基于全生命周期管理的六氟化硫物料核算技術(shù)研究

李志剛, 秦逸帆, 徐黨國(guó), 寧琳如

(國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院,北京 100045)

0 引 言

六氟化硫作為常見的氣體絕緣體,被廣泛地利用于電氣設(shè)備的氣體絕緣。六氟化硫還可做滅弧介質(zhì),在斷路器中既充當(dāng)內(nèi)絕緣,又起到滅弧的作用。隨著六氟化硫電氣裝置的發(fā)展,六氟化硫氣體的使用量逐年增加,有關(guān)六氟化硫氣體的管控需求受到了不同行業(yè)的廣泛關(guān)注。

文獻(xiàn)[1]研發(fā)了氣體質(zhì)量感知裝置,可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備內(nèi)氣體全過(guò)程測(cè)量。但該文獻(xiàn)未能核算六氟化硫在工廠生產(chǎn)階段和運(yùn)輸階段的物料消耗,無(wú)法獲取精準(zhǔn)的氣體用量信息。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了六氟化硫全生命周期管理集成系統(tǒng),通過(guò)硬件部分實(shí)現(xiàn)氣體精準(zhǔn)計(jì)量,軟件部分實(shí)現(xiàn)全生命周期管理,可直觀地掌握六氟化硫氣體的使用。但該文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的硬件部分過(guò)于繁瑣,在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中過(guò)于復(fù)雜,不利于該系統(tǒng)的推廣。文獻(xiàn)[3]采用稱量法制備六氟化硫,又采用氣象色譜與質(zhì)譜聯(lián)用儀跟蹤六氟化硫氣體含量,可精準(zhǔn)地測(cè)量六氟化硫的含量。但該文獻(xiàn)未能成體系地管控六氟化硫氣體,未能集合不同維度的氣體信息[4］,缺乏一體化的管控平臺(tái)。

1 六氟化硫全生命周期流轉(zhuǎn)過(guò)程

本文設(shè)計(jì)的六氟化硫全生命周期流轉(zhuǎn)過(guò)程主要分為三個(gè)階段,即氣體生成階段、氣體運(yùn)輸階段和氣體使用階段。六氟化硫在不同的階段的物料核算方式均有不同,在氣體生產(chǎn)階段主要采用公式法進(jìn)行計(jì)算,以滿足國(guó)家六氟化硫濃度標(biāo)準(zhǔn);在氣體運(yùn)輸和使用階段主要采用RFID射頻識(shí)別技術(shù),采用改進(jìn)后的RFID電子標(biāo)簽和RFID讀寫器完成對(duì)六氟化硫氣體的物料核算,六氟化硫氣體全生命周期流轉(zhuǎn)的過(guò)程如圖1所示。

圖1 六氟化硫全生命周期流轉(zhuǎn)過(guò)程

2 六氟化硫生產(chǎn)階段物料核算

2.1 六氟化硫的制備

在工廠生產(chǎn)中,按照GB/T 12022—2014《工業(yè)六氟化硫》,制取符合標(biāo)準(zhǔn)的六氟化硫氣體[5］。六氟化硫氣體的制備與純化均有多種方式,本文采用高電壓電解氟化氫與四氟化硫的方式制備六氟化硫[6］。具體六氟化硫制備與純化裝置圖如圖2所示。

圖2 六氟化硫制備 與純化裝置圖

如圖2所示,本文采用中溫電解法制取氟,在電解槽a下半部分加入氟化氫,熔化的二氟氫化鉀,電壓控制在8.5～9.5 V左右,電解溫度控制在80～110 ℃,最終制得純凈的氟氣。接著將氟氣通向電解槽a的上半部分,通入液化四氟化硫,將氟氣與四氟化硫的比例控制在5∶1,使其電解產(chǎn)生粗制的六氟化硫氣體,具體反應(yīng)如式(1)所示。

SF4+F2=SF6

(1)

