智能六氟化硫气瓶容量显示装置的研发与应用

何鑫涛 尹学兵 徐家梅 陈昆 胡得圣 叶方琼

前言

SF6气体已有百年历史，是一种无色、无臭、无毒、不燃的稳定气体。1947年提供商用。SF6气体的特点决定了它能够用于电力工业中。SF6具有卓越的电气绝缘性能和灭弧性能，相同条件下，是空气、氮气绝缘性能的2.5倍以上，灭弧性能是空气的100倍。SF6气体用于4种类型的电气设备作为绝缘或灭弧介质;SF6断路器及GIS设备（在这里指六氟化硫封闭式组合电器设备，国际上称为“气体绝缘开关设备”（Gas Insulated Switchgear））、SF6负荷开关设备，SF6绝缘输电管线，SF6变压器及SF6绝缘变电站。从用气量讲，80%用于高中压电力设备。

SF6本身并没有毒害，但是它是一种窒息剂，在高浓度下会呼吸困难、喘息、皮肤和黏膜变蓝、全身痉挛。吸入80%六氟化硫+20%的氧气的混合气体几分钟后，人体会出现四肢麻木，甚至窒息死亡 。

在特殊条件作用下SF6的分解产物如四氟化硫，氟化硫，二氟化硫，氟化亚硫酰，二氟化硫酰，四氟亚硫酰和氢氟酸等，它们都有强烈的腐蚀性和毒性。例如，四氟化硫：常温下为无色的气体，有刺鼻气味，在空气中能与水分生成烟雾，对肺有侵害作用，影响呼吸系统，其毒性与光气相当。氟化亚硫酰：为无色气体，有臭鸡蛋气味，化学性能稳定，为剧毒气体，可造成严重的肺水肿，使动物窒息死亡。二氟化硫酰：为无色无臭气体，化学性能极为稳定，是一种能导致痉挛的有毒气体。它的危险性在于无刺鼻性嗅味且不会对鼻粘膜造成刺激作用，故發现中毒后往往会迅速死亡。氢氟酸：是酸中腐蚀性最强的物质。对皮肤、粘膜有强烈刺激作用，并可引起肺水肿和肺炎等。

同时，六氟化硫是一种温室效应气体，其单分子的温室效应是二氧化碳的2.2万倍，是《京都议定书》中被禁止排放的6种温室气体之一。且由于六氟化硫高度的化学稳定性，其在大气中存留时间可长达3200年。且其全球变暖潜能（GWP）为迄今已知温室气体之最，100年的GWP值为24900，其对温室效应的影响是二氧化碳的23900倍。目前环境保护工作日益严峻，一直以来，绿色发展理念贯穿于我国治国理政思想之中。党的十八大以来，以习近平同志为核心的党中央把生态文明建设摆在改革发展和现代化建设全局位置，坚定贯彻新发展理念，不断深化生态文明体制改革，开创了生态文明建设和环境保护新局面，绿色中国梦，蕴含经济“转型升级”。绿色中国梦，对于经济发展来说，也是一个经济上的转型升级梦。所有的企业，都必须按照生态文明建设的要求，做好转型升级。不转型升级，势必会破坏环境，因此，这个绿色中国梦，也是一个经济转型、质量提升的倒逼机制。

作为电力龙头企业，出于长久的环保和安全考虑，如何合理、正确的回收净化六氟化硫气体，是必须解决的问题。

一、行业现状与背景

1998年，美国排放的SF6气体总量相当于1000万吨二氧化碳，其中大部分是电力公司排放SF6气体造成的。1994年全球排放六氟化硫气体65800吨，其中20%来自镁的生产过程，80%来自电力公司。故而六氟化硫的回收是一项重要的工作，世界各大电力公司都在研究如何进行六氟化硫的回收和再利用。

SF6气体绝缘电器在19世纪80年代初开始应用于我国电力系统，到现在已二十多年。通过这三十多年的运行经验，技术的积极引进和不断地研发，我国SF6气体绝缘电器和SF6气体的生产与应用都得到了极大的提高。我国对SF6气体的生产、管理及应用有着严格的规定。但泄露时有发生，除了管理不到位、人员意识淡薄等人为因素以外，操作人员对瓶内状况无法完全了解，气瓶压力没有正确显示瓶内状况的技术原因也是重要的因素。

六氟化硫通常存储于气瓶之中，而我国气瓶产业最早是1957年设计制造出了第一批40升15MPa级无缝气瓶，后续生产出相应铝合金气瓶、各种焊接气瓶等。但气瓶真正的快速发展是近二三十年，随着经济建设的快速增长，特别是气体工业的发展，带动了气瓶制造业的兴起和发展。

