„Cykl życia” gazu SF6. Kompleksowa obsługa aplikacji wykorzystujących heksafluorek siarki
WIKA od ponad 40 lat rozwija ofertę produktów do monitoringu, analizy oraz obsługi gazu SF6. Obecnie ponad 1,5 mln produktów zapewnia bezpieczeństwo urządzeń przesyłowych i dystrybuujących energię elektryczną na całym świecie. W artykule przedstawiono portfolio produktowe WIKA i omówiono podstawowe zasady dokonywania pomiaru. Prezentowane urządzenia wpisują się w przyjętą przez firmę koncepcję „cyklu życia” gazu SF6. Koncepcja zakłada, że na każdym etapie – uruchomienia, pracy, konserwacji oraz serwisu maszyny – musi być możliwy dokładny pomiar ilości i jakości gazu SF6 wypełniającego maszynę. Zgodnie z takim założeniem w artykule opisano przykładowe urządzenia do napełniania i ewakuacji gazu, monitoringu gęstości, analizy chemicznej czy wykrywające wyciek gazu z maszyny.
WIKA rozpoczęła działalność od produkcji ciśnieniomierzy oraz termometrów. W 1976 r., wykorzystując swoje kilkudziesięcioletnie doświadczenie w produkcji tych urządzeń, zaprezentowała pierwszy przyrząd do pomiaru gęstości gazu SF6 z kompensacją bimetaliczną, będący połączeniem obu technologii – pomiaru ciśnienia i temperatury. Od tego momentu, przez rozwój urządzeń oraz pozyskiwanie partnerów strategicznych, rozpoczął się wieloletni proces uzupełniania portfolio produktowego, którego celem stała się kompleksowa obsługa klienta pracującego z gazem SF6, zgodnie z przyjętą przez WIKA koncepcją „cyklu życia” gazu SF6 (fot. 1). Ze względów bezpieczeństwa oraz z powodu negatywnego wpływu gazu na środowisko naturalne umiejętna obsługa gazu SF6 jest równie istotna na każdym etapie i w świetle przepisów prawa powinna dokonywać jej tylko przeszkolona kadra. Urządzenia WIKA pozwalają na dokładny jakościowy i ilościowy pomiar oraz pewną (szczelną) obsługę urządzeń izolowanych heksafluorkiem siarki na każdym etapie koncepcji wspomnianego cyklu.
Fot. 2. Wskaźnik gęstości gazu SF6 – model GDI63
Do kontroli gęstości gazu SF6 (np. w komorze rozdzielnicy izolowanej gazem) stosuje się wskaźniki gęstości gazu. Przykładowy wskaźnik przedstawiono na fot. 2. Urządzenie mierzy ciśnienie gazu SF6, adaptując się do faktycznego „zachowania się” gazu przez uwzględnienie wpływu temperatury na jego ciśnienie. W tym celu we wskaźnikach montuje się elementy kompensujące wpływ temperatury. Zasada pomiaru takiego wskaźnika gęstości gazu przedstawiona została na fot. 3*.
Fot. 4. Monitor gęstości gazu ze stykami przełączającymi – model GDM-100
W celu monitorowania pracy komory wypełnionej gazem i uzyskania zdalnej informacji zwrotnej (w postaci sygnału alarmowego) podczas spadku gęstości gazu SF6 poniżej określonej wartości można zastosować monitory gęstości gazu, czyli wskaźniki gęstości gazu z elektrycznymi stykami przełączającymi (fot. 4) lub przełączniki gęstości gazu bez wskazania bieżącej wartości (fot. 5). W przypadku przełączników gęstości gazu, aby zapewnić dokładność punktu przełączania stosuje się zabudowaną w przełączniku, referencyjną komorę wypełnioną gazem SF6. Możliwy jest także ciągły pomiar parametrów gazu przy pomocy monitorów gęstości gazów z elektrycznym sygnałem wyjściowym lub przetworników gęstości gazu. W przypadku tych drugich za pomocą jednego przyrządu możliwy jest pomiar od jednego do czterech parametrów gazu znajdującego się w komorze. Urządzenie GDHT-20 przedstawione na fot. 6 umożliwia jednoczesny pomiar gęstości, temperatury, wilgotności oraz ciśnienia, a dane przesyłane są za pomocą protokołu Modbus.
Fot. 5. Przełącznik gęstości gazu – model GDS-MV
Wszystkie modele wykonane są z bardzo odpornych na produkty dekompozycji gazu SF6 materiałów, a ich obudowy są hermetyczne. W hermetycznie zabudowanym układzie pomiarowym brak negatywnego wpływu ciśnienia atmosferycznego na pomiar i nie występuje kondensacja wilgoci.
W celu określenia kondycji urządzenia wypełnionego heksafluorkiem siarki wykonuje się również analizę chemiczną gazu oraz szczelności urządzenia. Przyrządy do jakościowej analizy gazu SF6 oraz detektory wycieku WIKA rozwijała, wykorzystując doświadczenie dortmundzkiej firmy G.A.S, której dział urządzeń analizy gazu SF6 został włączony w struktury WIKA w 2009 r.
