разворачивает в Сиднее (Австралия). После восстановления по новой технологии, чистота элегаза будет достигать 99.99%. Это соответствует техническому порогу, определенному в IEC 60376 (стандарт по производству нового газа), и позволяет повторно использовать элегаз снова и снова. При использовании восстановленного газа SF6, обеспечивается снижение эмиссии углерода, и появляется возможность снижения затрат до 30%.
Гексафлорид серы представляет собой инертный газ, повсеместно используемый в электрической промышленности для изоляции и прерывания тока в выключателях, распределительном, и другом электрическом оборудовании. Преимущества элегаза заключаются в том, что он дает возможность работы с большой энергией, требуя для этого меньше объема по сравнению с другими изолирующими средами. Это преимущество особенно важно в подстанциях сети передачи электроэнергии, и при использовании энергии ветра в море. Заполненные элегазом устройства в последние годы постоянно уменьшаются в размерах, при этом увеличивая свою мощность. Для безопасного и надежного функционирования распределительных устройств с элегазовой изоляцией (КРУЭ) используется газ SF6 под давлением. Это связано с тем, что его диэлектрическая прочность намного превышает этот показатель у воздуха, и у сухого азота. В результате становится возможным уменьшить физические размеры оборудования, и обеспечить изоляцию в труднодоступных местах. КРУЭ также более устойчивы к агрессивным средам, что увеличивает продолжительность их надежной эксплуатации.
Несмотря на преимущества, которые приносит элегаз, его использование не свободно от проблем. Затраты на надлежащее обращение с элегазом могут быть значительными, особенно при выводе из эксплуатации подстанций, срок службы которых истек. Согласно Международному Комитету по Изменению Климата, газ SF6 является наиболее сильным парниковым газом, оказывая влияние на глобальное потепление в 22800 раз большее, чем CO2 в сравнении за период в 100 лет [1]. В Европе, использование элегаза для всех применений в распределительном оборудовании, очень жестко регламентируется с января 2008 года [2]. Но хотя использование этого газа несет с собой ряд проблем, он остается крайне полезным, выгодным, и ценным продуктом, который должен сохраняться везде, где это возможно. Это означает, что контроль над элегазом в течение его срока эксплуатации, может оказаться не простой задачей для промышленных потребителей и электрических компаний.
Проектирование нового завода по восстановлению SF6
Учитывая требования по защите окружающей среды, и в поиске окончательного решения для своих клиентов, компания ABB в течение многих лет исследовала способы восстановления элегаза, отработавшего в электрическом распределительном оборудовании и выключателях. Изначально, предложенный ручной криогенный процесс для очистки SF6 был связан с рядом ограничений. Основными из них были низкое качество воспроизводимого продукта, и вопросы безопасности, касающиеся работы операторов с жидким азотом.
Поэтому был инициирован новый исследовательский проект, ориентированный на разработку более безопасного, более управляемого, и, в основном, автоматизированного процесса очистки. Результатом этого проекта стал первый в мире, полностью автоматизированный завод по криогенной очистке элегаза. Весь проект сам по себя является инноваций. Некоторыми из его индивидуальных инновационных элементов являются:
- новая камера сепарации газа для замораживания SF6 в криогенных условиях
- система управления полностью автоматизированного процесса, контролирующая объем газа, и предотвращающая его утечки
Для создания этих инноваций использовались методы тщательного итерационного технического проектирования. На первом шаге был осуществлен выбор процесса, за счет анализа положительных и отрицательных моментов в отношении проектных ограничений. В результате был предложен новый процесс, включающий в себя криогенный этап для удаления из отработанного элегаза неконденсируемых газов, в основном, азота. Также был добавлен процесс фильтрации для устранения из элегаза воды, различных кислот, токсичных побочных продуктов, и масла. Детальное проектирование процесса дало возможность проверить предложенный проект при помощи числовых моделей и информации от поставщиков. Эта проверка позволила подтвердить осуществимость технической реализации процесса. На этом этапе процесс проектирования стал итеративным, поскольку влияние выбора оборудования на другие участки завода стало очевидным. Будучи почти совершенно оригинальными, емкости для криогенной сепарации потребовали активного взаимодействия с изготовителем, поскольку не существовало примеров или конструкций, на которые можно было сослаться. В процессе детального проектирования, логические этапы технологического процесса формировали основу для программы автоматического контроллера и схем управления технологическим процессом.
Два исследования, связанные с рисками и эксплуатацией, еще больше расширили понимание технологического процесса, и увеличили работоспособность завода.
