Пирометрический контроль топочного пространства котлоагрегатов

УДК 536.521.3

ПИРОМЕТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ТОПОЧНОГО ПРОСТРАНСТВА КОТЛОАГРЕГАТОВ ТЭЦ PYROMETRIC CONTROL OF FURNACE SPACE OF THE BOILER UNITS OF TPP

В. А. Захаренко, Д. Б. Пономарёв, А. Г. Шкаев

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

V.A. Zakharenko, D. B. Ponomarev, A. G. Shkaev

Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. Приведены результаты разработки системы пирометрического контроля процессов горения в топочных агрегатах ТЭЦ. Работа актуальна, т. к. востребована в системах управления и контроля котлоагрегатами. Приведены теоретические и практические обоснования создания пирометрических преобразователей для системы пирометрического контроля за работой котлоагрегата. Применение системы позволит осуществлять оперативный контроль радиационных температур в топочном пространстве, что необходимо для обеспечения надёжной и безопасной работы котлов ТЭЦ. Основным элементом, определяющим информационные возможности таких систем является пирометрический преобразователь, пригодный для условий эксплуатации на котлоагрегате. Проработаны вопросы метрологического обеспечения пирометрических преобразователей и их конструктивного исполнения, представлено описание функциональной схемы.

Ключевые слова: пирометр, котлоагрегат, радиационная температура, топка, пирометрический контроль.

DOI: 10.25206/2310-9793-7-4-207-212

I. Введение

По имеющейся статистике более 50% внеплановых остановов котлоагрегатов на Омской ТЭЦ-5 происходит по причине повреждений экранных поверхностей нагрева.

В числе основных источников повреждений поверхностей нагрева являются повреждения, вызванные термической усталостью, перегревами труб (тепловая развертка и др.), высокотемпературной наружной коррозией, золовым износом. Следует отметить также недостаточную изученность тепловых рабочих процессов, протекающих в топке котла. Выявление потенциальных источников повреждений на поверхностях экранных труб осуществляется только при визуальном внешнем осмотре поверхностей нагрева после остановки котло-агрегата. В работе предлагается проводить контроль температурных полей топочного пространства и поверхностей нагрева котлов БКЗ-420-140-5 ТЭЦ-5 с помощью системы пирометрического контроля котла. Устанавливаемые в настоящее время на котлах датчики контроля за излучением факела обеспечивают только контроль за наличием горения факела [1] и не предназначены для пирометрического контроля за температурными полями в топках. Применяемый на сегодня контроль за температурой стенок экранных труб при помощи термовставок технически сложный и недостаточно неэффективный [2]. В работе [3] описан опытный образец пирометрического комплекса, установленного на котлоагрегате БКЗ-820-140 Ново-Иркутской ТЭЦ, идея создания которого легла в основу представляемой в настоящей работе разработки. Несмотря на то, что пирометрический комплекс был предложен в 2000 - х годах, широкого практического распространения он не получил из-за технических сложностей, связанных с его изготовлением, метрологическим обеспечением и экономическими проблемами, хотя проблемы контроля и обеспечения надёжной работы котлов ТЭЦ остаются актуальными.

II. Постановка задачи

На кафедре «Электроника» ОмГТУ на протяжении последних 25 лет ведутся разработки методов и средств пирометрического контроля различных промышленных технологических процессов [4,5,6]. Накопленный на кафедре опыт по созданию пирометров и пирометрических преобразователей, их метрологического обеспечения, сопряжения с компьютерами и созданию средств программного обеспечения по обработке пирометрической информации позволил разработать практичную систему контроля топочного пространства котло-агрегатов ТЭЦ, описанную в настоящей статье. Система предназначена для визуализации в процессе эксплуатации распределения температурного поля в топке котельного агрегата в виде мнемосхемы, трендов и таблиц на практически неограниченных интервалах времени. Это позволит проводить анализ качества ведения технологического процесса горения в топке во времени. Пирометрический контроль позволит определять перекосы

