发展绿色电工装备技术,切实支撑国家“双碳”目标

发布日期:2021-07-20· 中国能源网 傅明利

老旧电力设备绿色节能替代。需要开展更高电压等级天然酯绝缘油变压器关键技术攻关及装备研发。有必要将绿色电工装备技术纳入新型电力系统建设整体布局。

绿色高效是以新能源为主体的新型电力系统三大特征之一。作为对国家新发展理念的承接和打造绿色电网的一贯要求,南方电网在《南方电网公司服务碳达峰、碳中和工作方案》中,旗帜鲜明地将大力服务新能源接入消纳、大力支持非化石能源发展列于工作目标和重点工作举措的首要位置。与此同时,作为现代电力能源产业链“链长”和大量电工装备的使用者及保有者,电网公司同样应该在提升电工装备绿色低碳指标,推动绿色电工装备技术发展方面挖潜发力,提高电网自主贡献力度,提升电力装备精益化管理和运维绿色环保水平,进一步降低电网企业自身的碳排放水平,带动上下游产业链绿色发展,形成绿色生态,切实支撑国家“双碳”目标的实现。

绿色电工装备技术,不仅是指用环境友好型的电力设备替代传统设备,还包括对设备及其电工材料选型、管理、运维直至退役的全生命周期科学低碳处置。以电网设备为例,电网体系中保有量最高的三大输变电主设备——变压器、气体绝缘开关(GIS)和电力电缆,在提升环境友好性指标方面均具有较大的提升空间:变压器用传统矿物绝缘油具有难降解、不可再生的问题和泄漏污染的风险;GIS中使用的六氟化硫(SF6)温室效应潜值极高,需要严格限制或最终禁止使用;交联聚乙烯(XLPE)电缆生产过程中碳排放严重,且退役后完全无法降解,废弃或掩埋会造成环境污染。在建设新型电力系统的要求下,上述问题愈发凸显,亟待解决。

南方电网一直将建设绿色电网作为企业的战略目标,为服务“碳达峰、碳中和”目标,从设备层面为构建新型电力系统提供技术支撑,有必要将绿色电工装备技术纳入新型电力系统建设整体布局,强化资产管理顶层设计,统筹推进电工装备绿色替代和低碳处置技术研究及应用,多措并举全面推动绿色电工装备技术发展。

110kV芙蓉变电站运行的110kV/40MVA植物油绝缘变压器

环境友好气体绝缘10kV 环网柜

环境友好气体绝缘126kV GIS三工位间隔

天然酯变压器研发与应用。相较传统矿物油绝缘变压器而言,天然酯绝缘油变压器在绿色环保和安全运行方面优势显著:天然酯28天生物降解率可达97%,对水生动物无危害且经口无毒,即使发生泄漏也不对环境造成污染,是目前唯一可再生并循环利用的绝缘与冷却介质。同时其难燃难爆,具有更为优异的热特性和热寿命,可使变压器负荷能力和运行寿命得到明显提升。然而目前天然酯绝缘油主要应用于低电压等级变压器,在较高电压等级变压器上仍鲜有应用。需要开展更高电压等级天然酯绝缘油变压器关键技术攻关及装备研发,加快推进落地示范,规范和完善运维技术体系,并在城市增容供电、户内变电站、智能楼宇以及海上风电平台等新能源接入场景铺开应用,实现环保和安全性能的共同提升。

环境友好型气体绝缘设备研发与应用。SF6的温室效应潜值(GWP)是CO2的23500倍,大气寿命达3200年之久,已被国际社会列为需要严格限制使用的气体。但是目前大气中的SF6年增长率仍高达8.7%,其中70%来自电力行业。经南方电网、国家电网、国内外设备厂家、高校及科研机构多年探索研究,行业内现已形成以七氟异丁腈(C4F7N)为代表的SF6主流替代技术路线,绿色环保型气体绝缘设备样机也陆续问世。新型设备GWP较传统SF6设备降低98%,有望在不远的将来实现对SF6绝缘设备的逐次绿色替代。在这一进程中,应着力研发更高电压等级、更多种类的环境友好型气体绝缘设备(如PT、CT、GIT等),并协同天然酯绝缘油变压器的研发和推广,加快推进变电站主设备的绿色化进程。

非交联电缆研发与应用。交联聚乙烯绝缘高压电缆生产过程能耗高,且退役后无法回收利用。非交联电缆具有绝缘性能优异、耐温等级高、生产工艺简单等特点,成为近年来电缆装备领域中的新兴热点。非交联电缆在整个生产过程中无交联和脱气工艺过程,不产生对环境有害的气体,能耗可以减少50%以上,电缆退役后还可100%回收利用。以中压10kV非交联电缆为例,每1km电缆(线芯截面185mm2)可减少4900kg碳排放和500kg固体废弃物,在减少碳排放和回收再利用方面效果显著,是电缆行业需重点关注的发展方向。应从非交联绝缘/屏蔽材料的配方、制备及性能提升层面开展研发攻关,解决高电压、大长度非交联电缆制造技术难题,实现环境友好电缆的技术突破和引领。

