高含硫气田开发酸污对天然气净化厂输电线路安全影响研究及防护措施优选
Outline:
王和琴
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陈惟国
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苗辉
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周培利
收稿日期：2013-07-14
作者简介：王和琴，男，高级工程师，1989年毕业于石油大学(华东)，主要从事油气田开发工程工作。地址：(636156)四川省达州市西外凤凰大道468号中国石化中原油田普光分公司生产管理部。E-mail：
whq8002006@163.com, 电话:0393-4776117.
摘要：基于高含硫气田开发过程中的天然气净化厂尾气排放特性及在大气中浓度分布的预测，以普光气田为例, 就酸性气体对220 kV线路绝缘性能分析，分别测试了模拟酸雾环境中污秽绝缘子以及空气的绝缘性能。结果表明，在盐雾的作用下，绝缘子的闪络电压下降了约20%，雾的pH值为3时，空气的绝缘强度下降了约15.1%，pH值等于3的酸雾与Ⅱ级空气污染相结合，空气的绝缘强度大约下降了23.2%。在pH值等于3的酸雨酸雾环境下，线路的耐雷水平下降了约20%。结合实验室分析结果和普光气田的实际情况，分析了酸性气田输电线路的防护措施。
Optimization of protective measures and safety impact study of high sulfur gas field acid pollution on the electric transmission line of natural gas purification plant
Outline:
Wang Heqing
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Chen Weiguo
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Miao Hui
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Zhou Peili
Zhongyuan Oilfield Puguang Branch, Dazhou 636156, Sichuan, China
Abstract: Based on the gas emission characteristics of natural gas purification plant and concentration distribution prediction in atmosphere during the development process of high sour gas filed, insulation performance analysis of acid gases on the 220 kV line was conducted, taking Puguang gas field as example. Insulating property of polluted insulator and the air under simulated acid mist environment were measured respectively. The results showed that flashover voltage of insulator dropped about 20% under the action of salt mist. Insulating strength of the air dropped about 15.1% when the pH value of mist was 3. After the combination of acid mist (pH=3) and class Ⅱ air pollution, insulating strength of the air dropped about 23.2%. Lightning withstand level of electric transmission line decreased 20% approximately under acid rain and acid mist environment with pH value of 3. Combined the laboratory analysis results and practical situation in Puguang gas field, the protective measures of electric transmission line in acid gas field were analyzed.
