智能六氟化硫氣瓶容量顯示裝置的研發(fā)與應(yīng)用

何鑫濤 尹學(xué)兵 徐家梅 陳昆 胡得圣 葉方瓊

前言

SF6氣體已有百年歷史，是一種無色、無臭、無毒、不燃的穩(wěn)定氣體。1947年提供商用。SF6氣體的特點(diǎn)決定了它能夠用于電力工業(yè)中。SF6具有卓越的電氣絕緣性能和滅弧性能，相同條件下，是空氣、氮?dú)饨^緣性能的2.5倍以上，滅弧性能是空氣的100倍。SF6氣體用于4種類型的電氣設(shè)備作為絕緣或滅弧介質(zhì);SF6斷路器及GIS設(shè)備（在這里指六氟化硫封閉式組合電器設(shè)備，國際上稱為“氣體絕緣開關(guān)設(shè)備”（Gas Insulated Switchgear））、SF6負(fù)荷開關(guān)設(shè)備，SF6絕緣輸電管線，SF6變壓器及SF6絕緣變電站。從用氣量講，80%用于高中壓電力設(shè)備。

SF6本身并沒有毒害，但是它是一種窒息劑，在高濃度下會(huì)呼吸困難、喘息、皮膚和黏膜變藍(lán)、全身痙攣。吸入80%六氟化硫+20%的氧氣的混合氣體幾分鐘后，人體會(huì)出現(xiàn)四肢麻木，甚至窒息死亡 。

在特殊條件作用下SF6的分解產(chǎn)物如四氟化硫，氟化硫，二氟化硫，氟化亞硫酰，二氟化硫酰，四氟亞硫酰和氫氟酸等，它們都有強(qiáng)烈的腐蝕性和毒性。例如，四氟化硫：常溫下為無色的氣體，有刺鼻氣味，在空氣中能與水分生成煙霧，對肺有侵害作用，影響呼吸系統(tǒng)，其毒性與光氣相當(dāng)。氟化亞硫酰：為無色氣體，有臭雞蛋氣味，化學(xué)性能穩(wěn)定，為劇毒氣體，可造成嚴(yán)重的肺水腫，使動(dòng)物窒息死亡。二氟化硫酰：為無色無臭氣體，化學(xué)性能極為穩(wěn)定，是一種能導(dǎo)致痙攣的有毒氣體。它的危險(xiǎn)性在于無刺鼻性嗅味且不會(huì)對鼻粘膜造成刺激作用，故發(fā)現(xiàn)中毒后往往會(huì)迅速死亡。氫氟酸：是酸中腐蝕性最強(qiáng)的物質(zhì)。對皮膚、粘膜有強(qiáng)烈刺激作用，并可引起肺水腫和肺炎等。

同時(shí)，六氟化硫是一種溫室效應(yīng)氣體，其單分子的溫室效應(yīng)是二氧化碳的2.2萬倍，是《京都議定書》中被禁止排放的6種溫室氣體之一。且由于六氟化硫高度的化學(xué)穩(wěn)定性，其在大氣中存留時(shí)間可長達(dá)3200年。且其全球變暖潛能（GWP）為迄今已知溫室氣體之最，100年的GWP值為24900，其對溫室效應(yīng)的影響是二氧化碳的23900倍。目前環(huán)境保護(hù)工作日益嚴(yán)峻，一直以來，綠色發(fā)展理念貫穿于我國治國理政思想之中。黨的十八大以來，以習(xí)近平同志為核心的黨中央把生態(tài)文明建設(shè)擺在改革發(fā)展和現(xiàn)代化建設(shè)全局位置，堅(jiān)定貫徹新發(fā)展理念，不斷深化生態(tài)文明體制改革，開創(chuàng)了生態(tài)文明建設(shè)和環(huán)境保護(hù)新局面，綠色中國夢，蘊(yùn)含經(jīng)濟(jì)“轉(zhuǎn)型升級”。綠色中國夢，對于經(jīng)濟(jì)發(fā)展來說，也是一個(gè)經(jīng)濟(jì)上的轉(zhuǎn)型升級夢。所有的企業(yè)，都必須按照生態(tài)文明建設(shè)的要求，做好轉(zhuǎn)型升級。不轉(zhuǎn)型升級，勢必會(huì)破壞環(huán)境，因此，這個(gè)綠色中國夢，也是一個(gè)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型、質(zhì)量提升的倒逼機(jī)制。