现阶段我国的常用的钢瓶标准如下：

1、40L容积，外径×高度=235mm×1400mm，空瓶重量是50KG，工作压力15MPa;

2、10L容积，外径×高度=165mm×800mm，空瓶重量是16KG，工作压力15MPa;

3、8L容积，外径×高度=165mm×700mm，空瓶重量是14KG，工作压力15MPa;

4、4L容积，外径×高度=140mm×500mm，空瓶重量是8KG，工作压力15MPa;

5、2L容积，外径×高度=108mm×400mm，空瓶重量是4KG，工作压力15MPa。

目前气瓶产业主要发展方向依然是针对气瓶本体，针对工艺的改进以提升产品的可靠性。由于六氟化硫在气瓶内处于液态保存，检修人员通常通过减压阀压力表来判断气瓶内六氟化硫存量，但在进行六氟化硫气体补充的过程中，液态六氟化硫气化吸热，导致瓶内剩余六氟化硫结冰变为固态，压力表所显示压力由液态蒸发压变为固态蒸发压，表现压力急剧下降，容易导致工作人员对气瓶内六氟化硫存量误判，从而造成浪费，并存在误排放的风险。

气瓶在使用过程中，除去存储气体的要求，还包含很多其他的功能需求，而目前气瓶往往在进口处设置一块压力表，显示瓶内压力。这固然重要，但在许多情况下，气瓶压力并不能完全反映气瓶内的状况。尤其在六氟化硫存储过程中，由于六氟化硫的特性，使得反应气瓶实际容量存在较大的问题。

六氟化硫充气设备故障检修时需对设备内六氟化硫气体进行回收。使用气瓶进行六氟化硫回收时需严格控制最大充装量不得超过气瓶容量的80%，否则将可能会导致气瓶爆炸。在现场实际工作中，我们只能用电子称先称出空瓶的重量，根据空瓶的极限压力换算出空瓶最大容量，在回收过程中频繁的称量气瓶的重量来计算已回收的气体量。这种方法工作繁琐所需时间较长，容错率低，且风险较高。

如何设计一款应用型产品，针对六氟化硫的特性及其存储特性，实时检测气瓶内六氟化硫的剩余量，从而经济环保的完成六氟化硫气体的回收、换装等工作是一项亟待解决的问题。

二、显示装置的研发的目的

气瓶的使用过程中会出现剩余部分气体的情况，由SF6的特性可知，目前通过压力表测量瓶内压力，估算SF6气体剩余量存在不准确的问题，本项目提出利用测量气瓶总质量，并进行实时显示，可以准确的判断钢瓶内SF6剩余量。

目前，重量测量愈来愈多的参与到数据处理和过程控制中，现代称重技术和数据系统已经成为工艺制造、储运技术、预包装技术、收货业务以及商业销售领域中不可或缺的一部分。随着称重传感器各项性能的不断突破，为重量测量的发展奠定了基础。本项目研究气瓶的重量智能化测量和实时显示，用以测量SF6气体剩余量，具有较好的应用价值。

智能显示是给操作人员提供重要的参考信息和辅助信息，使得操作者能够清楚的认识到气瓶内的情况，从而为下一步操作提供参考。同时，智能显示是信息集成化以及自感知的基础。通过智能显示，除了显示剩余气体质量外，可以通过各种计算，转化成实际操作中需要的各类相关信息，例如，是否需要更换气瓶，气瓶是否需要加气等，从而完成自动告警等功能。

三、显示装置的研发的功能与方向

下面将对本项目需要研发的六氟化硫气瓶智能显示装置的功能和研发方向进行详细的论述。在高可靠性完成相应功能的同时，给出了发展方向，使得目前的研发设备留有相应的接口，便于以后的升级。

3.1显示装置功能

电子显示的称重装置，主要组成部分包括：重量传感器、放大器电路、滤波器电路、模拟数字转换器、中央处理器（单片机）、电源供电电路、按键、电源、显示电路、输入输出接口、外壳等。

当气瓶放置于称重台上时，会产生压力，并將压力传递给称重传感器。秤重传感器受到压力后发生变形，阻抗随之发生变化，同时使得激励电压发生变化，从而输出一个变化微弱的模拟信号。该信号经过放大后，进行进一步传输。放大信号传输至A/D转换器，转变成数字信号，由处理器读取。处理器根据键盘指令，将经过计算的数值在显示器上进行显示。

工业现场通常为称重设备的信号传送至处理器，由处理器进行相应的计算处理，完成集中显示与管理。依据传统的方案，称重传感器通过变送器，发送4—20mA信号，传送到控制器上。控制器通过计算，向显示器发送信号，进行显示。