Fot. 6. Przetwornik gęstości, temperatury, ciśnienia oraz wilgotności gazu – model GDHT-20
Bardzo popularnym urządzeniem do pomiaru wycieku gazu SF6 jest ręczny detektor gazu GIR-10 wykorzystujący niedyspersyjną absorbcję w podczerwieni – NDIR (fot. 7). Pomiar oparty jest na prawie Lamberta-Beera, zgodnie z którym absorpcja promieniowania jest wprost proporcjonalna do stężenia i grubości warstwy gazu, przez który przechodzi promieniowanie. Zasada pomiaru została przedstawiona na fot. 8.
Fot. 7. Detektor gazu oparty na technologii podczerwieni – model GIR-10
Łatwość obsługi i poręczność to bardzo ważne cechy urządzenia GIR-10. Operator może przenosić urządzenie na pasie zawieszonym na ramieniu, a pomiar dokonywany jest za pomocą tzw. pistoletu, co umożliwia łatwy dostęp do komory wypełnionej SF6. Zarówno urządzenie na ramię, jak i pistolet wyposażone są w czytelny wyświetlacz i diody wskazujące poziom stężenia gazu (fot. 7 i 9). W zależności od wersji GIR-10 wysyła sygnał, gdy przekroczone zostaje określone stężenie.
Fot. 8. Zasada działania detektora gazu opartego na technologii podczerwieni – model GIR-10
Do jakościowego egzaminowania heksafluorku siarki WIKA oferuje precyzyjny analizator jakości gazu SF6 model GA11 (fot. 10), który może mierzyć nawet do siedmiu parametrów testowanej mieszanki. Do cech wyróżniających urządzenie zaliczyć należy kompaktową, lekką i przenośną konstrukcję zamkniętą w przenośnej walizce, zasilanie bateryjne, dużą dokładność, wysoką rozdzielczość, możliwość wymiany sensora w technologii plug&play oraz rozbudowy urządzenia o dodatkowe sensory, a także elastyczne zarządzanie danymi (USB, LAN, pamięć wewnętrzna).
Fot. 9. Obsługa urządzenia GIR-10
W zależności od potrzeb klienta sensor SF6 może być kalibrowany dla jednej lub obu mieszanek gazu: SF6/N2 lub SF6/CF4. W przypadku, gdy sensor jest skalibrowany dla obu mieszanek gazu użytkownik zmienia rodzaj kalibracji w oprogramowaniu urządzenia. GA11 można także skalibrować do pomiaru stężenia gazu g3. Podstawowa konfiguracja GA11 zawiera sensor do pomiaru wilgotności oraz czujnik stężenia gazu. Pomiar stężenia gazu SF6 wykorzystuje zjawisko różnej prędkości rozchodzenia się dźwięku w mieszaninach gazowych. Prędkość rozchodzenia się dźwięku w powietrzu to w przybliżeniu 330 m/s, podczas gdy w gazie SF6 dźwięk rozchodzi się z prędkością około 130 m/s. Zmierzona prędkość dźwięku jest kompensowana temperaturowo i przy pomocy mikrokontrolera zamieniana na wartość stężenia gazu. Wilgotność w urządzeniu GA11 mierzona jest przy pomocy pojemnościowego czujnika wilgotności, który budową przypomina kondensator. Warstwa wewnętrzna czujnika wykonana jest z higroskopijnego materiału nieprzewodzącego, podczas gdy warstwy zewnętrze wykonane są z przewodnika. Zmiana stałej dielektrycznej materiału higroskopijnego jest proporcjonalna do wilgotności względnej w otoczeniu czujnika.
Fot. 10. Precyzyjny analizator jakości gazu SF6 – model GA11
Najczęściej wybieranymi sensorami dodatkowymi są czujniki mierzące stężenie objętościowe (w ppmv) SO2 oraz HF. Do mierzenia stężenia tych związków chemicznych wykorzystywany jest sensor elektrochemiczny. Działa on na zasadzie pochłaniania cząstek gazu przez warstwę elektrolitu. Pojemność elektrolitu zmienia się wraz ze zmianą liczby cząstek badanego związku w elektrolicie. Zmiana pojemności, z wykorzystaniem narzędzi oceny sygnału elektronicznego, jest konwertowana na wartość stężenia substancji. Dla dokładnego pomiaru spodziewanych wartości produktu dekompozycji gazu SF6, jakim jest dwutlenek siarki, sensory SO2 występują w różnych zakresach pomiarowych: od 0–10 ppm do 0–500 ppm. Sensor HF dostępny jest w zakresie pomiarowym 0–10 ppmv. Dodatkowe porty umożliwiają łatwy montaż towarzyszących sensorów. Dostępne są sensory mierzące stężenie takich substancji jak siarkowodór (H2S) czy tlenek węgla (CO). GA11 można uruchomić jednym przyciskiem, a pierwsze wyniki pomiaru mogą być widoczne na ekranie dotykowym już po około siedmiu minutach od chwili gotowości systemu do pracy. Wyniki są automatycznie porównywane z ustawionym progiem dla zanieczyszczonego lub zdatnego do ponownego użycia gazu SF6 (CIGRE B3.02.01, IEC albo z zgodnie z wprowadzonymi przez użytkownika danymi). Odpowiednio wyświetlają się symbole OK lub Not-OK (fot. 11).