如式(1)所示,在電解槽a中得到粗制的六氟化硫氣體后,在裝置中通入氮?dú)?以便收集六氟化硫氣體。六氟化硫氣體首次通過(guò)冷卻槽b,再通過(guò)用干冰冷卻的冷阱c,最終暫時(shí)存儲(chǔ)于薄壁容器d。此時(shí)六氟化硫氣體含有四氟化硫、二氧化碳、空氣、四氟化碳、水、六氟乙烷和八氟丙烷等雜質(zhì)[7］,本文研究繼續(xù)對(duì)其進(jìn)行純化處理,以便其適用電力裝置的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 六氟化硫的純化

首先將粗制六氟化硫氣體經(jīng)過(guò)加壓輸送進(jìn)預(yù)冷器x當(dāng)中,六氟化硫氣體在高壓冷溫狀態(tài)下液化[8］。接著將液化的六氟化硫輸入第一精餾塔y中,并對(duì)第一精餾塔進(jìn)行加熱,將部分六氟化硫和沸點(diǎn)比六氟化硫高的雜質(zhì)氣化,通至第一冷凝器z中。在冷凝器z中,此時(shí)全部氣體冷凝為液態(tài),并重新回流至第一精餾塔y中。

在第一精餾塔y中,部分液態(tài)回流的六氟化硫和高沸雜質(zhì)與其余氣體和進(jìn)行熱交換,導(dǎo)致高沸雜質(zhì)在第一精餾塔y中冷凝成液態(tài),而大部分六氟化硫仍為氣體狀態(tài)。此時(shí)通過(guò)控制回流比,將大部分六氟化硫氣體上升至第一冷凝器z中,并冷凝為液體進(jìn)入第二精餾塔n當(dāng)中。

在第二精餾塔n與第二冷凝器m中,重復(fù)上述操作,進(jìn)而去除粗制六氟化硫氣體當(dāng)中的低沸雜質(zhì),最終將冷凝成液態(tài)的精制六氟化硫存貯在第二精餾塔中。

2.3 生產(chǎn)階段的物料核算

為了核算六氟化硫物料以及滿足有關(guān)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)對(duì)六氟化硫生產(chǎn)結(jié)果進(jìn)行建模,第二冷凝器當(dāng)中液態(tài)六氟化硫氣體的純度w計(jì)算式如式(2)所示。

w=100-(w1+w2+w3+w4+w5+w6)×10-4

(2)

式中:w為六氟化硫純度;w1為空氣含量;w2為四氟化碳含量;w3為六氟乙烷含量;w4為八氟丙烷含量;w5為水含量;w6為其余雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。通過(guò)試驗(yàn)兩次測(cè)量結(jié)果之差不超過(guò)平均值的20%,可得精制六氟化硫的色譜圖,具體如圖3所示。

圖3 精制六氟化硫色譜圖

如圖3可知,由氣象色譜儀可得出精準(zhǔn)的雜質(zhì)含量,根據(jù)GB/T 12022—2014,最終制得的六氟化硫應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 六氟化硫含量標(biāo)準(zhǔn)

如表1所示,當(dāng)氣相色譜儀測(cè)得精制六氟化硫符合上述含量標(biāo)準(zhǔn),可將該液狀六氟化硫出廠使用[9］。此時(shí)采用流量計(jì)分別測(cè)得初始物料體積V1和最終輸出精制六氟化硫體積V2,即可得出六氟化硫生成階段的具體物料消耗,結(jié)果如式(3)所示。

(3)

式中:p1、p2為流量計(jì)測(cè)得初始輸入與最終輸出的大氣壓;t1、t2為流量計(jì)測(cè)得初始輸入和最終輸出的攝氏度;V2×w為精制六氟化硫當(dāng)中六氟化硫的含量,最終可求得標(biāo)準(zhǔn)20 ℃、101.3 kPa條件下的生產(chǎn)階段六氟化硫物料消耗[10］。