作為電力龍頭企業(yè)，出于長久的環(huán)保和安全考慮，如何合理、正確的回收凈化六氟化硫氣體，是必須解決的問題。

一、行業(yè)現(xiàn)狀與背景

1998年，美國排放的SF6氣體總量相當(dāng)于1000萬噸二氧化碳，其中大部分是電力公司排放SF6氣體造成的。1994年全球排放六氟化硫氣體65800噸，其中20%來自鎂的生產(chǎn)過程，80%來自電力公司。故而六氟化硫的回收是一項(xiàng)重要的工作，世界各大電力公司都在研究如何進(jìn)行六氟化硫的回收和再利用。

SF6氣體絕緣電器在19世紀(jì)80年代初開始應(yīng)用于我國電力系統(tǒng)，到現(xiàn)在已二十多年。通過這三十多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)的積極引進(jìn)和不斷地研發(fā)，我國SF6氣體絕緣電器和SF6氣體的生產(chǎn)與應(yīng)用都得到了極大的提高。我國對SF6氣體的生產(chǎn)、管理及應(yīng)用有著嚴(yán)格的規(guī)定。但泄露時(shí)有發(fā)生，除了管理不到位、人員意識(shí)淡薄等人為因素以外，操作人員對瓶內(nèi)狀況無法完全了解，氣瓶壓力沒有正確顯示瓶內(nèi)狀況的技術(shù)原因也是重要的因素。

六氟化硫通常存儲(chǔ)于氣瓶之中，而我國氣瓶產(chǎn)業(yè)最早是1957年設(shè)計(jì)制造出了第一批40升15MPa級無縫氣瓶，后續(xù)生產(chǎn)出相應(yīng)鋁合金氣瓶、各種焊接氣瓶等。但氣瓶真正的快速發(fā)展是近二三十年，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速增長，特別是氣體工業(yè)的發(fā)展，帶動(dòng)了氣瓶制造業(yè)的興起和發(fā)展。

現(xiàn)階段我國的常用的鋼瓶標(biāo)準(zhǔn)如下：

1、40L容積，外徑×高度=235mm×1400mm，空瓶重量是50KG，工作壓力15MPa;

2、10L容積，外徑×高度=165mm×800mm，空瓶重量是16KG，工作壓力15MPa;

3、8L容積，外徑×高度=165mm×700mm，空瓶重量是14KG，工作壓力15MPa;

4、4L容積，外徑×高度=140mm×500mm，空瓶重量是8KG，工作壓力15MPa;

5、2L容積，外徑×高度=108mm×400mm，空瓶重量是4KG，工作壓力15MPa。

目前氣瓶產(chǎn)業(yè)主要發(fā)展方向依然是針對氣瓶本體，針對工藝的改進(jìn)以提升產(chǎn)品的可靠性。由于六氟化硫在氣瓶內(nèi)處于液態(tài)保存，檢修人員通常通過減壓閥壓力表來判斷氣瓶內(nèi)六氟化硫存量，但在進(jìn)行六氟化硫氣體補(bǔ)充的過程中，液態(tài)六氟化硫氣化吸熱，導(dǎo)致瓶內(nèi)剩余六氟化硫結(jié)冰變?yōu)楣虘B(tài)，壓力表所顯示壓力由液態(tài)蒸發(fā)壓變?yōu)楣虘B(tài)蒸發(fā)壓，表現(xiàn)壓力急劇下降，容易導(dǎo)致工作人員對氣瓶內(nèi)六氟化硫存量誤判，從而造成浪費(fèi)，并存在誤排放的風(fēng)險(xiǎn)。

