(1.国网西藏电力有限公司;2.中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司)
摘要：建设高海拔变电站富氧环境，可以改善变电站运维人员生产、生活环境，保障运维人员身心健康。本文着重介绍及探讨富氧系统的组成、制氧方法、变压吸附制氧流程、氧调选择及工程中的应用
关键词：变电站；富氧系统设计；适用性
一、概述
随着海拔高度的不断提升，大气中的氧含量和大气压力相应下降， 人体的自然反应随之加剧，造成如心率加快、反应迟缓、情绪急躁、免疫力下降等人体伤害，出现如头痛、腹胀、脱发、呼吸困难、精神不振、睡眠质量不高、记忆力减退等不适症状。阿里与藏中联网工程沿线有查务、吉隆2个500kV变电站；萨嘎、仲巴、霍尔、巴尔4个220kV变电站，共6个新建变电站，海拔均高于4000m，平均海拔4300m以上，6个站年平均气温约-11℃，属典型的高寒高原气候，缺氧程度非常严重（相对海平面缺氧约44%），长期在这种环境下工作和生活，对变电站运行维护人员而言，极易引发急慢性高原病，不利于职工健康和安全生产，影响工作效率。
通过调研国内目前高海拔地区针对高原缺氧环境大都采取高原弥散供氧方案，因此提出在各变电站内设置一套富氧系统。考虑在变电站的主控通信楼和警卫传达室设置富氧环境，为运行维护人员创造较为舒适的生产、生活环境，提高变电站安全运行的可靠性；从合理投资及提高运行环境舒适度两方面综合考虑，选择合适的制氧方法和氧气调节标准。
二、制氧方法及变压吸附法制氧流程
（一）制氧方法
目前国内主要的制氧方法有变压吸附法、深冷法、液氧、薄膜法、水电解法、化学法。
对于变电站来讲，由于地理位置关系,液氧和深冷法制氧都不合适；水电解和化学法成本太高，而膜制氧由于其氧气浓度较低（小于45%）,输送管路复杂，管径大，零部件要求高，造成安全性降低,所以膜制氧的方法用在本工程显然也不是最佳的。
对于变电站来讲，从经济性和适用性，选用技术成熟，规模灵活（0.1m3-4000m3/h），能耗低，制氧浓度适中（≥93%）的变压吸附技术制氧是最为适合。变电站制氧方法推荐采用变压吸附法。
（二）变压吸附法制氧流程
变压吸附制氧核心技术是通过沸石分子筛变压吸附（PSA）方式对空气中的氧气和氮气进行分离，从而获取医用氧气。空气中的主要成分是氮气和氧气，其组成比例比较固定，其中氮气占78%，氧气占20.96%，其余为惰性气体。
变压吸附制氧法是采用物理吸附的方法，它以空气为原料，以沸石分子筛为吸附剂，利用充满微孔的沸石分子筛对空气中的氧和氮吸附容量不同的特性，进行选择性吸附。对沸石分子筛加压时，则分子筛优先吸附空气中的氮气，而氧则被分离出来，成为需要的产品氧。当给分子筛减压时，则吸附到沸石分子筛微孔内的氮从分子筛的微孔内解吸出来，则分子筛获得再生而恢复吸附氮的能力，由此来实现空气的氧、氮分离，制取氧气。
制氧系统主要由如下设备组成：空气压缩机，冷干机，各级过滤器，制氧主机，储氧罐，电气控制系统等。空气经过空压机压缩，通过冷干机冷却干燥，后经过多级过滤器除湿除杂，得到干净的空气，再通过制氧主机吸附塔变压吸附，分离空气中的氧气和氮气，将得到高纯度的医用氧气进行预存储，最后通过输氧管道将灭菌除尘后的氧气输送至供氧区域的房间。
三、富氧系统的组成
富氧环境系统由制氧主机机房，管路系统，终端控制系统三个主要系统组成。
制氧主机机房——由全套制氧设备构成，包括空压机，冷干机，制氧主机，过滤器及控制系统等。
管路系统——由供氧管路、供氧量控制系统、压力及流量检测系统等构成，其输氧方法为：通过主管路、分管路和支管路与各用氧区域电磁阀连接，将制氧机房输出的氧气输送至每个用氧终端；同时，预设管路时，分别在每个楼层预留管路接口，以方便未来供氧区域拓展。
终端控制系统（可与辅控智能系统兼容）——由控制系统、感应系统、出氧口（消音）、视屏器（液晶显示并具备屏保功能）等构成，其控制方法分为智能和手动两种模式。智能模式：当工作人员进入房间，开启供氧开关后，视屏器同时显示用氧状态（室内氧浓度、模拟海拔、大气压、环境湿度），自动达到设定的富氧环境；手动模式：通过视屏器面板上的开关按钮开启或关闭供氧系统。