变压器油分级处置。目前国内年产废旧变压器油达万吨级,处理方法为依照国家相关要求交由有危险废物回收资质的企业集中处理,再生为基础油,供各类成品油调制使用。但这是一种相对粗放的全盘资源化处理方式,过程中易产生二次污染。从提升资源利用率和降低整体能耗的角度出发,可从评价分级指标体系、性能恢复处理技术、有害物质处置技术方面针对废变压器油开展研究,提出更为合理的循环利用方式。同时,还可以考虑通过颁发碳认证许可等方式,鼓励相关企业通过上述方式获得一定程度的政策倾斜,从技术和政策两方面共同推进变压器油的分级处置。

六氟化硫高效降解。环境友好型气体绝缘设备可以有效解决SF6使用增量的问题,但在运设备中SF6存量巨大,还需要对其进行科学处理。目前行业内通常采用的回收后再利用方式并不能彻底消除SF6带来的温室气体排放问题。如果能够将SF6完全降解,那么上述问题将得到根本解决。行业内曾尝试的热解法、热催化剂法、光还原法等手段因能耗高、效率低或存在二次污染等缺点,不符合新型电力系统绿色高效的建设要求。近年来出现的一批以基于介质阻挡放电的低温等离子体法为代表的新技术,可同时提高SF6的降解率和处理能效,并抑制有害产物生成,避免二次污染,为实现SF6规模化降解提供了新思路。

XLPE电缆绿色回收。电力电缆采用的XLPE绝缘材料具有独特三维晶格结构,无法再次熔融成型。因此,目前绝大部分XLPE废料都是焚烧或直接掩埋,造成环境污染和能源消耗。部分国家曾尝试过热解XLPE转化为油或蜡,但均因耗能巨大而放弃。实际上,若对交联聚乙烯进行适当剪切和加热,便可打破XLPE中大部分交联结构,生产出基本满足热塑条件的可回收材料颗粒。这些颗粒既可用作填充材料、跑道颗粒料等,也可模塑形成新产品进行二次利用。上述技术若能成功落地,将有望带动形成一条新兴绿色产业链,为“双碳”目标提供助力。

我国电力工业经过过去20多年的快速发展,大量设备资产运行已逐渐接近初始设计寿命年限,老旧比例日益增加,绿色高效地处置是行业面临的共性需求。我国在老旧电力设备处置方面已开展了大量工作,但仍需在老旧设备精细化管理、促进老旧设备高效利用等方面用劲发力:

老旧电力设备综合状态评价。对于老旧电力设备状态评价,应考虑其生产制造工艺、技术能力、运维质量、家族缺陷史和历史状态等多种因素,开展综合技术评价。并通过成本效益及能耗分析等技术手段对其经济和环保收益进行精细化测算,建立“技术-经济-环保”为一体的综合评价体系,为科学处置提供可靠依据。

老旧电力设备分类分级处置。开展老旧设备技术检测分类,细化老旧设备分类,拓展老旧设备再利用场景。既要对技术落后、残值低的设备及时退役报废,又要对部分因增容改造退运但状态良好并具有较高使用价值的设备,采用转备用、“异地再就业”、农村电网新基建等措施盘活设备资产。

老旧电力设备绿色节能替代。以变压器为例,我国变压器损耗约占输配电电力损耗的40%,年用电损耗约为2500亿千瓦时,相当于3个中等省的用电量之和。若以符合新国标规定的非晶合金变压器、立体卷铁心变压器等新式节能变压器进行替换,将有望降低损耗10~45%,最大可节约1125亿千瓦时,节能潜能巨大。

电工装备既是电网生产运行的最基本元件,又是连接电力能源产业链上下游的重要环节。作为现代电力行业产业链的“链长”,电网公司有义务、有责任将新型电力系统的绿色高效属性赋予全产业链各个环节,在构建机制、引领技术、示范推广等方面发展绿色电工装备技术:一是将电工装备绿色指标纳入企业经营考核评价体系,以政策引导促进企业转型。二是围绕绿色电工装备布局谋划重大科研专项,以科技攻关促进产品革新与升级。三是给予绿色电工装备适当政策倾斜,以需求导向促进生态构建。四是打造建设绿色电工装备技术示范区,以平台建设促进技术落地。从而全面推动绿色电工装备技术发展,助力国家实现“双碳”目标。

【文中部分数据来源于:工业和信息化部联合市场监管总局、国家能源局发文《变压器能效提升计划(2021-2023年)》】

(作者为南方电网公司高级专家)


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