Полномасштабный прототип завода по восстановлению элегаза
Для ввода предприятия в эксплуатацию, основное внимание было уделено трубопроводам, электрической, программной, и управляющей системам. В связи с тем, что многие методы, применяющиеся для управления процессом и емкостями криогенной сепарации под давлением, были разработаны впервые, использовался консервативный подход к вводу в эксплуатацию. Перед окончательными полномасштабными испытаниями оборудования с элегазом, проводились предварительные испытания отдельных процессов, вначале с применением азота, а затем с окисью углерода. Эти предварительные испытания позволили уточнить модели параметров процесса, и наряду с этим показали способность отделения загрязнений от SF6.
Восстановленный в ABB элегаз отвечает техническим требованиям стандарта IEC 60376
Полученные при испытаниях результаты позволили построить полномасштабный прототип завода, способный восстанавливать чистоту элегаза при любых уровнях загрязнения, получая газ, отвечающих техническим требованиям к новому газу.
Успешные результаты
Управление применением элегаза, основанное на новой технологии его восстановления, создает успешные последствия для технической, коммерческой, и экологической областей.
Наибольшим техническим преимуществом нового процесса по сравнению с существующими технологиями является то, что он способен эффективно восстанавливать элегаз, независимо от степени загрязнения. Существующие технологии страдают от неспособности справляться со всеми типами и уровнями загрязнения в рамках одного технологического процесса. Более того, уровень автоматизации, предлагаемый в новом процессе, позволяет значительно увеличить производительность и эффективность по затратам энергии.
Хотя элегаз используется из-за его способностей к изоляции и гашению дуги, со временем газ разрушается, особенно, если оборудование выполняет регулярные отключения. При снижении чистоты газа, снижаются и его вышеупомянутые возможности. А это ухудшает работу и безопасность оборудования. Увеличить срок эксплуатации продукта можно за счет регулярной проверки качества элегаза в рамках профилактического обслуживания.
Квалифицированные и аккредитованные специалисты ABB, имеют всю необходимую экипировку для безопасного проведения анализа и профилактических работ с используемым газом. Кроме того, они могут выполнять инспекции и проверки качества и количества газа. Проверки качества газа гарантируют, что чистота элегаза в оборудовании превышает минимальные стандартные требования для безопасной работы. Будучи ведущим производителем оборудования с элегазовой изоляцией, и концентрируясь на безопасности, компания ABB накопила обширный опыт в безопасном обращении с этим газом.
Бывают случаи, когда отдельные клиенты хранят у себя уже ненужный, имеющий недопустимые отклонения, или загрязненный элегаз, который больше им не требуется. Но его приходится хранить из-за стоимости или отсутствия возможностей утилизации. В качестве обязательств ABB перед своими клиентами, связанных со снижением воздействия на окружающую среду, центр восстановления элегаза примет любое количество SF6 любого качества для очистки и восстановления до технических требований стандартов, используя новые, запатентованные процесс и технологию.
Сам процесс очистки спроектирован таким образом, чтобы ни на одном этапе не происходили потери элегаза. Для обнаружения и предотвращения утечек из-за ошибок операторов или сбоев оборудования, совместно с автоматизированной системой управления процессом используются специальные инструменты.
Для обеспечения безопасности, все производственные процессы были преобразованы во внутренние, с целью предотвращения контакта элегаза с человеком, и устранения возможности случайного контакта с жидким азотом. Удаление не газообразных загрязнений выполняется при помощи твердотельных абсорбентов, находящихся в съемных корпусах, через которые проходит элегаз под высоким давлением. Твердые отходы теперь безопасно собраны, и упакованы, и могут быть утилизированы без контакта с человеком или окружающей средой. Наконец, завод по восстановлению элегаза работает почти полностью автоматически, с тем, чтобы снизить риск ошибок оператора, и увеличить безопасность.
Это комплексное решение ABB позволяет компаниям снизить воздействие на окружающую среду, и понизить затраты, связанные с администрированием и обслуживанием запасов SF6. Новое предложение позволит преобразовывать загрязненный элегаз в чистый (согласно стандарту 60376) для повторного использования. Это делает жизненный цикл элегаза замкнутым, и устраняет необходимость в его сжигании, требующим больших затрат энергии. В результате у энергетических компаний появляется путь к снижению своих объемов хранения загрязненного элегаза
Предлагаемый компанией ABB жизненный цикл элегаза
[подписи на рисунке - сверху по часовой стрелке
]
Ссылки
[1] Межправительственная группа экспертов по изменению климата, Рабочая группа 1, изменение климата 2007 год, глава 2.10.2.
[2] Климат: Депутаты Европарламента дают законопроекту по F-газу "зеленый импульс."
