Направленная кристаллизация - как основной процесс очистки и регенерации элегаза тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, доктор технических наук Мазурин, Игорь Михайлович

• Мазурин, Игорь Михайлович
• доктор технических наук
• 2006

Оглавление диссертации доктор технических наук Мазурин, Игорь Михайлович

Общая характеристика работы. Актуальность темы

Глава 1.

Раздел 1. Разложение вЕб в условиях эксплуатации высоковольтного оборудования

Раздел 2. Методы очистки вРб

Раздел 3. Методы очистки БРб в зарубежных системах газообслуживания

Раздел 4. Методы очистки 8Г(, в СГО, разработанные в СССР

Глава

Раздел 1. Направленная кристаллизация - основа способа очистки и регенерации

БРб. Математические модели направленной кристаллизации 61 Раздел 2. Определение времени намораживания кристалла БЕб заданной толщины

Раздел 3. Экспериментальное исследование направленной кристаллизации

Глава

Раздел. 1. Применение адсорбции для осушки и очистки элегаза

Раздел 2. Исследование задачи утилизации БЕб

Раздел 3. Экспериментальное исследование конденсации БЕб

Раздел 4. Анализ состава примесей в БЕб

Глава 4.

Установки и системы очистки и регенерации БЕб

Глава 5.

Новый хладагент Хладон

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Направленная кристаллизация - как основной процесс очистки и регенерации элегаза»

Использование новых рабочих тел в энергетике является необходимым условием её развития как отрасли, обеспечивающей гармоничное развитие всей промышленной структуры, а также систем жизнеобеспечения городских и сельских районов. Постоянным вопросом для энергетики является её надёжность и эффективность, точнее бесперебойная подача электроэнергии потребителям и эффективность преобразования в электроэнергию тепла от сжигания энергоносителей. Обычно для этого создаются крупные электростанции в которых и осуществляется это преобразование по выбранному термодинамическому циклу. Характеристикой совершенства цикла является КПД, который зависит от целого ряда факторов, в том числе и от выбранного рабочего тела. Существующие сегодня решения с использованием воды в качестве рабочего тела, позволяют получать КПД на уровне 38-42%. Расчётные значения этого параметра для других рабочих тел могут быть на 5-8% выше, если воду заменить на элегаз, углефториды или двуокись углерода. Об этом были публикации проф. Д.П. Гохштейна, Г.П. Верхивкера и других авторов в начале 60-х годов [1] , однако реализация этих возможностей новых рабочих тел тогда была затруднена из-за отсутствия их в чистом виде, а также из-за отсутствия необходимых систем газообслуживания с этими новыми рабочими телами, без чего длительная эксплуатация машинного оборудования просто невозможна. Вывод был очевиден. Нужны были новые рабочие тела в чистом виде (и их свойства), а также системы газообслуживания для конкретных энергетических комплексов. Нечто подобное системам водоподготовки на ТЭЦ. В техническом воплощении это довольно сложные и объемные комплексы, требующие наличия места для оборудования, обученного персонала для его обслуживания, приборов для контроля параметров рабочего тела и запасов самого рабочего тела, количество которого будет неизбежно уменьшаться.

Аналогичная ситуация с новыми рабочими телами сложилась прежде всего в высоковольтной технике, где элегаз использовался с начала 60-х годов на подстанциях в высоковольтных аппаратах в качестве изолирующей, теплоотводящей и дугогасящей среды.

Высоковольтные элегазовые аппараты в 60-е годы стали широко использоваться в СССР и за рубежом по причине малых габаритов, пожарной безопасности и высокой эффективности гашения дуги.

СССР имел приоритет по использованию элегаза в высоковольтных устройствах благодаря работам проф. Б.М. Гохберга, выполненным ещё до войны. Авторское свидетельство на высоковольтный аппарат с элегазом было получено ещё в 1942 году [2]. Однако промышленные образцы элегазового высоковольтного оборудования появились в конце 50-х -начале 60-х годов. Для этих аппаратов в первую очередь и был необходим элегаз хорошего качества. Для развития конструкций аппаратов необходимо было иметь данные по коррозионной стойкости материалов в среде элегаза с учётом наложенного электрического поля, данные о влиянии продуктов разложения элегаза на надёжность аппаратов и здоровье персонала подстанций, а также удобный и достоверный метод анализа качества элегаза. Чуть позже аналогичные проблемы возникли и у других потребителей элегаза: - в микроэлектронике, лазерной технике, технике высоких энергий, медицине.