температурного поля и положения факела в топке в реальном времени и в ретроспективе, определять наиболее теплонапряжённые участки экранных поверхностей в топке. Кроме того, оперативная (практически мгновенная) информация пирометрического контроля может быть использована для выявления аварийных ситуаций и использоваться в автоматике защиты котлов. Система контроля состоит из пирометрических преобразователей в количестве от 6 до 16, методики и стенда для метрологического обеспечения пирометрических преобразователей в процессе эксплуатации, канала сбора и обработки цифровых и аналоговых сигналов и специализированного программного обеспечения в среде WINDOWS для визуализации и хранения информации.

III. Теория

В основе методов пирометрического контроля температуры лежит зависимость функции спектральной плотности энергии излучения г(1,Т) от длины волны электромагнитного излучения 1 и температуры Т видимом и ИК диапазонах, определяемая для абсолютно черного тела (АЧТ) законом Планка

'(IT ) =

2 Г Д jУ1

15 I J

где к = (6,6256 + 0,0005)-10-34, Вт-с2 - постоянная Планка; с = (2,997930 + 0,000003-108, м-с - скорость света в вакууме; к = (1,38054 + 0,00018-10-23, Вт-с/К - постоянная Больцмана.

При этом непосредственной задачей измерений является бесконтактный контроль температуры факела и экранных поверхностей в топке по излучению.

Полный поток излучения Ф от излучающей поверхности площадью А, имеющей температуру Т, находится после интегрирования (1) как

ад

Ф = J r

0

где а = 5,67-10 , В/м2-К4 - постоянная Стефана-Больцмана; £ (Л, Т) = г (Л, Т) / гАЧТ (Л, Т)- коэффициент излучения (коэффициент черноты).

Дифференцирование функции Планка (1) как йг/йЛ дает формулу Вина:

Л - Т = 2898мкм - К,

позволяющую определять максимум функции Планка, соответствующий заданной температуре.

Формула Вина позволила обосновать выбор приёмника излучения пирометрического преобразователя для контроля температур по излучению в топке котла. В соответствии с представленными формулами был обоснован выбор фотодиода на основе 81 в качестве преобразователя излучения (приёмника излучения) в пирометрическом преобразователе в электрический сигнал для контролируемых температур в диапазоне 800° С -1400°С .

Проектирование и разработка пирометрических преобразователей для поставленной задачи потребовали решения трёх задач:

- расчета энергетической освещенности чувствительной площадки приемника излучения (ПИ);

- обеспечения пылезащиты и от тепловых выбросов через смотровое отверстие в условиях эксплуатации;

- обеспечения допустимой погрешности в условиях изменения температуры окружающей среды.

Две первых задачи решены за счёт разработки и расчёта конструкции диафрагменного типа. Третья задача решена применением термостатирования.

Из геометрических соображений (рис. 1) диаметр измерительного поля на поверхности объекта контроля (ОК) можно рассчитать по формуле:

Б = у

где Б2 - диаметр измерительного поля, Ь - расстояние от плоскости ОК до диафрагмы, I - расстояние между диафрагмой и поверхностью чувствительного элемента ПИ, Бй - диаметр отверстия диафрагмы, Бр - диаметр площадки чувствительного элемента ПИ.

Рис. 1. Оптическая схема пирометрического преобразователя с диафрагмой: 1 - чувствительный элемент ПИ; 2 - диафрагма; 3 - плоскость измерительного поля

В соответствии с выражениям (2) и (4) были рассчитаны лучистые потоки, облучающие чувствительны элемент ПИ и выбран тип кремниевого ПИ, удовлетворяющий требованиям необходимой чувствительности.