大型高含硫气田普光气田地处川东北地区，山峦叠嶂、气候潮湿、雷雨天气较多。气田开发过程采用全湿气密闭输送，高含硫天然气集中净化的生产工艺。高含硫天然气在集中净化过程中，产生尾气按照设计指标达标排放，SO2的排放速率设计值为753 kg/h，排放质量浓度为960 mg/m3。排放到大气中的尾气，在局部区域、阶段时间内改变了大气的常规组分，为形成酸雾创造了条件[1-2]。污闪是造成输电线路停电的主要原因之一，而酸性环境更容易使绝缘子污闪[3]。一旦电路故障，将造成净化厂装置停车，气田一级关断等。本研究基于高含硫气田开发过程中天然气净化厂尾气排放分布和浓度的研究，通过分析酸雨、酸雾对绝缘子外绝缘性能的影响[4-5]，确定输电线路不同区段的pH值，为确保高含硫气田开发中天然气净化厂输电线路的安全生产提供基础资料。
1 基于高斯扩散模式的酸性气体分布特性及酸雨pH值预测
1.1 普光气田酸性气体排放情况分析
在高含硫天然气的净化过程中，尾气排放主要分为正常生产的连续排放和非正常生产的间断排放。正常生产时，SO2的排放量为524.1 kg/h，非正常间断排放主要包括：单套装置原料气放空，持续时间5 s，SO2排放总量4 161.2 kg；异常情况下的瞬时放空，持续时间5 s，随后装置即恢复正常生产，SO2排放总量376.01 kg。
1.2 普光气田气候特征对酸性气体分布影响分析
普光气田位于四川省宣汉县，属于亚热带湿润季风气候区，全年四季分明，雨量充沛，气候温和。全年以东北风风频最大，达到14.9%，其次是北北东风，频率为11.1%，各风向平均风速在1.0~2.0 m/s之间。
非正常排放状况下，瞬时源模式SO2浓度分布可用式(1)计算。
正常排放状况下，长期排放条件下，SO2浓度分布可用式(2)计算。
净化厂正常排放工况下和非正常排放工况下，大气中SO2浓度分布如表 1所示。
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表 1
表 1 不同工况不同气象条件下大气中SO2浓度分布
Table 1 Concentration distribution of SO2 in atmosphere under different working conditions and meteorological conditions
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表 1 不同工况不同气象条件下大气中SO2浓度分布
Table 1 Concentration distribution of SO2 in atmosphere under different working conditions and meteorological conditions
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1.3 空气中pH值的预测
研究表明，酸雨约有51.8%是在不稳定天气条件下出现和形成的，其次是在弱稳定和弱不稳定状态下形成的，因此选择B类大气稳定度来计算酸雨、酸雾中的pH值。
事故条件下，排放的时间较短，仅为5 s，因此事故排放条件下是很难形成酸雾的。故而仅选择正常排放条件来预测计算酸雨、酸雾中的pH值。在正常排放条件下，可能出现的酸雨、酸雾的pH值为3.06~3.92。为了保证供电安全，选取下限值pH值为3.06作为最终配制盐雾试验所需雾液的依据。
2 酸雾对于高压输电线路安全性影响
2.1 实验装置
试验由专用10 kV线路供电，经调压器之后进入升压变压器，限流保护电阻主要是在试样发生闪络之后限制通过电源部分的电流。电源输出一端通过地网接地，另一端通过盐雾室的穿墙套管进入盐雾室(见图 1)。主要设备有150 kV工频升压变压器与调压器；3 600 kV冲压电压发生器与3 600 kV分压器。
本次试验所用的试品型号为FXBW3-220/100型及FXBW4-220/100型硅橡胶合成绝缘子，其性能参数如表 2所示。
表 2
表 2 试品绝缘子技术参数
Table 2 Technical parameters of insulator samples
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表 2 试品绝缘子技术参数
Table 2 Technical parameters of insulator samples
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2.2 实验方法
2.2.1 材料准备
按照GB/T 4585-2004《交流系统用高压绝缘子人工污秽试验方法》规定，对合成绝缘子人工表面进行了预处理。
化学纯氯化钠和硅藻土按一定比率配置模拟污层，用纯净水搅拌，均匀地涂在绝缘子表面。结合普光气田当地空气污染等级，盐密(SDD)取值为0.1 mg/cm2，灰密取值为1.0 mg/cm2。
根据普光气田尾气扩散研究，220 kV输电线路部分区段酸雾的pH值为3.15~4。采用硫酸配制成pH值为3.08的稀硫酸溶液，用电导仪测定其电导率约为714 μS/cm。采用电导率的40 mg/100 mL氯化钠溶液作为等效盐雾。
2.2.2 实验过程
(1) 工频交流电压试验。耐受试验施加了最大相对电压140 kV，以及高于此电压的电压143 kV，145 kV。
(2) 空气绝缘强度试验及输电线路绝缘配合分析。基于不同情况下的空气绝缘强度进行了输电线路绝缘配合实验，分别测试了空气、pH值为7的雾、pH值等于3的雾(稀硫酸溶液)、pH值等于3的雾与Ⅱ级污秽相结合(按0.1 mg/cm2盐密配制的氯化钠溶液滴入硫酸至pH值等于3)下的空气击穿场强。