Отечественный элегаз в 60-70-х годах выпускался далеко не лучшего качества, поэтому сначала актуальной была задача получения чистого элегаза при наличии достоверного и оперативного метода контроля.

До начала 60-х годов прошлого века практически не было никакой информации по физико-химическим, токсическим и коррозионным свойствам элегаза. Первые открытые научные публикации в СССР по этим темам появились в начале 60-х годов.

После решения задачи получения чистого элегаза неизбежно настала очередь решения задачи транспортировки, утилизации и регенерации элегаза, т. е. восстановления свойств до первичного состояния.

Перечисленные условия применения элегаза и определили перечень задач, решение которых представлено в настоящей работе.

Цель работы заключается в изложении решений прикладных и теоретических задач по обеспечению условий успешного применения элегаза в энергетических аппаратах и комплексах. В работе рассматриваются решения, полученные автором на основе теоретических и экспериментальных работ, выполненных в период с 1971 по настоящее время по следующим темам:

-разработка способов получения чистого элегаза;

-теоретическое и экспериментальное исследование направленной кристаллизации - основного процесса в способах получения чистого элегаза;

-разработка и изготовление экспериментальных установок по реализации способов очистки элегаза;

-разработка, изготовление и испытания устройств утилизации и транспортировки элегаза в виде крионасосов;

-разработка систем газообслуживания (СГО), позволяющих осуществлять подачу, возврат и регенерацию элегаза в энергетические аппараты и комплексы (Т-15, Ангара, Оскол и др.)

-разработка озонобезопасного эффективного рабочего тела для обратного цикла Ренкина в виде азеотропной смеси элегаза (8Р6) и перфторпропана (СзБв), позволяющей производить очистку элегаза в непрерывном варианте осуществления способа получения чистого элегаза с использованием промышленных холодильных машин;

-создание методики масс-спектрометрического анализа состава примесей в элегазе;

Основные результаты и их научная новизна

1.Выполнено математическое решение задачи распределения примесей для направленной кристаллизации в присутствии паровой фазы при изменяющейся площади межфазной границы и переменной плотности вещества при фазовом переходе «жидкость - твёрдое тело".

2.На основе направленной кристаллизации разработаны оригинальные способы очистки и регенерации элегаза, позволяющие получать высокочистый продукт в широком диапазоне производительности и первичного уровня загрязнения.

3.Разработана методика масс-спектрометрического анализа состава примесей в гексафториде серы (элегазе), позволяющая диагностировать до 30 примесей с чувствительностью на уровне 1 ррм с максимальной погрешностью 10-15%.

4.Разработаны, изготовлены, испытаны и переданы в эксплуатацию несколько моделей очистных установок, позволяющих в промышленных объёмах получать высокочистые элегаз и углекислоту для использования их в энергоустановках.

5.Разработаны, изготовлены, испытаны и переданы в эксплуатацию несколько моделей крионасосов для элегаза, позволяющие утилизовать и делать регенерацию элегаза после применения в энергетических аппаратах.

6.Разработаны, изготовлены, испытаны и переданы в эксплуатацию несколько систем газообслуживания с элегазом для энергетических комплексов Т-15, Ангара, и др.

7.Разработана, исследована и испытана на нескольких заводах безопасная и эффективная азеотропная смесь Хладон-510, обеспечивающая прямую замену фреона-12 и фреона-22 для генерации холода, необходимого для обеспечения непрерывного цикла очистки элегаза в незамкнутом цикле Ренкина .

Лично автором получены следующие результаты исследований.

- Выполнено решение задачи для направленной кристаллизации в условиях переменной геометрии межфазной границы и изменяющейся плотности вещества.

- Экспериментально получены кривые распределения девяти основных примесей элегаза для процесса направленной кристаллизации.