氣瓶在使用過程中，除去存儲(chǔ)氣體的要求，還包含很多其他的功能需求，而目前氣瓶往往在進(jìn)口處設(shè)置一塊壓力表，顯示瓶內(nèi)壓力。這固然重要，但在許多情況下，氣瓶壓力并不能完全反映氣瓶內(nèi)的狀況。尤其在六氟化硫存儲(chǔ)過程中，由于六氟化硫的特性，使得反應(yīng)氣瓶實(shí)際容量存在較大的問題。

六氟化硫充氣設(shè)備故障檢修時(shí)需對設(shè)備內(nèi)六氟化硫氣體進(jìn)行回收。使用氣瓶進(jìn)行六氟化硫回收時(shí)需嚴(yán)格控制最大充裝量不得超過氣瓶容量的80%，否則將可能會(huì)導(dǎo)致氣瓶爆炸。在現(xiàn)場實(shí)際工作中，我們只能用電子稱先稱出空瓶的重量，根據(jù)空瓶的極限壓力換算出空瓶最大容量，在回收過程中頻繁的稱量氣瓶的重量來計(jì)算已回收的氣體量。這種方法工作繁瑣所需時(shí)間較長，容錯(cuò)率低，且風(fēng)險(xiǎn)較高。

如何設(shè)計(jì)一款應(yīng)用型產(chǎn)品，針對六氟化硫的特性及其存儲(chǔ)特性，實(shí)時(shí)檢測氣瓶內(nèi)六氟化硫的剩余量，從而經(jīng)濟(jì)環(huán)保的完成六氟化硫氣體的回收、換裝等工作是一項(xiàng)亟待解決的問題。

二、顯示裝置的研發(fā)的目的

氣瓶的使用過程中會(huì)出現(xiàn)剩余部分氣體的情況，由SF6的特性可知，目前通過壓力表測量瓶內(nèi)壓力，估算SF6氣體剩余量存在不準(zhǔn)確的問題，本項(xiàng)目提出利用測量氣瓶總質(zhì)量，并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，可以準(zhǔn)確的判斷鋼瓶內(nèi)SF6剩余量。

目前，重量測量愈來愈多的參與到數(shù)據(jù)處理和過程控制中，現(xiàn)代稱重技術(shù)和數(shù)據(jù)系統(tǒng)已經(jīng)成為工藝制造、儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)、預(yù)包裝技術(shù)、收貨業(yè)務(wù)以及商業(yè)銷售領(lǐng)域中不可或缺的一部分。隨著稱重傳感器各項(xiàng)性能的不斷突破，為重量測量的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。本項(xiàng)目研究氣瓶的重量智能化測量和實(shí)時(shí)顯示，用以測量SF6氣體剩余量，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

智能顯示是給操作人員提供重要的參考信息和輔助信息，使得操作者能夠清楚的認(rèn)識(shí)到氣瓶內(nèi)的情況，從而為下一步操作提供參考。同時(shí)，智能顯示是信息集成化以及自感知的基礎(chǔ)。通過智能顯示，除了顯示剩余氣體質(zhì)量外，可以通過各種計(jì)算，轉(zhuǎn)化成實(shí)際操作中需要的各類相關(guān)信息，例如，是否需要更換氣瓶，氣瓶是否需要加氣等，從而完成自動(dòng)告警等功能。

三、顯示裝置的研發(fā)的功能與方向

下面將對本項(xiàng)目需要研發(fā)的六氟化硫氣瓶智能顯示裝置的功能和研發(fā)方向進(jìn)行詳細(xì)的論述。在高可靠性完成相應(yīng)功能的同時(shí)，給出了發(fā)展方向，使得目前的研發(fā)設(shè)備留有相應(yīng)的接口，便于以后的升級。

3.1顯示裝置功能

電子顯示的稱重裝置，主要組成部分包括：重量傳感器、放大器電路、濾波器電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、中央處理器（單片機(jī)）、電源供電電路、按鍵、電源、顯示電路、輸入輸出接口、外殼等。