由于本项目需要在称重气瓶旁，进行实时显示，故而需要将称重功能模块与称重传感器直接相连，并将计算得到的数据直接显示在LED或数码管显示器上。且本项目为了提高工业产品可靠性，微处理器选用PLC进行处理。

图一 功能模块图

由于我们在现场使用过程中，不需要气瓶和内部气体的总重量，只是需要剩余气体的总质量。故而，在显示时，应减去空气瓶的重量，从而得到剩余气体的重量。

通过智能计算，可以将气体剩余量转化为百分比显示等多种显示方式。

综上所述，SF6气瓶称重显示器需要能够做到以下功能：

精确的测量气瓶总质量;

精确测量，并记录空气瓶质量;

能够进行计算，得出气瓶内剩余SF6的总质量，并能够进行换算，计算出剩余量占比等要求的形式;

根据要求或按键指令实时显示，显示计算出的各种剩余SF6量的表现形式。

3.2研发方向

在电子称重总的发展动向为：小型化、模块化、智能化、集成化;其技术性能趋向于速率高、准确度高、稳定性高、可靠性好;其应用性趋向于综合性、组合性。本项目对气瓶进行实时的重量测量和检测以准确测量SF6气体的剩余量，同时做到测量和显示的小型化、模块化、智能化和集成化。

小型化：体积小、高度低、重量轻。为使电子秤的承载器达到小、薄、轻，现在开始采用重量轻而且刚度大的空心纹波铜板和方形闭合截面的薄壁型材料。小型化可以有效的减小气瓶和称重、显示设备所占体积，便于运输、存储和试用。

模块化：电子称重的承载器、显示器采用模块式一体组合或分体组合，产生新的品种和规格。这种模块化组合不但提高了产品的通用性和可靠性，而且也大大提高了生产效率降低了成本。一旦某一模块发生故障，可快速更换，便于维护。

智能化：与电子计算机组合或开发称重用计算机，利用计算机的智能来增加称重显示控制的功能，使其在原有功能的基础上增加推理、判断、自诊断、自适应、自组织等功能。通过称重显示的智能化，可以很容易的转化各种单位，从重量到剩余气体百分比等。

集成化：实现承载器与称重传感器一体化或者承载器、称重传感器与称重显示控制器一体化。进一步提高使用效率，以及所见产品体积。

后续进一步研发，可考虑气瓶是否存在差异，并在每个气瓶上添加RFID，用以识别各个气瓶。并在气瓶数量较多的情况下，利用计算机系统进行管理。检测所有气瓶。并将该技术在大量设备上同时使用。此类问题的研究可以作为后续项目关注点。

四、显示装置的研发的创新点与困难

本项目研发的创新点和难点是在后续研发工作中需要予以关注和重点突破的关键点。

4.1显示装置创新点

1、高精度测量气瓶内剩余SF6的质量

通常使用中，往往通过压力表来估算SF6的剩余量，这种方法的局限性已经进行了阐述，本课题采用质量计量的方法，从根本上可以解决测量剩余量不准的问题。对精益生产和环保都有较好的效果。

2、显示多样化

本课题采用除通过差值显示气瓶内SF6剩余质量外，还可以转化成多种形式，例如以使用量百分比或充气系数等进行剩余量的显示，直观明了，便于工作现场使用。

3、产品可靠性

采用PLC等工业常用设备，开发本项目，预期获得高可靠性设备。

4.2 显示装置研发难点

1、称重系统中，显示装置与其他装置结构紧凑问题;

如何将显示系统高集成化的安装在设备上，是本课题需要考虑的问题。工业用的4-20mA工业现场总线适用于长距离传输，而本课题需要的显示装置，仅进行短距离传输即可。民用的传输装置，在可靠性上不如工业产品。故而，保证高可靠性及时传输，是本显示装置的一个难点。

2、安装和更换方便;

本显示装置安装在气瓶存放设备上，需要安装和更换方便，便于现场应用，一旦发生故障或定期检修、检定，可以很方便的取下并安装上新的显示装置，这是本显示装置的另一个难点。

3、显示准确及多样化

精确测量，并能按指定格式对气瓶内剩余的SF6量进行显示。设定参数，考虑气瓶是否需要进行换气、更换以及定期检测等相关状况的显示。从而完成显示智能化。

五、结语

本项目以六氟化硫气体钢瓶容量智能显示为研究内容，通过重量测量的方法，显示出六氟化硫气瓶内剩余气体的真实情况，避免了以往单纯使用压力表带来的生产上的弊端。本项目具有较好的经济和环保价值，是六氟化硫等气体工业相关的设备智能化的初步探索，可以为后续整体智能化管理、智能生产提供较好的基础。通过本课题的研究，为六氟化硫的使用和回收等工作，创造便利和智能的基础条件，带动应用的革新。