- Экспериментально определены причины появления третьей фазы (шуги) при конденсации элегаза и состав шуги;

-Получены экспериментальные значения коэффициента теплопроводности элегаза для направленной кристаллизации в цилиндре и при равновесной кристаллизации.

-Разработан и экспериментально исследован способ непрерывной очистки элегаза на основе кристаллизации, осуществляемой при дросселировании элегаза в обратном цикле Ренкина.

- Создан и исследован новый озонобезопасный хладагент "Хладон-510", необходимый для осуществления способа непрерывной очистки элегаза в условиях действующих запретов Монреальского протокола.

Основные результаты экспериментальных исследований, представленные в диссертационной работе обладают научной новизной.

Это прежде всего относится к определению коэффициентов разделения девяти основных примесей в элегазе при направленной кристаллизации и к методике масс-спектрометрического анализа состава примесей, позволяющей идентифицировать около тридцати примесей, реально образующихся в элегазе в разных условиях его применения. Принципиально новым решением является использование обратного цикла Ренкина для создания условий непрерывной направленной кристаллизации элегаза. Новизна авторских решений защищена зарубежными и отечественными патентами. Пять патентов были получены в начале 80-х годов; ещё восемь получены после 1994 года

Практическая значимость результатов выполненных работ обусловлена комплексным и сугубо прикладным характером задач на стадии постановки, особенно если речь шла о разработке систем газообслуживания высоковольтных подстанций (СГО "Оскол") или физико-энергетических комплексов (СГО "Ожерелье-3" для ТЯ-комплекса Т-15). Благодаря методике масс-спектрометрического анализа состава примесей в элегазе при разработке СГО удалось выполнить прикладные исследования с элегазом по тепло-массообмену и материаловедению, моделируя виды воздействия на элегаз в реальных условиях. Полученные экспериментальные данные позволили осуществлять проектирование очистных установок и комплексов на базе достоверных данных. Многолетняя эксплуатация установок очистки и регенерации элегаза, работающих с 80-х годов и по сегодняшний день по крайней мере в трех организациях (НИИЭФ, г. С аров, ОЭМК г. Старый Оскол и ЭНИН г. Москва), позволяют сегодня иметь практическую возможность работы с чистым элегазом, использовать разработанные установки и аппараты для подачи, возврата и регенерации элегаза, использовать методику анализа состава примесей в элегазе для исследовательской практики, а также для практических задач.

Разработанный автором Хладон-510 решает проблему замены запрещённых к использованию фреона-12 и фреона-22, обеспечивая заметную экономию потребления энергии и обеспечивая более широкий диапазон рабочих температур, гарантируя токсическую и пожарную безопасность при эксплуатации.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- Способы очистки и регенерации гексафторида серы (элегаза);

- Результаты теоретических и экспериментальных исследований направленной кристаллизации элегаза и определения коэффициентов разделения примесей при кристаллизации;

- Принципиальные решения установок очистки и регенерации элегаза (и углекислоты), а также систем газообслуживания с элегазом для физико-энергетических комплексов;

- Результаты испытаний установок очистки и регенерации БРб и создание Хладона-510 для замены фреона-12 и фреона-22 в холодильных агрегатах.

- Методика масс-спектрометрического анализа состава примесей в элегазе для исследовательских целей.

Апробация работы. Результаты работы докладывались авторомм8-ой Всесоюзной конференции по чистым веществам, 1988г, май, г.Горький; на всесоюзной конференции по инженерным проблемам термоядерного синтеза, Ленинград, 18-22 июня 1984г; на 19-ом Международном Конгрессе холода в Гааге в 1995 году, Международных конференциях "Компрессоры-1997» и «Компрессоры-2001" в Братиславе, сентябрь 1997 и сентябрь 2001г.; на конференции во ВНИХИ "Современные холодильные технологии". Москва. 6-8 июня 2000г., на Международной конференции "Аммиак: свойства и применение. Перспективы 21 века», Санкт-Петербург, 1-2 февраля 2000г., Международной конференции по альтернативным веществам. Вашингтон. 24-25 октября 1994 г, Всероссийской конференции «Физические проблемы экологии», МГУ. Физфак. Москва. 23-27 июня 1997г. и других.

