混合气体计算

总所周知，SF6是温室效应气体，排放1吨SF6相当于排放23500吨CO2，因此危害程度可想而知，必须全力实现开关设备的去SF6化，而SF6气体具有优异的绝缘性能，开断性能。特别是在高压、特高压领域的应用，现阶段没有合适的单一气体能够实现SF6气体的完全特换，通过SF6气体和其它N2/CO2等气体混合可以部分降低SF6使用，通过3M公司新型气体全氟异丁腈（C4F7N，下面简称C4,) 和全氟正丙基乙烯（C5F10O，下面简称C5）都具有很好的绝缘性能，但单一气体沸点很高，必须通过和其它气体混合才能降低沸点，以满足开关设备-25度（有些应用要求零下40摄氏度）的应用环境要求，因此就需要对混合气体各成分的重量，以及整个混合气体的成本和全球变暖潜能值GWP计算，以获得替换气体的最佳解决方案。

以40.5kV 充气柜C-GIS为例来计算。

C-GIS气箱体积824升，充气压力0.36bar，计算气体质量需要按绝对压力计算，即1.36bar。SF6摩尔质量146，因此按公式计算：气体质量=(充气压力*体积*摩尔质量)/(R*T)

EXCEL 计算结果如下 。 该C-GIS需要充SF6气体质量为6.8kg，以每克0.13元计算，SF6气体成本是884元。

		单位
R	0.08
T	293.15
SF6摩尔质量	146.06
SF6压力	1.36	bar
体积	824.00	l
SF6气体质量	6.80	kg
SF6成本 0.13￥ /g	884.09	￥

SF6替换方案有几种，一种是减少SF6使用，混合氮气或CO2气体。下面以50%SF6+50%N2为例计算，这种方案应用于早期天灵的40.5kV充气柜（12kV 100%N2, 24kV 90%N2 +10%SF6)，混合气体按1,4bar充气压力计算。根据压力比50%，可以计算出SF6气体压力是0.7bar，体积824升，可以计算出SF6气体质量3.5kg；同样方法计算出氮气质量，氮气的摩尔质量是28，计算出氮气质量 0.67kg，成本33.55元，因此替换混合气体总成本488元。

压力  (混合气体，绝对值) bar	1.40
摩尔质量 (SF6)	146.00
% (SF6)	50.00%
压力 (SF6)	0.70
质量 (SF6)	3.50
成本 (SF6) 0.13￥ /g	454.87
摩尔质量 (氮气 N2)	28
% (N2)	50.00%
压力 (N2)	0.7
质量 (N2)	0.67
成本 (N2) 0.05￥ /g	33.55
总成本(混合气体)	488.42

同样对于多种气体混合，按照同样方法计算，如6% C4 + 10% 氧气 + 84%二氧化碳三种气体混合，计算结果如下。

	6% C4+10%O2+84%  CO2
压力 (混合气体，绝对值) bar	1.40
摩尔质量 (4710)	195.00
% (4710)	6.00%
压力 (4710)  bar	0.08
质量 (4710)  kg	0.56
成本 (4710) 3.75￥ /g	2103.00
重量比例 (% 4710 w)	22.56%
摩尔质量 (O2)	32
混气比例 % (O2)	10.00%
压力 (O2) bar	0.14
质量 (O2) kg	0.153
成本 (O2) 0.05￥ /g	7.67
摩尔质量 (CO2)	44.01
% (CO2)	84.00%
压力 (CO2)  bar	1.176
质量 (CO2) kg	1.772
成本 (CO2) 0.05￥ /g	88.60
总成本(混合气体)	2199.27
成本增加（人民币 圆）	1315.18
成本增加  %	149%
Weight fraction (% CO2 w)	71.27%
全球变暖潜能值GWP	542.08
相对于 SF6 降低百分值	97.69%

混合气体由于C4比较贵，因此，总 成本比单纯SF6气体要贵1315元，成本增加149%。全球变暖潜能值GWP是542，相对较23500降低97.69%，温室效应降低明显。

几种方案计算结果比较如下：

	6% C4+10%O2 +84%  CO2	50%SF6  50%N2	10%SF6 90%CO2	10% C5+90% N2
成本增加	1315.18	-395.66	-698.21	3959.56
成本增加比例 %	149%	-45%	-79%	448%
重量分数 (% CO2 w)	71.27%	16.09%	73.06%	49.49%
全球变暖潜能值GWP	542.08	19718.55	6330.99	1.00
相对于 SF6 降低百分值	97.69%	16.09%	73.06%	100.00%

可以看出，C4虽然是温室效应气体，但由于比例小，相对于SF6温室效应降低明显，相比较于SF6混合氮气或二氧化碳等方案，即使10%的SF6，温室效应GWP也是非常大的。当然C5除了成本高也是不错的选择。