(3) 金属件腐蚀分析。试样为表面镀锌的杵头挂环，测试pH值等于3的稀硫酸溶液对杵头挂环的自然腐蚀。
(4) 酸雾对输电线路耐雷水平影响的仿真分析。酸雾对绝缘子的工频闪络电压和冲击闪络电压都有影响，根据测得的冲击闪络电压，可以利用仿真软件分析输电线路的耐雷水平。
2.3 结果与讨论
2.3.1 污秽与酸雾共同作用时的工频电压耐受性分析
试验中，在最大相对电压140 kV以及高于此电压的电压143 kV、145 kV时，各组绝缘子均未出现闪络和帕弧现象。在盐雾的作用下，绝缘子的闪络电压下降了约20%。但由于两种绝缘子都是耐污型绝缘子，FXBW3型的湿闪电压只是略低于标称电压，而FXBW4型只有一次试验值低于标称湿闪电压，因此两种绝缘子均能满足普光220 kV输电线路的需要，但加长型要比普通型绝缘性能好。
2.3.2 空气绝缘强度试验及输电线路绝缘配合分析
基于1 cm均匀电场空气击穿电压测试结果分析表明，在浓雾时，空气的绝缘强度约下降14.4%，雾的pH值为3时，空气的绝缘强度下降了大约15.1%；pH值等于3的酸雾与Ⅱ级空气污染相结合，空气的绝缘强度大约下降了23.2%。
2.3.3 金属件腐蚀分析
杵头挂环测试前质量为294.2 g，浸泡24 h后测得的质量为294.2 g；浸泡96 h后测得质量为294 g。因此，自然条件下pH值等于3的酸雾对表面镀锌金属件的腐蚀非常小。
2.3.4 酸雾对输电线路耐雷水平影响的仿真分析
通过实验和仿真分析，酸雨酸雾对输电线路的耐雷水平有一定的影响，在pH值等于3的酸雨酸雾环境下，线路的耐雷水平下降了约20%，但如果能保证杆塔的接地电阻在10 Ω以下时，其耐雷水平满足规定的要求。
3 酸性气田酸污条件下输电线路安全防护措施优选
基于普光气田气候特征以及气田酸雾的分布特性，结合酸雾条件下高压输电线的安全性分析，酸性气田酸污条件下，输电线安全防护措施主要包括以下几个方面。
3.1 绝缘子类型的优选
合成绝缘子表面具有憎水性，因此在雨雾天气下，表面不易吸附水分，从而能较好地保持绝缘性能，而且合成绝缘子表面憎水性具有一定的迁移性能，即使表面积有一定的污垢，合成绝缘子还能保持一定的憎水性。合成绝缘子在酸雾和小雨情况下，憎水性使其能很好地保持绝缘性能，而大雨天气会导致雨水中酸浓度下降，酸的危害也随之下降，因此合成绝缘子较适合用于提高酸雨酸雾环境下输电线路的绝缘性能[6-7]。
3.2 绝缘子绝缘等级的优选
在没有酸雨酸雾影响的情况下，绝缘子的绝缘等级只需考虑电压等级与环境污染两种情况，但由于酸雨酸雾电导率较低，绝缘子表面污秽吸附酸雨酸雾之后，导致其闪络电压下降，因此选择绝缘子时必须考虑酸雨酸雾对绝缘子的影响。通过对FXBW4耐污合成绝缘子实验可知，该类型合成绝缘子能满足现场条件的需要。根据上文分析结果，并考虑到长期运行之后，合成绝缘子在酸雨酸雾的影响下，耐污水平下降，因此在pH值为3~4的区域尽量选用爬距为6 600 mm、结构高度为2 250 m的220 kV FXBW4型耐污耐酸合成绝缘子或选用16片爬距为5 500 mm的耐污型玻璃绝缘子组成的绝缘子串。pH值大于4的区域可以按3级污秽进行处理，采用爬距为6 300 mm、结构高度为2 050 mm的220 kV耐污耐酸合成绝缘子或选用14片爬距为5 500 mm的耐污型玻璃绝缘子组成的绝缘子串。
3.3 输电线路绝缘配合优选
通过酸雨酸雾条件下空气间隙的击穿实验可知，酸雨酸雾对空气的绝缘强度有一定的影响。因此，普光气田220 kV输电线路的最小空气间隙按GB 311.1-2012《高压输变电设备的绝缘配合》的规定值增加10%优选。
3.4 输电线路路线优选
根据酸性气体浓度的扩散分析，以及净化厂所在地区常年气象情况分析，选取普光220 kV输电线路的走向与该地区主要的风向平行，并向该方向的外侧偏移。
3.5 金具的优选
在pH值为3~4的区域内，绝缘子以及连接用金具要做防腐处理，表面采用耐酸涂层或涂防护油。必要时，绝缘子金属部分和连接用的金具采用不锈钢制品。
3.6 安装避雷器
普光气田220 kV输电线路杆塔接地电阻应认真处理，保证pH值为3~4的区段内接地电阻值小于10Ω。无法实现的区段应在A、C相安装避雷器。
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顾乐观, 孙才新. 电力系统的污秽绝缘[M]. 重庆: 重庆大学出版社, 1990.
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De La A O, Gorur R S, Chang J A C. Clean fog tests on non-ceramic insulating materials and a comparison with porcelain[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1994, 9(4): 2000-2008. DOI:10.1109/61.329532 |
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2013, Vol. 42