Публикации. Основное содержание работы изложено в 30 печатных работах и патентах

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Мазурин, Игорь Михайлович

Выводы по работе

1. Представлена методика масс-спектрометрического анализа состава примесей в элегазе, предназначенная для исследований и позволяющая анализировать практически все стабильные фторсодержащие примеси с чувствительностью 1-5 ррш (частей на миллион).

2. Представлено математическое решение задачи по распределению примесей в кристалле для условий направленной кристаллизации в цилиндре с учётом влияния объёма паровой фазы и изменения плотности вещества при кристаллизации.

3.Представлены результаты экспериментального определения кривых распределения девяти основных примесей элегаза а кристалле для условий направленной кристаллизации.

4.Разработан оригинальный способ очистки и регенерации элегаза с использованием периодического процесса низкотемпературной кристаллизации и сублимационной очистки. На способ были получены патенты в пяти странах.

5. Разработан оригинальный способ очистки и регенерации элегаза с использованием низкотемпературной кристаллизации, осуществляемой непрерывно в процессе дросселирования в обратном цикле Ренкина при фазовом переходе "жидкость - твёрдое тело". Способ защищён патентом России.

6. На основе разработанных способов очистки ЗБб спроектированы и изготовлены (в ОКБ-1 ЭНИН) и переданы Заказчикам в эксплуатацию системы газообслуживания "Ожерелье-3"(для ТЯ-комплекса "Т-15"), "Оскол" (для ОЭМК"), "Феникс" и "Гротеск-2" (для крупных высоковольтных систем).

7. В составе оборудования элегазовых систем газообслуживания энергетических комплексов использовались три базовых модели установок :-"УТРО-3", "УТРО-4" , разработанных для очистки и регенерации элегаза и модель "УТРО-5" для очистки элегаза и углекислоты, а также крионасосы для сбора элегаза.

8. Разработан Хладон-510 — новое рабочее тело для обеспечения непрерывной очистки элегаза в обратном цикле Ренкина, представляющее собой азеотропную смесь перфторпропана (СзР$) и элегаза. Хладон-510 позволяет осуществлять прямую замену фоеона-12, фреона-22 и 11-134а в холодильных агрегатах и получать экономию потребляемой электроэнергии (в среднем на 10%) по сравнению с заменяемыми хладагентами. Хладон-510 защищен патентами США, Европы, Украины и России.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Мазурин, Игорь Михайлович, 2006 год

1. Д.П.Гохштейн. Некоторые особенности парогазовых схем с неводяными парами. Энергетика. №11.1954.

2. Б.М. Гохберг, М.В. Гликина, A.M. Рейнов. Газонаполненный кабель. A.C. № 61198. Бюлл.изобретений №4.1942.кл.21с.5/03.

3. W.C. Schumb, I.G.Trumb und Priest. "Effect of high voltage electrical discharges on SF6". Ind. Engng. Chem. Bd. 41 (1949). S. 1348-1351.

4. W.C. Gamilli, G.S.Gordon end R.E. Plum. Gaseus unsulation for highvoltage transformers. Electr. Engng. Bd. 71. (1952) S. 513.

5. D.E. Edelson, C.A.Bieling end G.I.Kochman. Electrical decomposition of SF6 . Ind. Engng. Chem. Bd. 45(1953) S. 2094-2096.

6. H. Gutbier. Massenspektrometrische Untersuchung zur Zersetzung von Schwefelhexafluorid in einer Glimmentladung Phys. Verh. Bd. 17(1966). S.163.

7. H. J. Emeltus, B.Tittle. Syntesis of pentafluorosulfur chloride and sulfur oxide in the microwave discharge. J.Chem. Soc. 1963. s. 1644.

8. Б.А.Герасимов, Т.Д.Сидоркина. Очистка SF6 от примесей, образующихся в электрическом разряде.ЖПХ.т37,вып.9.1964.стр. 2063.

9. J. Р. Manion, J.A. Philosopos and M.B.Robinson. Art stabylyti of electronegative gases. Inst. Electr. Electronics Eng. Trans. Electr. Insu. Bd.21967). S 1-10.

10. F.B. Waddington, J. Heighes. Sulfur hexafluoride insulation for current transformans. ETZ. Engng. Bd 7(1967) S. 196-199.