當(dāng)氣瓶放置于稱重臺(tái)上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生壓力，并將壓力傳遞給稱重傳感器。秤重傳感器受到壓力后發(fā)生變形，阻抗隨之發(fā)生變化，同時(shí)使得激勵(lì)電壓發(fā)生變化，從而輸出一個(gè)變化微弱的模擬信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過放大后，進(jìn)行進(jìn)一步傳輸。放大信號(hào)傳輸至A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，由處理器讀取。處理器根據(jù)鍵盤指令，將經(jīng)過計(jì)算的數(shù)值在顯示器上進(jìn)行顯示。

工業(yè)現(xiàn)場通常為稱重設(shè)備的信號(hào)傳送至處理器，由處理器進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算處理，完成集中顯示與管理。依據(jù)傳統(tǒng)的方案，稱重傳感器通過變送器，發(fā)送4—20mA信號(hào)，傳送到控制器上。控制器通過計(jì)算，向顯示器發(fā)送信號(hào)，進(jìn)行顯示。

由于本項(xiàng)目需要在稱重氣瓶旁，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，故而需要將稱重功能模塊與稱重傳感器直接相連，并將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)直接顯示在LED或數(shù)碼管顯示器上。且本項(xiàng)目為了提高工業(yè)產(chǎn)品可靠性，微處理器選用PLC進(jìn)行處理。

圖一 功能模塊圖

由于我們在現(xiàn)場使用過程中，不需要?dú)馄亢蛢?nèi)部氣體的總重量，只是需要剩余氣體的總質(zhì)量。故而，在顯示時(shí)，應(yīng)減去空氣瓶的重量，從而得到剩余氣體的重量。

通過智能計(jì)算，可以將氣體剩余量轉(zhuǎn)化為百分比顯示等多種顯示方式。

綜上所述，SF6氣瓶稱重顯示器需要能夠做到以下功能：

精確的測量氣瓶總質(zhì)量;

精確測量，并記錄空氣瓶質(zhì)量;

能夠進(jìn)行計(jì)算，得出氣瓶內(nèi)剩余SF6的總質(zhì)量，并能夠進(jìn)行換算，計(jì)算出剩余量占比等要求的形式;

根據(jù)要求或按鍵指令實(shí)時(shí)顯示，顯示計(jì)算出的各種剩余SF6量的表現(xiàn)形式。

3.2研發(fā)方向

在電子稱重總的發(fā)展動(dòng)向?yàn)椋盒⌒突⒛K化、智能化、集成化;其技術(shù)性能趨向于速率高、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性高、可靠性好;其應(yīng)用性趨向于綜合性、組合性。本項(xiàng)目對氣瓶進(jìn)行實(shí)時(shí)的重量測量和檢測以準(zhǔn)確測量SF6氣體的剩余量，同時(shí)做到測量和顯示的小型化、模塊化、智能化和集成化。

小型化：體積小、高度低、重量輕。為使電子秤的承載器達(dá)到小、薄、輕，現(xiàn)在開始采用重量輕而且剛度大的空心紋波銅板和方形閉合截面的薄壁型材料。小型化可以有效的減小氣瓶和稱重、顯示設(shè)備所占體積，便于運(yùn)輸、存儲(chǔ)和試用。

模塊化：電子稱重的承載器、顯示器采用模塊式一體組合或分體組合，產(chǎn)生新的品種和規(guī)格。這種模塊化組合不但提高了產(chǎn)品的通用性和可靠性，而且也大大提高了生產(chǎn)效率降低了成本。一旦某一模塊發(fā)生故障，可快速更換，便于維護(hù)。

智能化：與電子計(jì)算機(jī)組合或開發(fā)稱重用計(jì)算機(jī)，利用計(jì)算機(jī)的智能來增加稱重顯示控制的功能，使其在原有功能的基礎(chǔ)上增加推理、判斷、自診斷、自適應(yīng)、自組織等功能。通過稱重顯示的智能化，可以很容易的轉(zhuǎn)化各種單位，從重量到剩余氣體百分比等。