四、高海拔变电站富氧系统氧气调节标准
通过分析不同氧浓度环境下的人员缺氧程度，室内供氧环境以及运行人员频繁进入外界的低氧环境，这种富氧-低氧的变化如果处理不好，也会造成严重的健康问题，富氧-低氧的差距越大，对机体的损伤也越大。基于对人员舒适性和安全性的考虑，提出需要供氧的海拔高度值及允许达到的生理等效高度。高原地区的供氧分为了A、B、C三个等级，不同级别高原弥散供氧空间氧调的生理等效高度范围的氧气浓度如下表1，变电站推荐采用B级标准。
表1：氧气浓度要求
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五、依托西藏阿里与藏中电网联网工程实例供氧量计算及设备的选型
阿里与藏中电网联网工程沿线共有6个新建变电站，都需考虑富氧系统。以查务500kV变电站为例计算变电站供氧量及设备的选型：
本工程查务500kV变电站站址位于日喀则市拉孜县查务站址，站址海拔约4003m，考虑在查务500kV变电站站内的主控通信楼和警卫传达室设置富氧环境，为运行维护人员创造较为舒适的生产、生活环境，本工程高原供氧系统考虑将主控通信楼(含运维用房)房间内的氧气浓度从海拔4003m以上水平提高到海拔2900m水平，可调范围为2600m～3100m。
主控通信楼共2层，层高为3.6m，拟增加氧气含量的建筑面积及体积如下表所示：
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（一） 制氧机供氧量的决定因素
制氧机供氧量主要由以下几个方面确定：
1) 房间富氧水平 ；2) 房间密封性；3) 门窗开启频率；4) 富氧时间；5) 供氧流量； 6) 人员氧气消耗。
由于人体实际消耗的氧气含量很少，在本方案中最后进行修正处理。门窗开启对房间氧气浓度影响很大，建议富氧后尽量不要开启门窗，且氧气输出口尽量远离需经常开启的门或窗户。考虑到通常变电站内窗户密封性能较好，氧气输出口应远离门的位置设置；正常情况下，制氧机供氧量主要由房间富氧水平、房间密封性能，总富氧时间及供氧流量几个因素决定。
（二） 供氧量的计算
1) 氧气净增量
分别计算4003m海拔与2900m海拔的大气压值折算到标准状态(0℃，101.325kPa)时的压力值：
下表2所示为不同海拔高度下大气温度与气压。从表中可以查出海拔4003m时，温度约为-11.02℃，大气压力616.0hPa，根据理想气态方程：
Pa=Pn×Ta/Tn=0.0616×273/(273-11.02)=0.0642(MPa)
同理2900m时，由下表1查出，温度约为-3.85℃，大气压力710.1hPa，根据理想气态方程：
Pa=Pn×Ta/Tn=0.07101×273/(273-3.85)=0.0720(MPa)
式中，Pa --折算到标准状态(0℃，101.325kPa)时的压力值(MPa)；
Pn --使用状态下的压力值(MPa)；
Tn --使用状态下的温度修正(K)；
Ta --标态下的绝对温度273(K)
表2：不同海拔高度下温度，气压表
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由“海拔高度与大气压含氧量的关系”图，可查出在标准状态下海平面含氧量约为299.3g/m³。由于大气含氧量与大气压成正比，根据公式：Pa/Po=ηa/ηo ，可计算出4003m和2900m海拔时的大气含氧量。
式中Pa--折算到标准状态(0℃，101.325kPa)时的压力值(MPa)
Po--标准状态的压力值(0.101325MPa)
ηa--使用海拔状态下的含氧量(g/m3)
ηo--标准状态下海平面的含氧量(g/m3)
4003m时：ηa=Pa×ηo/ Po=0.0642×299.3/0.101325=189.64g/m³
2900m时：ηa=Pa×ηo/ Po=0.0720×299.3/0.101325=212.68 g/m³