11. W. Becher, J. Masson. ETZ. A91,1970.N11. p .605-610.

12. S. Tokuama, Y. Yoschioka et'al. Gas discharges 2-nd Int. Conf. 11-15 sept. 1972. London. P.200.

13. S. Tominaga, H. Kuwahara, K. Hirooka, T. Yoshioka. "SF6 gas analysis technique and its application for evolution of internal conditions in SF6 gas equipment" IEEE Trans, on Pow. App. and Sist. v. PAS-100 N9.1981.

14. J. Ueda, H.Sasao, Y. Marai. "Spectroscopic observation of Ares in Pufer Type SF6 model Circuit Breaker" Symposium on High Voltage. Sydney. May 20-30.1979.

15. B. Bartakova, J. Klump. Electrotecn. obsor. 1978. V.67. N4. p. 230-233.

16. Low Energy Discharges a Problem with SF6. El. Review (1968)1.

17. S. Mori, S. Jamai, K. Ninomia et al. "Effects of internal conductor to enclosure arcs in SF6 gas insulater transmissions lines". IEEE Trans, in Pow. App. end Syst. vol. PAS-102. N 4. Apr. 1983.

18. Y. Arikava, F.Nakajima, et al. "Some chemical problems of SF6 curcuit Breaker" The Hitachi Hyoron. Vol. 51. N12.1969.

19. Патент США. № 759917.кл. 23-205. 28.06.1947.

20. Патент Канады. № 493556. 09.06.1953.

21. Патент Великобритании № 1175774. кл. С01В, 17/45. 24.03.1968.

22. Патент ФРГ №1212245, кл.С01В, 17/45. 24.03.1966.

23. Патент США № 3361532. кл. 23-205.12.01.1968.

24. Патент США № 32380178. кл.23-153.01.03.1966.

25. Патент США №4039646.кл.423-469. 02.08.1977.

26. Патент США 3 4186180 кл. 423-469.29.01.1980.

27. Патент США. №3675392. кл. 55-25.11.06.1972.

28. Патент США № 2904476. кл. 204-59. 31.09.1957.

29. Патент США № 2717235 кл. 204-59. 03.10.1955.

30. Патент США №3345277. кл. 204-59 . 03.10.1967.

31. Патент США № 2937123. кл.205-59. 01.05.1960.

32. Патент Великобритании № 853784. кл.В01 Д.33. Патент ФРГ. № 1054971.

33. Betriebsanleitung für Servicevagen 3-005-С mit Verflüssigung DILO Geselschaft Drexler. S.Co. p. 36.

34. Авторское свид. СССР № 929203. кл. В01Д. 19/00. 23.05.1982.

35. Патент Швейцарии № 555029. кл. F17C.7/00.15.10.1974.

36. J.J. Kele. 'SF6 recycling cart speeds curcuit breaker meintenance'. Transmission and Distribution.l981.v 33.N1. p.20-22.

37. Инструкция по эксплуатации, и технич. обслуживанию установки для регенерации SF6 Мод. РЕТ-2015 -2, № 18 ТОО-ММ 01.

38. И.И.Перельштейн. Термодинамические свойства SF6. М. Торглит.1961г.

39. Ф.М. Рапопорт, А.И. Ильинская. Лабораторные методы получения чистых газов. М. Изд.хим.лит. 1963.

40. Мюллер. Гнаук. Газы высокой чистоты. М. Мир. 1968.

41. Патент Японии №44-44654. кл СО 1В 17/45.09.06.1969

42. Патент Франции №2261222. 1975

43. Патент США.№3392159. 1975.

44. Авторское свидетельство СССР.№545578, Кл. С01В, 17/45. 06.02.77.

45. Авторское свидетельство СССР.№794963, Кл. С01В, 17/45. 08.09.80.

46. Авторское свидетельство СССР.№794962, Кл. С01В, 17/45. 07.09.80.

47. Авторское свидетельство СССР.№911853, Кл. С01В, 17/45.09.11.81.

48. Патент США № 4380532, Кл. С01В, 17/45. 19.04.1983.

49. Патент Великобритании №2103195.кл.С01В, 17/45. 11.04.1985.