集成化：實(shí)現(xiàn)承載器與稱重傳感器一體化或者承載器、稱重傳感器與稱重顯示控制器一體化。進(jìn)一步提高使用效率，以及所見產(chǎn)品體積。

后續(xù)進(jìn)一步研發(fā)，可考慮氣瓶是否存在差異，并在每個(gè)氣瓶上添加RFID，用以識(shí)別各個(gè)氣瓶。并在氣瓶數(shù)量較多的情況下，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行管理。檢測所有氣瓶。并將該技術(shù)在大量設(shè)備上同時(shí)使用。此類問題的研究可以作為后續(xù)項(xiàng)目關(guān)注點(diǎn)。

四、顯示裝置的研發(fā)的創(chuàng)新點(diǎn)與困難

本項(xiàng)目研發(fā)的創(chuàng)新點(diǎn)和難點(diǎn)是在后續(xù)研發(fā)工作中需要予以關(guān)注和重點(diǎn)突破的關(guān)鍵點(diǎn)。

4.1顯示裝置創(chuàng)新點(diǎn)

1、高精度測量氣瓶內(nèi)剩余SF6的質(zhì)量

通常使用中，往往通過壓力表來估算SF6的剩余量，這種方法的局限性已經(jīng)進(jìn)行了闡述，本課題采用質(zhì)量計(jì)量的方法，從根本上可以解決測量剩余量不準(zhǔn)的問題。對精益生產(chǎn)和環(huán)保都有較好的效果。

2、顯示多樣化

本課題采用除通過差值顯示氣瓶內(nèi)SF6剩余質(zhì)量外，還可以轉(zhuǎn)化成多種形式，例如以使用量百分比或充氣系數(shù)等進(jìn)行剩余量的顯示，直觀明了，便于工作現(xiàn)場使用。

3、產(chǎn)品可靠性

采用PLC等工業(yè)常用設(shè)備，開發(fā)本項(xiàng)目，預(yù)期獲得高可靠性設(shè)備。

4.2 顯示裝置研發(fā)難點(diǎn)

1、稱重系統(tǒng)中，顯示裝置與其他裝置結(jié)構(gòu)緊湊問題;

如何將顯示系統(tǒng)高集成化的安裝在設(shè)備上，是本課題需要考慮的問題。工業(yè)用的4-20mA工業(yè)現(xiàn)場總線適用于長距離傳輸，而本課題需要的顯示裝置，僅進(jìn)行短距離傳輸即可。民用的傳輸裝置，在可靠性上不如工業(yè)產(chǎn)品。故而，保證高可靠性及時(shí)傳輸，是本顯示裝置的一個(gè)難點(diǎn)。

2、安裝和更換方便;

本顯示裝置安裝在氣瓶存放設(shè)備上，需要安裝和更換方便，便于現(xiàn)場應(yīng)用，一旦發(fā)生故障或定期檢修、檢定，可以很方便的取下并安裝上新的顯示裝置，這是本顯示裝置的另一個(gè)難點(diǎn)。

3、顯示準(zhǔn)確及多樣化

精確測量，并能按指定格式對氣瓶內(nèi)剩余的SF6量進(jìn)行顯示。設(shè)定參數(shù)，考慮氣瓶是否需要進(jìn)行換氣、更換以及定期檢測等相關(guān)狀況的顯示。從而完成顯示智能化。

五、結(jié)語

本項(xiàng)目以六氟化硫氣體鋼瓶容量智能顯示為研究內(nèi)容，通過重量測量的方法，顯示出六氟化硫氣瓶內(nèi)剩余氣體的真實(shí)情況，避免了以往單純使用壓力表帶來的生產(chǎn)上的弊端。本項(xiàng)目具有較好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保價(jià)值，是六氟化硫等氣體工業(yè)相關(guān)的設(shè)備智能化的初步探索，可以為后續(xù)整體智能化管理、智能生產(chǎn)提供較好的基礎(chǔ)。通過本課題的研究，為六氟化硫的使用和回收等工作，創(chuàng)造便利和智能的基礎(chǔ)條件，帶動(dòng)應(yīng)用的革新。