IV. Результаты разработки Функциональная схема разработанного пирометрического преобразователя приведена на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная схема пирометрического преобразователя: Ф0 - поток излучения от объекта; Ф- поток излучения, попадающий на фотоприёмник, Т - тубус с набором диафрагм, ПИ - приёмник излучения; ПТН - преобразователь ток-напряжение; ДТ - датчик температуры, Н - нагреватель, РТ - регулятор температуры; СО - схема обработки

Работа пирометра. Поток излучения Ф0 от объекта контроля попадает в тубус Т, который содержит систему диафрагм, осуществляющую оптическое отображение измерительного поля объекта на плоскость приёмника излучения (ПИ). Кроме того, в тубусе располагается зеркало и окуляр, позволяющие реализовать визирование датчика на объект контроля. Во время эксплуатации пирометра отверстие окуляра закрывается заглушкой для защиты от загрязнений.

Приёмник излучения преобразует энергию падающего на его чувствительную поверхность потока Ф в электрический сигнал, пропорциональный температуре объекта контроля. В качестве ПИ используется кремниевый фотодиод ФД-256, обладающий спектральной чувствительностью в диапазоне 0,4.. .1,2 мкм.

В приборе используется схема включения фотодиода в режиме генератора фототока, в качестве нагрузки служит схема преобразователя ток-напряжение (ПТН), выполненная на базе прецизионного операционного усилителя типа ОР07. ПТН имеет высокий коэффициент преобразования (порядка 2-106 В/А), что обеспечивает амплитуду выходного сигнала, достаточную для работы последующей электронной схемы.

Стабилизация параметров прибора осуществляется путём термостатирования. В термостате размешаются фотоприёмник и схема ПТН. Благодаря такому решению были практически сведены к нулю температурные дрейфы всех элементов электронной схемы. Кроме того, ПИ и схема ПТН конструктивно оказались расположены в максимальной близости, что позволило увеличить электромагнитную помехоустойчивость.

Схема термостатирования обеспечивает поддержание температуры термостата на уровне 60°С, с точностью не хуже +0,1°С за счёт применения регулятора температуры (РТ) пропорционального типа на базе прецизионного операционного усилителя. В качестве датчика температуры ДТ используется кремниевый диод КД 522, в качестве нагревателя Н - транзистор КТ815. Время выхода термостата на рабочий режим составляет 5 минут.

Схема обработки СО выполнена на микроконтроллере ЛЭиС824, имеющем встроенный 24-разрядный АЦП. Алгоритм обработки включает в себя цифровой нерекурсивный фильтр нижних частот 12 порядка, благодаря чему осуществляется отстройка от промышленных электромагнитных помех с частотой, кратной 50 Гц.

После фильтрации сигнала осуществляется линеаризация его выходной характеристики, что обеспечивает взаимозаменяемость пирометров. Кроме того, предусмотрена выдача выходных токовых сигналов в аналоговом (0-5 либо 4-20 мА) и цифровом (Я8-485) стандартах.

Приведённые технические решения позволили создать пирометр, обладающий основной погрешностью измерений не более 0,5%. Дополнительная погрешность датчика в диапазоне изменения температур окружающей среды -30°С ... +60°С не превышает 1%.

Конструктивно преобразователь представляет собой цилиндр длиной 300 мм и диаметром 46 мм с расположенными в нем диафрагмами и системой оптического визирования, приёмником излучения, термостатом и печатной платой электронной схемы. Оптическая часть диафрагменного типа создаёт показатель визирования 1:25 при диаметре входного отверстия 1,0 мм и расстоянии от диафрагмы до фотоприемника 70 мм. Это конструктивное решение обеспечивает надёжную защиту входного окна фотодиода от загрязнения и бросков пламени. На тыльной стороне прибора находится разъём для подключения прибора к источнику питания и измерительной цепи.

Питание преобразователя осуществляется от источника постоянного напряжения 12В, потребляемая мощность во время выхода на рабочий режим не превышает 5 Вт, в стационарном режиме - 1 Вт. Фотография пирометра приведена на рис. 3.