3 多維數(shù)據(jù)挖掘的全生命周期管控平臺(tái)

3.1 六氟化硫物料RFID電子標(biāo)簽

為了實(shí)現(xiàn)六氟化硫物料核算,本文在六氟化硫物料上均采用RFID電子標(biāo)簽,通過(guò)在電子標(biāo)簽上增加微型傳感器,使得電子標(biāo)簽可以獲得更多類型六氟化硫數(shù)據(jù),具體RFID電子標(biāo)簽結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 RFID電子標(biāo)簽結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)的RFID電子標(biāo)簽只做標(biāo)識(shí)使用,只能識(shí)別出其的生產(chǎn)日期、出廠編號(hào)和運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)等基礎(chǔ)工廠信息,缺少感知及多維數(shù)據(jù)交互能力,對(duì)六氟化硫物料核算的計(jì)量工作幫助不大。面對(duì)這一問(wèn)題,本文對(duì)原本RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行改進(jìn),在電子標(biāo)簽當(dāng)中增加了微型傳感器,在將生成接的得到的符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的六氟化硫氣體,按照出廠參數(shù)依次裝入專用的運(yùn)輸氣瓶當(dāng)中,并通過(guò)改進(jìn)型的RFID電子標(biāo)簽記錄當(dāng)前氣瓶的溫度、氣壓和氣體體積等參數(shù),為后續(xù)的RFID讀寫器讀取上述參數(shù),并用于六氟化硫物料核算做準(zhǔn)備。

3.2 具有濃度實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)的RFID讀寫器

為了實(shí)現(xiàn)六氟化硫物料核算,本文改進(jìn)RFID讀寫器,在其上加裝具有濃度實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)的氣體濃度檢測(cè)器,以便在讀取六氟化硫電子標(biāo)簽時(shí),同時(shí)獲得該容器當(dāng)中六氟化硫氣體的濃度,從而實(shí)現(xiàn)六氟化硫物料的核算,具體改進(jìn)后的RFID讀寫器如圖5所示。

圖5 改進(jìn)型RFID讀寫器

在六氟化硫氣體運(yùn)輸完成后,采用改進(jìn)型RFID讀寫器讀取當(dāng)前六氟化硫氣體的濃度,并與運(yùn)輸前的濃度進(jìn)行對(duì)比,從而完成運(yùn)輸階段的六氟化硫物料核算任務(wù)。

首先通過(guò)采樣倉(cāng)輪式多次采樣氣體,在檢測(cè)得到了氣瓶?jī)?nèi)部的六氟化硫濃度c后,即可完成運(yùn)輸階段的六氟化硫物料核算任務(wù),計(jì)算公式如式(4)所示。

(4)

式中:c為濃度檢測(cè)器所測(cè)的六氟化硫濃度;Veg為采樣的總氣體體積;v為樣本中的六氟化硫體積分?jǐn)?shù)。最終可得到入庫(kù)的六氟化硫體積,完成運(yùn)輸階段的六氟化硫物料核算。

3.3 數(shù)據(jù)采集與處理平臺(tái)

除此之外,本文還可將RFID電子標(biāo)簽和RFID讀寫器所讀寫數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一上傳,并與工廠生產(chǎn)環(huán)節(jié)相結(jié)合,建立響應(yīng)的數(shù)據(jù)處理平臺(tái),通過(guò)該平臺(tái)收集不同維度的六氟化硫物料數(shù)據(jù),完成對(duì)六氟化硫物料的全生命周期核算,具體數(shù)據(jù)采集與處理平臺(tái)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集與處理平臺(tái)

該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)全生命周期的六氟化硫物料核算。六氟化硫斷路器和六氟化硫全封閉組合電器(gas insulated switchgear,GIS)當(dāng)中,而兩者的六氟化硫消耗和二氧化碳排放計(jì)量計(jì)算式如式(5)和式(6)所示。

E1=ESF6+E網(wǎng)損

(5)

