國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)“強(qiáng)溫室氣體六氟化硫在電網(wǎng)中的近零減排技術(shù)及應(yīng)用”：全生命周期破解“綠色難題”

7月8日，國網(wǎng)江蘇省電力有限公司完成的“強(qiáng)溫室氣體六氟化硫在電網(wǎng)中的近零減排技術(shù)及應(yīng)用”獲2025年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

六氟化硫是電力系統(tǒng)不可或缺的優(yōu)質(zhì)絕緣介質(zhì)，國家電網(wǎng)有限公司積極推進(jìn)綠色低碳轉(zhuǎn)型，探索出一條從“回收凈化循環(huán)利用”到“混合氣體減量”再到“環(huán)保氣體替代”的清晰技術(shù)路徑。國網(wǎng)江蘇電力研發(fā)團(tuán)隊(duì)歷時(shí)十年科技攻關(guān)，突破六氟化硫防漏、回收、再用關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全生命周期近零排放，研制的8類減排裝置已推廣至國內(nèi)31個(gè)省區(qū)市并出口至16個(gè)國家。

▲六氟化硫氣體回收凈化一體化作業(yè)車

直面行業(yè)“綠色難題”

六氟化硫在電力行業(yè)并不陌生。變電站開合閘的瞬間，會產(chǎn)生電弧放電，而六氟化硫在此起到了關(guān)鍵作用。它絕緣性能強(qiáng)、滅弧速度快、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，好比給高壓設(shè)備穿上了“防護(hù)服”，守護(hù)電網(wǎng)安全。在特高壓、超高壓領(lǐng)域，目前還沒有找到比它更可靠的絕緣介質(zhì)，以它作為絕緣介質(zhì)的設(shè)備，占地面積小，土建投入相對較低。

然而，該氣體屬于溫室氣體，如何平衡電網(wǎng)安全和環(huán)保要求？這是電力行業(yè)必須面對的現(xiàn)實(shí)問題。

▲張曉琴使用六氟化硫氣體質(zhì)量一體化檢測裝置在現(xiàn)場開展氣體檢測

國家電網(wǎng)公司積極探索從“回收凈化循環(huán)利用”到“混合氣體減量”再到“環(huán)保氣體替代”的綠色低碳轉(zhuǎn)型之路。為了從源頭降低六氟化硫使用量，自2015年起，公司開展混合氣體關(guān)鍵技術(shù)研究，選定化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、環(huán)保且絕緣性能良好的氮?dú)?，使設(shè)備絕緣、環(huán)保和安全性能達(dá)到綜合最優(yōu)。但混合氣體并不能完全替代六氟化硫，尤其是在特高壓、超高壓等對絕緣性能要求極高的場景，目前仍以純六氟化硫氣體為主，混氣改造更多適用于110千伏、220千伏電壓等級設(shè)備。

2015年起，時(shí)任國網(wǎng)江蘇電科院油氣檢測專職、現(xiàn)為國網(wǎng)江蘇電科院輸變電技術(shù)研究所主任工程師的張曉琴及其團(tuán)隊(duì)以六氟化硫自動(dòng)化檢測技術(shù)為切入點(diǎn)，系統(tǒng)性地對六氟化硫防漏、回收、再用三大關(guān)鍵環(huán)節(jié)展開協(xié)同攻關(guān)，力求讓六氟化硫從“用”到“管”的整個(gè)鏈條更加規(guī)范，最大限度降低全流程排放。

打通技術(shù)攻堅(jiān)鏈條

針對設(shè)備接縫偶發(fā)滲漏和人工檢測滯后等痛點(diǎn)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將突破口鎖定在密封材料本身：能不能讓材料靠自己就把氣體分子牢牢擋在氣室內(nèi)部，而不是等泄漏了再處理？

2018年，團(tuán)隊(duì)從材料研發(fā)入手，反復(fù)調(diào)整膠體材料的成分配比和分子間的連接緊密度，經(jīng)過數(shù)百次實(shí)驗(yàn)，研制出新型復(fù)合膠體密封材料，將氣體分子物理攔截在氣室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)六氟化硫分子級阻漏。該阻隔效果不受高溫、高壓及復(fù)雜氣候條件影響，材料抗老化性能也同步顯著提升。

不止于此，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)再接再厲，進(jìn)一步在膠體材料內(nèi)置了阻抗傳感單元，實(shí)時(shí)采集氣室內(nèi)微壓力變化，一旦出現(xiàn)泄漏，即刻觸發(fā)電信號報(bào)警，快速完成站域級設(shè)備漏點(diǎn)精準(zhǔn)定位與告警，將泄漏排放削減至趨近于零。

