Применение тепловизоров при контроле температуры на парогазовых установках

УДК 534.232

Мохаммед Кхалиль Сультан Абдулла, Аль-ятим Ибрагим Абдулла Мухаммед, Н. А. Староверова

ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВИЗОРОВ ПРИ КОНТРОЛЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВКАХ

Ключевые слова: измерение температуры, тепловизор, парогазовая установка.

В предлагаемой работе проводятся исследования по разработке программно-апаратного измерительного комплекса для контроля температуры электроприборов. Одна из сфер его применения — это парогазовые установки эксплуатирующиеся в республике Йемен. В качестве датчика температуры в данном комплексе используется тепловизор. Принцип действия тепловизора заключается в определении поля температур исследуемой поверхности путем сканирования по сегментам. Основным элементом тепловизора, определяющим его возможности и характеристики, является ИК датчик температуры MLX90614-ACF. В исследуемом тепловизоре датчик температуры и два сервопривода подключаются непосредственно к стандартному микропроцессорному модулю Arduino Uno. Управление сервоприводами осуществляется с помощью сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ) S1 и S2. Обмен данными с датчиком MLX90614 происходит по шине двухпроводного интерфейса I2C. В статье приводятся условия эксплуатации парогазовых установок в республике Йемен, а так же основные алгоритмы расчёта допустимых температур эксплуатации и методы их измерения.

Keywords: temperature measurement, thermal imager, combined cycle plant.

In this paper, studies on the development of software and hardware measurement system for temperature control of electric devices. One of the areas of its application is a combined cycle plant operating in the Republic of Yemen. As the temperature sensor in this package is used the thermal imager. The principle of operation of the thermal imager is to define the field of temperatures of the surface examined by scanning segment. The main element of the imaging device, determining its capabilities and characteristics, is the IR temperature sensor MLX90614-ACF. In the tested thermal imager temperature sensor and two servo connected directly to a microprocessor module for Arduino Uno. The control of the servo by using the signals of pulse width modulation (PWM) of S1 and S2. Communication with the sensor MLX90614 is happening on the bus the two-wire I2C interface. The article presents the conditions for the operation of combined cycle power plants in the Republic of Yemen, as well as basic algorithms of calculation of permissible operation temperatures and methods of their measurement.

Парогазовые установки - самостоятельный энергоблок, где топливо используется один раз, а электроэнергия вырабатывается дважды: в газотурбинной установке и в паровой турбине. Основным достоинством парогазовых установок является возможность достичь электрического КПД более 60 %. Работая на электростанциях, эти газовые турбины не только повышают «прогнозные технико-экономические показатели», но и улучшают управление генерацией, так как имеют высокую маневренность: быстроту пуска и набора мощности. Если сравнивать парогазовые установки с паросиловыми, то первые потребляют существенно меньше воды на единицу вырабатываемой электроэнергии. Кроме того у них ниже стоимость единицы установленной мощности и они экологически безопаснее.

В данной работе рассматривается специфика контроля температуры на парогазовых установках в республике Йемен в частности в городе Мариба, мощность эксплуатируемой ПГУ - 440 МВт. Работа проводилась для станции типа ТЭС-440 МВт, тип турбин: ГТД-110.

ПГУ предназначена для районного электроснабжения. Станция выдаёт электрическую энергию на напряжениях 110,10 кВ и связана с энергосистемой при помощи ЛЭП на напряжение 110 кВ. Параметры системы: мощность 2700 МВА, сопротивление 0,71. От шин 110 кВ отходят 8 воздушных линий в районную сеть, местная нагрузка

- 10 кВ. Средняя годовая температура в городе составляет 28,3650С.

В любом случае преобразование и передача энергии связаны с определёнными потерями, например ток, протекающий по проводнику будет нагревать его — это джоулевы потери, так же мы можем иметь дело с потерями на перемагничивание и вихревые потери или электрические потери в изоляции. В результате все эти потери превращаются в тепло и нагревают работающее оборудование. Прежде всего нагревается изоляция и переходные контакты электрических цепей. Изоляция, изготовленная из промасленной бумаги, от нагрева стареет, и тем быстрее, чем выше ее температура.

Нагреваются механические части, пружины и контакты электрических аппаратов, и это приводит к явлению, которое называется «самовозбуждением»: переходное сопротивление нагретого контакта возрастает, а это приводит к увеличению в нем выделения тепла, и увеличивает переходное сопротивление и т.д. Коме того нагрев электрических аппаратов приводит к деформации и заклиниванию подвижных частей и как следствие - к нарушению работоспособности аппарата.. А если учесть достаточно высокие температуры условий эксплуатации, то открывается актуальность исследования вопросов контроля температуры и выработки защитных воздействий.

К основным средствам борьбы с нагревом и его последствиям, можно отнести, точно

выполненный расчёт токоведущих частей и магнитоприводов, правильно организованное охлаждение аппаратуры, исправное содержание переходных контактов, предотвращение

возникновения паразитных токов и вредных магнитных полей, вызывающих нагрев аппаратов, правильная организация эксплуатации и своевременные профилактические испытания оборудования.