II

Рис. 3. Фотография опытного образца пирометра

Схема сопряжения пирометрических преобразователей с персональным компьютером, либо с переносным блоком управления, предусматривает возможность двунаправленного обмена данными. Переносной блок управления позволяет в процессе эксплуатации оперативно осуществлять введение поправки на излучательную способность объекта контроля в пределах 0,1.1,0 с дискретностью 0,001 и обеспечивает отображение текущего значения измеряемой температуры.

Программное обеспечение, устанавливаемое на компьютер, позволяет отображать информацию о температуре, контролируемой в топке области в виде трендов, производить их запись в архив с целью дальнейшего анализа. Связь пирометрического преобразователя с компьютером осуществляется при помощи специализированного адаптера канала связи через СОМ-порт по экранированной вито паре.

Управляющая программа микроконтроллера построена таким образом, что имеется возможность в пределах полной температурной шкалы прибора выделить необходимый для конкретного применения поддиапазон измерений и растянуть его на всю шкалу выходного сигнала пирометрического преобразователя.

Цифровой выходной сигнал пирометрического преобразователя кроме информации о температуре объекта контроля содержит ряд дополнительных сведений: серийный номер прибора, диапазон измеряемых температур, установленное значение поправки на излучательную способность объекта контроля, температуру термостата. Программное обеспечение прибора позволяет отображать эти данные.

Задачи градуировки, калибровки и поверки пирометров потребовали использования двух сертифицированных моделей абсолютно чёрного тела (АЧТ) типа АЧТ-45/100/1100 и АЧТ-30/900/2500 производства АО «НПП «Эталон». Функциональная схема стенда для градуировки, калибровки и поверки пирометрических преобразователей приведена на рис. 4.

Рис. 4. Функциональна схема установки для метрологического обеспечения А - рабочее расстояние; 1,3 - микрометрические винты; 2 - пирометр; 4 - штатив; 5 - диафрагма; 6 - модель АЧТ; 7 - оптическая скамья

Определение дополнительной погрешности приборов при изменении температуры окружающей среды от -30 до +60°С, проводилось путем помещения приборов в климатическую камеру КТВ-300 с последующим визированием через отверстие в камере на излучающую полость модели АЧТ.

Поверка показателя визирования производилась при помощи ирисовой диафрагмы, установленной перед излучающей полостью модели АЧТ, путём уменьшения диаметра диафрагмирующего отверстия. Фиксируя минимальный диаметр отверстия, при котором измеряемое значение выходного сигнала преобразователя начинает изменяться более чем на величину основной погрешности. Показатель визирования определялся как отношение зафиксированного минимального диаметра диафрагмирующего отверстия к расстоянию между этим отверстием и входной диафрагмой пирометрического преобразователя.

V. Обсуждение результатов

Приведённые результаты разработки системы пирометрического контроля направлены на решение актуальной задачи внедрения пирометрических средств, для наблюдения за полями температур внутри объема котлов пылеугольных ТЭЦ. Применение пирометрических средств, для контроля за процессами горения в топках котлоагрегатов, позволит вывести на новый уровень эксплуатацию котлов в теплоэнергетике за счёт увеличения межремонтных сроков их эксплуатации, снижения аварийности и оптимизации процессов горения. Такая система должна являться одной из подсистем АСУ ТП управления котельным агрегатом. Работа системы избавит эксплуатационный персонал от необходимости визуального контроля за факелом через смотровые люки. Система представляется полезной для настройки процессов горения, особенно, при пусконаладочных работах. Система позволит визуализировать температурное поле внутри котла, что в сочетании с архивными данными поможет получить более достоверные модели теплотехнических процессов в топках, которые на сегодня носят полуэмпирический характер. В настоящее время по результатам представленной работы на согласовании находится заявка СП «ТЭЦ-5» АО «ТГК-11» на включение работ в портфель проектов НИОКР, по проведению ОмГТУ работ по теме: «Разработка пирометрического информационно-измерительного комплекса для обследования температурных полей топочного пространства и температурных напряжений металла поверхностей нагрева котлов БКЗ-420-140-5 ТЭЦ-5».