(6)

式中:ESF6為裝置使用階段排放的二氧化碳;E網(wǎng)損為輸配電損失引起的二氧化碳排放;E1為二氧化碳總排放量;REC容量,i、REP容量,j為設(shè)備維修和凈化時(shí)的六氟化硫回收容量,一般以銘牌數(shù)據(jù)為準(zhǔn);REC回收,i、REP回收,j為實(shí)際回收容量;GSF6為六氟化硫的氣體潛能;E2為設(shè)備維修和凈化時(shí)六氟化硫消耗的容量。有了六氟化硫使用階段的消耗,即可核算使用階段的六氟化硫物料消耗,具體公式如式(7)所示。

V使用=V入庫(kù)-V凈化-V檢修剩余量+V充氣-E1-E2

(7)

如式(7)所示,可求出六氟化硫使用階段的物料消耗,進(jìn)而在數(shù)據(jù)采集處理平臺(tái)完成了六氟化硫整體的全生命周期物料核算。

4 試驗(yàn)結(jié)果和分析

試驗(yàn)平臺(tái)采用16 GB的內(nèi)存,操作系統(tǒng)選擇Windows 10,采用i7 10700F的8核心CPU,最大睿頻可達(dá)4.8 GHz。在MATLAB仿真環(huán)境當(dāng)中模擬本文設(shè)計(jì)的核算模型,即六氟化硫斷路器和GIS,根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)可得到兩種裝置的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù),如表2所示。

表2 兩種六氟化硫電氣裝置參數(shù)

如表2所示,與兩種電力裝置的額定參數(shù)進(jìn)行比較。采用式(6)分別計(jì)算兩種裝置的六氟化硫消耗參數(shù),可得出具體誤差如圖7所示。

圖7 計(jì)算誤差圖

如圖7所示,采用某電力企業(yè)的六氟化硫氣體采購(gòu)量、回收量的和,與使用量、庫(kù)存量和損耗量的和進(jìn)行比較,結(jié)合判斷矩陣一致性檢驗(yàn),可綜合得出損耗量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度,該判斷矩陣和一致性檢驗(yàn)如式(8)和式(9)所示。

(8)

(9)

式中:A(aij)為判斷矩陣;CI為一致性指標(biāo);RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo);λmax為判斷矩陣的最大特征值;n為矩陣的秩,最終可求出矩陣的不一致程度CR。構(gòu)建判斷矩陣,最終對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖8 判斷矩陣不一致程度對(duì)比圖

如圖8所示,本文設(shè)計(jì)的六氟化硫物料核算模型與實(shí)際消耗量相差較小,且不一致程度CR均小于0.1,滿足核算模型一致性要求。根據(jù)上述試驗(yàn)可得,本文設(shè)計(jì)的全生命周期六氟化硫物料核算模型精準(zhǔn)度高,且可適用于不同六氟化硫裝置以及不同六氟化硫使用階段。

5 結(jié)束語(yǔ)

在六氟化硫氣體的運(yùn)輸環(huán)節(jié)和使用環(huán)節(jié),本文設(shè)計(jì)了改進(jìn)型RFID電子標(biāo)簽和RFID讀寫器,在前者安裝了微傳感器以檢測(cè)氣體的溫度、氣壓和體積等參數(shù),在后者上安裝了便攜式濃度檢測(cè)器,配合前者的氣體各項(xiàng)參數(shù),可準(zhǔn)確地得出在不同階段的六氟化硫物料消耗。最后通過(guò)連接工廠與氣體階段的RFID讀寫器,可實(shí)現(xiàn)六氟化硫氣體數(shù)據(jù)的上傳,實(shí)現(xiàn)全生命周期管理。然而,本文設(shè)計(jì)也有不足之處,在六氟化硫氣體的工廠數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié),未能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集與上傳的全自動(dòng)化設(shè)計(jì),這在以后的研究應(yīng)予以實(shí)現(xiàn)。