▲高致密防振膠體材料

密封防漏守住了第一道關(guān)口，但設(shè)備檢修和退役時(shí)仍需對內(nèi)部氣體進(jìn)行回收。由于六氟化硫氣體具有大分子、密度大的特性，當(dāng)氣室內(nèi)壓力值低于一定程度時(shí)，常規(guī)的壓縮機(jī)難以有效抽出這些氣體，六氟化硫氣體無法被完全回收。此時(shí)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出“氮?dú)庋h(huán)洗脫回收法”：先抽走絕大部分純六氟化硫氣體，再充入氮?dú)庀疵撌Ｓ嗟牧?，將殘留氣體“沖刷”出來。

原理清晰，工程實(shí)現(xiàn)卻極為艱難。洗脫后氮?dú)馀c六氟化硫混合在一起，如何經(jīng)濟(jì)高效地分離？2020年，團(tuán)隊(duì)篩選了數(shù)十種高分子半透膜材料，逐一搭建實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行通氣測試。歷時(shí)近兩年，一種具有特殊內(nèi)孔結(jié)構(gòu)的中空纖維膜脫穎而出。它像一個(gè)精準(zhǔn)的“分子守門員”，通過精確控制氣體流速、壓力和溫度，將六氟化硫大分子“有效攔截”，而氮?dú)?、氧氣等小分子順利通過。基于這一核心突破，團(tuán)隊(duì)成功研制出現(xiàn)場集成化、輕量化六氟化硫回收裝置，回收率從96.5%躍升至99.9%，回收時(shí)間從12小時(shí)壓縮至1.4小時(shí)。

回收后的六氟化硫混入了水分、顆粒物及電弧分解產(chǎn)生的硫化物、氟化物等雜質(zhì)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到直接再用標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)凈化工藝需送回六氟化硫氣體綜合處理中心統(tǒng)一進(jìn)行處理，效率低、耗時(shí)長且存在微量雜質(zhì)難以去除的弊端。團(tuán)隊(duì)研發(fā)出移動(dòng)式凈化處理裝置，將吸附、過濾、檢測等多道工序集成于一套可車載的緊湊系統(tǒng)中，能夠在變電站現(xiàn)場快速提純，使處理后的氣體純度達(dá)到“新氣”標(biāo)準(zhǔn)，直接回用于電網(wǎng)設(shè)備，使六氟化硫再用率提升至99.994%，實(shí)現(xiàn)棄用排放近零。

目前，9輛回收凈化一體化作業(yè)車在國網(wǎng)江蘇電力配備應(yīng)用，可在兩小時(shí)內(nèi)到達(dá)檢修現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)六氟化硫的現(xiàn)場回收、凈化與回充。

拓展項(xiàng)目推廣價(jià)值

技術(shù)創(chuàng)新解決了“點(diǎn)”上的難題，而如何實(shí)現(xiàn)全省域、全流程的精準(zhǔn)管控與閉環(huán)管理，則是團(tuán)隊(duì)面臨的新挑戰(zhàn)。隨著六氟化硫檢測回收工作量的激增，多個(gè)變電站同時(shí)作業(yè)成為常態(tài)，紙質(zhì)臺賬和人工調(diào)度早已力不從心。

2022年，國內(nèi)外首個(gè)六氟化硫數(shù)字化管控平臺在江蘇落地。該平臺可對六氟化硫從在電網(wǎng)“入網(wǎng)”到“退役”的全生命周期進(jìn)行智慧化管控，讓氣體的去向都有據(jù)可查、每一個(gè)環(huán)節(jié)的排放盡在掌控。

▲張曉琴和同事分析六氟化硫氣體數(shù)字化全流程管控系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)

2025年1月，由國網(wǎng)江蘇電科院牽頭制定的我國首個(gè)六氟化硫氣體循環(huán)再利用國家標(biāo)準(zhǔn)正式施行，為全行業(yè)提供了從檢測、回收到凈化再用的全流程規(guī)范。

截至目前，項(xiàng)目研發(fā)的8類配套裝置已在國內(nèi)31個(gè)省區(qū)市電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，有力保障了白鶴灘水電送出、蘇通GIL綜合管廊工程等18個(gè)國家重點(diǎn)工程的近零排放要求，實(shí)現(xiàn)萬噸級六氟化硫低碳、安全使用。相關(guān)技術(shù)已輻射至化工、交通、芯片制造等領(lǐng)域，并出口至瑞士、新加坡等16個(gè)國家。近3年，項(xiàng)目帶動(dòng)直接經(jīng)濟(jì)效益超10億元。

現(xiàn)在，張曉琴團(tuán)隊(duì)又緊鑼密鼓地投入到潔凈空氣絕緣性能檢測關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、500千伏綠色環(huán)保天然酯絕緣油變壓器試驗(yàn)驗(yàn)證攻關(guān)中，繼續(xù)為推動(dòng)電力設(shè)備綠色化、降低碳排放貢獻(xiàn)力量。

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