Fot. 11. Przykładowa analiza wyników pomiarów w modelu GA11
W pamięci wewnętrznej urządzenia może być przechowywanych do pięciuset wyników pomiaru, które można bezpośrednio transferować na zewnątrz za pomocą portu USB. Oprogramowanie „SF6-Q – Przeglądarka pomiarów analizatora” zawiera darmową funkcję eksportu danych do pliku PDF lub formatu CSV, co umożliwia import danych do programu Microsoft Excel lub innych programów kalkulacyjnych i programów zarządzających bazami danych. W zależności od potrzeby testowany gaz po analizie może być wpompowany bezpośrednio do zbiornika, z którego został pobrany, innego zewnętrznego zbiornika lub do zewnętrznej torby GA45 do tymczasowego przechowywania gazu SF6 (fot. 12).
Fot. 12. Torba do tymczasowego przechowywania gazu SF6 – model GA45
Ostatnią grupą urządzeń do obsługi gazu SF6 w portfolio WIKA są urządzenia do napełniania oraz ewakuacji – pompy ewakuacji powietrza i azotu, zestawy do napełniania i ewakuacji gazu SF6, oraz akcesoria mechaniczne, takie jak szybkozłącza, węże oraz przyłącza.
Flagowym urządzeniem w tej grupie jest model GPU-2000, który umożliwia wykonanie kilku procesów przy użyciu jednego urządzenia, z zachowaniem wysokiego stopnia bezpieczeństwa oraz łatwości obsługi. GPU-2000 (fot. 13) wyposażony jest w bezolejowy kompresor i bezolejową pompę próżniową do gazu SF6 (zapobiega zanieczyszczeniu gazu), pompę próżniową do powietrza oraz zbiornik na gaz.
Całość zamontowana jest na mobilnym wózku. Używając 10” dotykowego panelu kontrolnego, można przygotować komorę (ewakuacja powietrza/azotu) do napełnienia gazem SF6, napełnić oraz ewakuować gaz z komory. Możliwe tryby pracy zostały przedstawione na fot. 14. Aby zapewnić bezpieczną obsługę urządzenia, WIKA wyposażyła GPU-2000 w system bezpieczeństwa bazujący na elementach SIL 2. System bezpieczeństwa zapobiega wprowadzeniu GPU w szkodliwe/niebezpieczne warunki pracy. Komponenty SIL 2, do których się odnosimy, to czujnik ciśnienia, waga zbiornika na gaz SF6 oraz detektor wycieku gazu oparty na technologii podczerwieni. Ten ostatni system wykrywa wyciek w zakresie pomiarowy
Fot. 13. Model GPU-2000 z 300-litrowym zbiornikiem do obsługi gazu SF6 (przygotowanie do napełniania, napełnianie, ewakuacja)
WIKA zwraca także szczególną uwagę na kwestie bezpieczeństwa związane z przepełnieniem zbiornika magazynującego gaz SF6. W teorii zbiornik na gaz może być napełniony aż po krawędź w określonej i stałej temperaturze. W praktyce ma to jednak rzadkie zastosowanie. Wzrost temperatury gazu może prowadzić do poważnych konsekwencji, np. gdy zbiornik z gazem narażony jest na ekspozycję promieni słonecznych. Ciśnienie gazu w takim zbiorniku wzrasta i gaz może uciec przez zawór bezpieczeństwa. W celu zredukowania możliwości wycieku gazu przez zawór bezpieczeństwa napełnianie zbiornika zatrzymuje się poniżej wartości 0,8 kg/l określonego przez normę IEC 6227-4.
Fot. 14. Model GPU-2000 – możliwe tryby pracy
Tak działająca funkcja bezpieczeństwa pozwala na użytkowanie GPU-2000 w szerszym niż zazwyczaj zakresie temperatury otoczenia – praca do 40 °C, a przechowywanie do 60 °C. Dzięki zastosowaniu specjalnych filtrów oraz węży system bezpieczeństwa GPU-2000 nie ma wpływu na szybkość ewakuacji i napełniania. Urządzenie zostało zaprojektowane w taki sposób, aby maksymalnie wydłużyć czas między koniecznymi przeglądami serwisowymi – przykładowo konserwacja kompresora gazu SF6 przewidziana jest co 2500 godzin pracy. GPU-2000 jest mobilnym urządzeniem realizującym kilka zadań. W ofercie WIKA dostępne są również urządzenia spełniające pojedyncze funkcje, tak więc klient – w zależności od zadań, jakie chce wykonywać – może zdecydować się na zakup jedynie kompresora SF6, samej pompy próżniowej lub wagi.
WIKA POLSKA Sp. z o.o. sp. k.
e-mail: info@wikapolska.pl
www.wikapolska.pl
source: Automatyka 5/2018