智能六氟化硫氣瓶容量顯示裝置的研發與應用

何鑫濤 尹學兵 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、不燃的穩定氣體。1947年提供商用。SF6氣體的特點決定了它能夠用于電力工業中。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、氮氣絕緣性能的2.5倍以上，滅弧性能是空氣的100倍。SF6氣體用于4種類型的電氣設備作為絕緣或滅弧介質;SF6斷路器及GIS設備（在這里指六氟化硫封閉式組合電器設備，國際上稱為“氣體絕緣開關設備”（Gas Insulated Switchgear））、SF6負荷開關設備，SF6絕緣輸電管線，SF6變壓器及SF6絕緣變電站。從用氣量講，80%用于高中壓電力設備。

SF6本身并沒有毒害，但是它是一種窒息劑，在高濃度下會呼吸困難、喘息、皮膚和黏膜變藍、全身痙攣。吸入80%六氟化硫+20%的氧氣的混合氣體幾分鐘后，人體會出現四肢麻木，甚至窒息死亡 。

在特殊條件作用下SF6的分解產物如四氟化硫，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，其毒性與光氣相當。氟化亞硫酰：為無色氣體，有臭雞蛋氣味，化學性能穩定，為劇毒氣體，可造成嚴重的肺水腫，使動物窒息死亡。二氟化硫酰：為無色無臭氣體，化學性能極為穩定，是一種能導致痙攣的有毒氣體。它的危險性在于無刺鼻性嗅味且不會對鼻粘膜造成刺激作用，故發現中毒后往往會迅速死亡。氫氟酸：是酸中腐蝕性最強的物質。對皮膚、粘膜有強烈刺激作用，并可引起肺水腫和肺炎等。

同時，六氟化硫是一種溫室效應氣體，其單分子的溫室效應是二氧化碳的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穩定性，其在大氣中存留時間可長達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，其對溫室效應的影響是二氧化碳的23900倍。目前環境保護工作日益嚴峻，一直以來，綠色發展理念貫穿于我國治國理政思想之中。黨的十八大以來，以習近平同志為核心的黨中央把生態文明建設擺在改革發展和現代化建設全局位置，堅定貫徹新發展理念，不斷深化生態文明體制改革，開創了生態文明建設和環境保護新局面，綠色中國夢，蘊含經濟“轉型升級”。綠色中國夢，對于經濟發展來說，也是一個經濟上的轉型升級夢。所有的企業，都必須按照生態文明建設的要求，做好轉型升級。不轉型升級，勢必會破壞環境，因此，這個綠色中國夢，也是一個經濟轉型、質量提升的倒逼機制。

作為電力龍頭企業，出于長久的環保和安全考慮，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、行業現狀與背景

1998年，美國排放的SF6氣體總量相當于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%來自鎂的生產過程，80%來自電力公司。故而六氟化硫的回收是一項重要的工作，世界各大電力公司都在研究如何進行六氟化硫的回收和再利用。

SF6氣體絕緣電器在19世紀80年代初開始應用于我國電力系統，到現在已二十多年。通過這三十多年的運行經驗，技術的積極引進和不斷地研發，我國SF6氣體絕緣電器和SF6氣體的生產與應用都得到了極大的提高。我國對SF6氣體的生產、管理及應用有著嚴格的規定。但泄露時有發生，除了管理不到位、人員意識淡薄等人為因素以外，操作人員對瓶內狀況無法完全了解，氣瓶壓力沒有正確顯示瓶內狀況的技術原因也是重要的因素。

六氟化硫通常存儲于氣瓶之中，而我國氣瓶產業最早是1957年設計制造出了第一批40升15MPa級無縫氣瓶，后續生產出相應鋁合金氣瓶、各種焊接氣瓶等。但氣瓶真正的快速發展是近二三十年，隨著經濟建設的快速增長，特別是氣體工業的發展，帶動了氣瓶制造業的興起和發展。