50. Патент Франции. № 2509712. Кл. С01В, 17/45. 03.06.1985.

51. Патент ФРГ. № DE 3127622. С2. Кл. С01В, 17/45.23.07.1987.

52. Патент Италии. № 8113903. Кл.С01В, 17/45.10.07.1987.

53. L.J. Thomas and J.W. Westwater. Chem. Engr. Prog. Simp. SerN4. Vol.59.1963. P.155.

54. Madelung O. "Zur Teorie des Zonenzeicnes von Helbleiter bei Gegenwart einer Gasphase". Z.Phys.l961.Bd.l62.N5. S.508-515.

55. Pfann W.G. Trans AIMME. 194. 747. (1952)

56. Боджер.Уэстуотер. Влияние подъёмных сил на процессы плавления и затвердевания. «Теплопередача» МИР. 1967.№ 1.

57. Хитц, Уэстуотер. Критические числа Рэлея для естественной конвекции воды.«Теплопередача». Мир. №2.1971.

58. А.И. Пехович, В.М. Жидких. Расчёты теплового режима твёрдых тел. JI. «Энергия» 1976.

59. A.B. Лыков. Тепломассообмен. Справ. М. «Энергия» 1971.

60. Б.Я. Любов. Теория кристаллизации в больших объёмах. «Наука». М. 1975.

61. Г.Ф. Мучник, И.Б. Рубашов. Методы теории теплообмена. ч.1. Теплопроводность. М. «Высшая школа». 1970.

62. Л.А. Коздоба. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. М. «Наука», 1976.

63. Н.И. Гальперин, Г.А. Носов. Основы кристаллизации расплавов. М.»Химия».1975.

64. В.С.Лукьянов. Методика расчёта промерзания грунта. М. «Трансжелдориздат». 1951.

65. А.Вейник. Теория затвердевания отливок. М. «Машгиз».1960.

66. Л.С. Лейбензон. Руководство по нефтепромысловой механике. ГНТИ.1931.

67. Мазурин И.М., Шевцов А.В. и др. Получение высокочистой шестифтори-стой серы. «Энергетические машины и установки». Труды МВТУ.б.1. М.1978.

68. Y. Arikava, F. Nakajima, Y. Yoshioka, S. Yakagisava." Some chemical problems of SF6curcuit Breaker". The Hitachi Hyoron, vol 51, N12.1969.

69. Кельцев H.B. и др. «Нефтеперегонное дело»№10.1978г. стр.33-36. .

70. Пат.США № 3.210.952. от12.10.1965г.

71. Пат.Великобритании № 1.107.363. от 27.03.1968г.

72. Linde Berichte aus Technik und Wissenschaft. 38/1976. s.9-13.

73. Д.Л. Опаловский, Е.У Лобков. Свойства гексафторида серы , Успехи химии. 1975. 44 А. 195-212.

74. Л.И. Чернеева и др. Исследование свойств шестифтористой серы.

75. Энергетика и транспорт, Изд. АН СССР. 1983.№4.

76. IEC. Publication 376А.1973. Geneve.Suisse.

77. В.Г. Барабанов, О.В. Блинова и др. Озонобезопасные альтернати-вы и заменители.- СПб.: ХИМИЗДАТ, 2003.

78. Инструкция по эксплуатации КРУЭ 220 кВ фирмы ВВС. 1977г.79." SFô gas analysis technique and its applications." IEEE Transaction on Power Appar. and Syst.vol PAS-100. N9. Sept. 1981.

79. Soc. Elec. Coop. Research. Vol. 33.N4.(1977).81.JACS. 1956.New Jork.

80. И.М. Мазурин, В.Б.Галежа, Е.И. Ялимова. Результаты сравнительных испытаний отечественного озонобезопасного Хладона-510 и Хладона-22. Тезисы докладов конференции ВНИХИ «Современные холодильные технологии.». Москва.2000г. стр.62-64.

81. Пат. России № 2057779 «Рабочая смесь для холодильных машин». Приор. 29.09.1993.

82. Пат. США 6.153.17 « Азеотропная смесь с SF6». Приор. 29.09.1963.

83. Патент Украины № 41347 «Азеотропная рабочая смесь для холодильных машин». Приор. 29.09.1993.