VI. Выводы и заключение

Несмотря на очевидность необходимости применения систем пирометрического контроля за топочными процессами в котлоагрегатах ТЭЦ, их внедрение не носит массового характера. Как подчёркивается в [2] «Причины заключаются в отсутствии недорогих и надежных стационарных пирометрических датчиков, спо-

собных работать без обслуживания длительное время». Наблюдается разрыв между наличием высокого уровня компьютерных информационных систем с различным программным обеспечением и надёжными датчиками первичной информации, к которым относятся представленные в настоящей работе пирометрические преобразователи.

Основными результатами представляемой работы являются:

1.Разработаны надёжные, работоспособные в условиях эксплуатации котельных агрегатов ТЭЦ пирометрические преобразователи, сопрягаемые с компьютерными сетями. Опытные образцы преобразователей в настоящее время используются в системах автоматического регулирования температуры в реакторах производства технического углерода на Омском заводе технического углерода. Условия эксплуатации реакторов практически не отличаются от условий эксплуатации котлов ТЭЦ.

2. Решены вопросы метрологического обеспечения пирометрических преобразователей.

3. Разработана функциональная схема пирометрического контроля процессов горения в топках ТЭЦ и обоснована необходимость её внедрения.

Список литературы

1. Устройство индикации наличия факела в топке котла «Факел 3М»: Техническое описание 92.2.556.048 ТО. Киев: ПО «Союзэнергоавтоматика», Центральное ПКБ, Киевский филиал, 1987. 20 с.

2. Холщев В. В. Температурный режим и контроль состояния экранных труб // Теплоэнегетика. 2000. № 8. С. 30-34.

3. Боровский А. В., Герасимов Л. Н., Дружинин С. А. [и др]. Пирометрический измерительный комплекс для стационарного контроля пылеугольной топки // Современные технологии автоматизации. 2000. № 4. С. 70-77.

4. Захаренко В. А., Веприкова Я. Р., Кропачев Д. Ю. Пирометр измерения температуры расплавов // Омский научный вестник. 2018. № 4 (160). С 114-118.

5. Zakharenko V. A., Shkaev A. G., Ponomarev D. B. Pyrometer with tracking balancing // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Vol. 998. P. 012022. DOI: 10.1088/1742-6596/998/1/012022.

6. Захаренко В. А., Вальке А. А., Лобов Д. Г. Термографический контроль свода рекуперативной печи в производстве минеральной ваты // В мире неразрушающего контроля. 2016. Т. 19, № 1. С. 24-26.

УДК 621.372.8:621.315:519.863

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НАТЯЖЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА НА ПОКАЗАТЕЛИ ГОТОВНОСТИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ

MODELING THE INFLUENCE OF THE OPTICAL FIBER STRAIN ON THE PERFORMANCE READINESS OF FIBER-OPTIC COMMUNICATION LINES

С. С. Лутченко, И. В. Богачков

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

Sergey S. Lutchenko, Igor V. Bogachkov,

Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. В статье рассмотрена математическая модель, позволяющая определить показатели готовности волоконно-оптической линии связи в зависимости от степени натяжения оптического волокна при различных способах воздействия на него. В основу модели положена теория цепей Маркова. Адекватность модели исследуемому процессу достигается посредством учета ошибок диагностирования первого и второго рода. Применение разработанной модели позволяет определить допустимую периодичность обслуживания ВОЛС.

Ключевые слова: волоконно-оптическая линия связи, натяжение оптического волокна, растягивающее воздействие, температурное воздействие, математическая модель, истинное время, наблюдаемое время, коэффициент готовности.

DOI: 10.25206/2310-9793-7-4-212-219