現階段我國的常用的鋼瓶標準如下：

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。

目前氣瓶產業主要發展方向依然是針對氣瓶本體，針對工藝的改進以提升產品的可靠性。由于六氟化硫在氣瓶內處于液態保存，檢修人員通常通過減壓閥壓力表來判斷氣瓶內六氟化硫存量，但在進行六氟化硫氣體補充的過程中，液態六氟化硫氣化吸熱，導致瓶內剩余六氟化硫結冰變為固態，壓力表所顯示壓力由液態蒸發壓變為固態蒸發壓，表現壓力急劇下降，容易導致工作人員對氣瓶內六氟化硫存量誤判，從而造成浪費，并存在誤排放的風險。

氣瓶在使用過程中，除去存儲氣體的要求，還包含很多其他的功能需求，而目前氣瓶往往在進口處設置一塊壓力表，顯示瓶內壓力。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的狀況。尤其在六氟化硫存儲過程中，由于六氟化硫的特性，使得反應氣瓶實際容量存在較大的問題。

六氟化硫充氣設備故障檢修時需對設備內六氟化硫氣體進行回收。使用氣瓶進行六氟化硫回收時需嚴格控制最大充裝量不得超過氣瓶容量的80%，否則將可能會導致氣瓶爆炸。在現場實際工作中，我們只能用電子稱先稱出空瓶的重量，根據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算已回收的氣體量。這種方法工作繁瑣所需時間較長，容錯率低，且風險較高。

如何設計一款應用型產品，針對六氟化硫的特性及其存儲特性，實時檢測氣瓶內六氟化硫的剩余量，從而經濟環保的完成六氟化硫氣體的回收、換裝等工作是一項亟待解決的問題。

二、顯示裝置的研發的目的

氣瓶的使用過程中會出現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壓力，估算SF6氣體剩余量存在不準確的問題，本項目提出利用測量氣瓶總質量，并進行實時顯示，可以準確的判斷鋼瓶內SF6剩余量。

目前，重量測量愈來愈多的參與到數據處理和過程控制中，現代稱重技術和數據系統已經成為工藝制造、儲運技術、預包裝技術、收貨業務以及商業銷售領域中不可或缺的一部分。隨著稱重傳感器各項性能的不斷突破，為重量測量的發展奠定了基礎。本項目研究氣瓶的重量智能化測量和實時顯示，用以測量SF6氣體剩余量，具有較好的應用價值。

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識到氣瓶內的情況，從而為下一步操作提供參考。同時，智能顯示是信息集成化以及自感知的基礎。通過智能顯示，除了顯示剩余氣體質量外，可以通過各種計算，轉化成實際操作中需要的各類相關信息，例如，是否需要更換氣瓶，氣瓶是否需要加氣等，從而完成自動告警等功能。

三、顯示裝置的研發的功能與方向

下面將對本項目需要研發的六氟化硫氣瓶智能顯示裝置的功能和研發方向進行詳細的論述。在高可靠性完成相應功能的同時，給出了發展方向，使得目前的研發設備留有相應的接口，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、模擬數字轉換器、中央處理器（單片機）、電源供電電路、按鍵、電源、顯示電路、輸入輸出接口、外殼等。

當氣瓶放置于稱重臺上時，會產生壓力，并將壓力傳遞給稱重傳感器。秤重傳感器受到壓力后發生變形，阻抗隨之發生變化，同時使得激勵電壓發生變化，從而輸出一個變化微弱的模擬信號。該信號經過放大后，進行進一步傳輸。放大信號傳輸至A/D轉換器，轉變成數字信號，由處理器讀取。處理器根據鍵盤指令，將經過計算的數值在顯示器上進行顯示。

工業現場通常為稱重設備的信號傳送至處理器，由處理器進行相應的計算處理，完成集中顯示與管理。依據傳統的方案，稱重傳感器通過變送器，發送4—20mA信號，傳送到控制器上。控制器通過計算，向顯示器發送信號，進行顯示。