由上面含氧量的计算可知，从海拔4003m达到2900m时氧分压的水平，每立方米空气必须弥散进的氧气量：m=212.68-189.64=23.04g；
标准状态下的供氧体积为：Vn=23.04/(1000x1.43)=0.0162Nm3
则标准状态下的供氧总体积为：V=0.0162x2125.5=34.43Nm3
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海拔高度与大气压含氧量的关系
2) 室内外空气交换富氧维持量
依据同类工程高原经验，因房间条件不同其空气交换量略有不同，考虑到变电站内房间密封性相对较好，按经验值海拔每下降1000m 、每100m3的空间大约需要0.3Nm3/h的氧气维持量(考虑房间正常密 封条件下由于工作期间正常开关门及房间各种缝隙，包括门缝等产生的自然空气交换量)，本站海拔降低约1100m，按照每100m3的空间大约需要0.3Nm3/h的氧气维持量考虑。2125.5m3的富氧空间海拔下降1100m需要约7.02Nm3/h的氧气维持量(该维持量未考虑人员消耗等其他损失)。
a) 8小时正常办公时间需要的供氧量
7.02x8=56.2Nm3。
b) 正常办公时间外氧气维持量大幅降低，暂按正常办公时间需要的供氧量的1/10考虑，需要的供氧量为：
0.702x16=11.23Nm3
用氧房间每天需要的富氧维持量为：56.2+11.23=67.43Nm3。
3) 人员消耗量
一般情况下，人的呼气量为 500mL/次，每分钟呼吸20次，换气量为 10L/min，吸入氧气浓度为20.9%，呼出氧气浓度为16%，则每分钟实际消耗的氧气约为490mL，则每小时含氧量约为0.03m³。
a) 正常工作时间内
变电站站内工作人员按25人考虑，则25人的耗氧量约为0.03×25=0.75m³/h，相当于标准状态下的0.55Nm³/h，按8小时计算，需要的耗氧量为：4.4Nm³/h。
b) 正常工作时间外
闲时变电站站内工作人员按15人考虑，则15人的耗氧量约为0.03×15=0.45m³/h，相当于标准状态下的0.33Nm³/h，按16小时计算，需要的耗氧量为：5.28Nm³/h。
则变电站全天人员所需的供氧量为：4.4+5.28=9.68Nm3。
4) 总供氧量
变电站总供氧量包含氧气净增量；室内外空气交换富氧维持量；人员消耗量三个部分。
Q=34.43+67.43+9.68=111.54 Nm3。
（三） 富氧设备的规格及配置
根据上述计算，变电站内建筑富氧体积为111.54Nm3。以该值作为制氧机的选型的计算值，按每天制氧机工作12h，制氧量为L Nm3/h，制氧机氧气的浓度为90%，由此可计算出设备的产氧量为：111.54/(12×(0.9-0.2504))=14.3 Nm³/h(其中25.04%为2900m时大气中氧气的体积分数)。
考虑到不是所有房间都会同时使用，故取同时使用系数80%，约为11.45Nm³/h。则2台7.5Nm³/h富氧制氧机的配置可满足其要求。
根据以上计算，本工程配置2台7.5Nm³/h富氧制氧机，并配套一只7.5m³储氧罐即可满足本站富氧要求。
六、富氧系统对变电站适应性研究
通过在高海拔地区各变电站的初步应用，充分检验了富氧系统的有效性和适用性，在高海拔地区变电站具有很高的推广应用价值。主要体现在以下几个方面：
(1) 经济效益方面
通过建设高海拔变电站富氧系统综合环境，能提高工作人员的工作效率，改善工作人员的工作和生活环境，保障了工作人员的身心健康，提升了工程管理的经济效益，减少健康保障费用的支出。
(2) 社会效益方面
通过高海拔变电站设置富氧系统的应用，给国网西藏电力公司的所有员工提供了舒适的工作和生活环境，避免了恶劣气候条件和缺氧带来的不利影响，吸引更多的优秀青年员工来藏工作，激励更多的员工去基层工作。
参考文献:
［1］GB50030-2013 《氧气站设计规范》
［2］GB50751-2012 《医用气体工程技术规范》
［3］《高海拔地区室内富氧浓度安全试验研究》
［4］GB50229-2019《火力发电厂与变电站设计防火规范》
［5］《高海拔地区富氧环境的可行性研究报告》