由于本項目需要在稱重氣瓶旁，進行實時顯示，故而需要將稱重功能模塊與稱重傳感器直接相連，并將計算得到的數據直接顯示在LED或數碼管顯示器上。且本項目為了提高工業產品可靠性，微處理器選用PLC進行處理。

圖一 功能模塊圖

由于我們在現場使用過程中，不需要氣瓶和內部氣體的總重量，只是需要剩余氣體的總質量。故而，在顯示時，應減去空氣瓶的重量，從而得到剩余氣體的重量。

通過智能計算，可以將氣體剩余量轉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量;

精確測量，并記錄空氣瓶質量;

能夠進行計算，得出氣瓶內剩余SF6的總質量，并能夠進行換算，計算出剩余量占比等要求的形式;

根據要求或按鍵指令實時顯示，顯示計算出的各種剩余SF6量的表現形式。

3.2研發方向

在電子稱重總的發展動向為：小型化、模塊化、智能化、集成化;其技術性能趨向于速率高、準確度高、穩定性高、可靠性好;其應用性趨向于綜合性、組合性。本項目對氣瓶進行實時的重量測量和檢測以準確測量SF6氣體的剩余量，同時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到小、薄、輕，現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、顯示設備所占體積，便于運輸、存儲和試用。

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，產生新的品種和規格。這種模塊化組合不但提高了產品的通用性和可靠性，而且也大大提高了生產效率降低了成本。一旦某一模塊發生故障，可快速更換，便于維護。

智能化：與電子計算機組合或開發稱重用計算機，利用計算機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上增加推理、判斷、自診斷、自適應、自組織等功能。通過稱重顯示的智能化，可以很容易的轉化各種單位，從重量到剩余氣體百分比等。

集成化：實現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。進一步提高使用效率，以及所見產品體積。

后續進一步研發，可考慮氣瓶是否存在差異，并在每個氣瓶上添加RFID，用以識別各個氣瓶。并在氣瓶數量較多的情況下，利用計算機系統進行管理。檢測所有氣瓶。并將該技術在大量設備上同時使用。此類問題的研究可以作為后續項目關注點。

四、顯示裝置的研發的創新點與困難

本項目研發的創新點和難點是在后續研發工作中需要予以關注和重點突破的關鍵點。

4.1顯示裝置創新點

1、高精度測量氣瓶內剩余SF6的質量

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進行了闡述，本課題采用質量計量的方法，從根本上可以解決測量剩余量不準的問題。對精益生產和環保都有較好的效果。

2、顯示多樣化

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

3、產品可靠性

采用PLC等工業常用設備，開發本項目，預期獲得高可靠性設備。

4.2 顯示裝置研發難點

1、稱重系統中，顯示裝置與其他裝置結構緊湊問題;

如何將顯示系統高集成化的安裝在設備上，是本課題需要考慮的問題。工業用的4-20mA工業現場總線適用于長距離傳輸，而本課題需要的顯示裝置，僅進行短距離傳輸即可。民用的傳輸裝置，在可靠性上不如工業產品。故而，保證高可靠性及時傳輸，是本顯示裝置的一個難點。

2、安裝和更換方便;

本顯示裝置安裝在氣瓶存放設備上，需要安裝和更換方便，便于現場應用，一旦發生故障或定期檢修、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難點。

3、顯示準確及多樣化

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

五、結語

本項目以六氟化硫氣體鋼瓶容量智能顯示為研究內容，通過重量測量的方法，顯示出六氟化硫氣瓶內剩余氣體的真實情況，避免了以往單純使用壓力表帶來的生產上的弊端。本項目具有較好的經濟和環保價值，是六氟化硫等氣體工業相關的設備智能化的初步探索，可以為后續整體智能化管理、智能生產提供較好的基礎。通過本課題的研究，為六氟化硫的使用和回收等工作，創造便利和智能的基礎條件，帶動應用的革新。