Но при этом необходимо помнить, что нагрев электрооборудования всё равно неизбежен, и поэтому он должен быть заранее известен и по возможности ограничен допустимыми пределами. С точки зрения допустимых нагревов изоляция разделена на классы. Класс У (предельная допустимая температура 900С) -непропитанные и не погруженные в жидкий электроизоляционный состав волокнистые материалы из целлюлозы и шелка. Класс А (предельная допустимая температура 105 0С) - пропитанные и погруженные в жидкий электроизоляционный состав волокнистые материалы из целлюлозы и шелка. Класс Е (предельная допустимая температура 1200С) — некоторые синтетические или органические пленки. Класс В (предельная допустимая температура 1300С) -материалы на основе слюды (в том числе на органических подложках), асбеста и стекловолокна, применяемые с органическими связывающими и пропитывающими составами. Класс F (предельная допустимая температура 1550С) - материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с синтетическими связывающими и пропитывающими составами. Класс Н (предельная допустимая температура 1800С) - материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с кремнийорганическими связывающими и пропитывающими составами, кремнийорганические эластомеры. Класс С (предельная допустимая температура 1800С и более)- слюда, керамические материалы, стекло, кварц, применяемые без связывающих составов или с неорганическими или кремний-органическими связывающими составами. Нагрев неизолированных проводников по ГОСТ 802469 ограничивается максимально допустимыми температурами.

Для расчёта температуры аппарата в установившемся режиме, мы учитываем температуры окружающей среды и повышения температуры аппарата на температурой окружающей среды.

При этом нагревание проводников, непосредственно охлаждаемых водой, не допускается выше 90°С, т.к. при 100°С вода вскипает, а это полностью нарушает охлаждение проводника, т. к. теплоемкость водяного пара в два раза меньше теплоемкости воды. Потери энергии в электрическом аппарате превращаются в тепло, одна часть которого нагревает оборудование, а вторая - отдается в окружающее пространство.

Примем следующие допущения: отдача тепла в окружающую среду пропорциональна разности температур; теплоемкость окружающей среды не ограничена; условия охлаждения по всей поверхности одинаковы; мощность потерь, коэффициенты теплоемкости и теплоотдачи постоянны и не зависят

от температуры.

Одним из основных показателей режима работы электрооборудования оборудования и его технического состояния, является его нагрев. По степени нагрева мы можем судить о исправности оборудования и нагрузке.

В процессе обслуживания оборудования, дежурный персонал в первую очередь смотрит именно на температуру оборудования. Два основных требования к измерению температуры на энергетических установках это точность и надёжность.

В большинстве случаев применяемая точность для измерения температуры оборудования находится в пределах +1 - 1,50С, при измерении температуры водоохлаждаемых обмоток, где точность лежит в пределах ±0,5°С. При различных испытаниях и исследованиях температура измеряется с точностью до ±0,1°С.

Так как от термоконтроля часто зависит надёжность работы оборудования (например подшипников и подпятников), то требования к надёжности измерения температуры достаточно жесткие. Предполагается, что система термоконтроля должна быть долговечна, допускать простую калибровку по требованию и не подвергаться влиянию внешних факторов, таких как вибрация, электрические или магнитные поля.

В настоящее время используется достаточно много методов термоконтроля: метод терморезистора (прямой и косвенный), метод термопары, инфракрасный метод, методы, использующие изменение физического или химического состояния вещества при изменении его температуры. Каждый из перечисленных способов имеет свои преимущества и недостатки.

По действующим стандартам под превышением температуры какой-либо части трансформатора подразумевается разность температур этой части и охлаждающей среды, допустимые превышения температуры активных частей во многом влияют на внутреннее устройство, размеры, стоимость, нагрузочную способность и режимы эксплуатации трансформатора.

Наибольшая допустимая длительная нагрузка трансформатора зависит от номинальной мощности, являющейся гарантируемым параметром,

температуры охлаждающей среды и от того, желает или не желает эксплуатирующее предприятие замедлить старение изоляционных материалов, сильно зависящее от температуры и длительности ее действия.

Наибольшая допустимая кратковременная нагрузка и ее длительность, кроме указанных выше факторов, зависят также от конструктивных особенностей трансформатора, его тепловой постоянной времени и предшествующей нагрузки.

Согласно стандарту MSZ 9230/1-70 соответствующему рекомендациям публикации 76 МЭК, превышение средней температуры обмотки над температурой охлаждающей среды, определяемое по изменению сопротивления обмотки, не должно быть больше 65 °С

Наибольшее превышение температуры масла в баке (под крышкой бака трансформатора) над температурой охлаждающей среды, в отечественной литературе и стандартах применяется термин «превышение температуры верхних слоев масла», причем за температуру верхних слоев масла принимается температура, измеренная по термодатчику, расположенному в кармане крышки бака трансформатора и она не должна быть больше 60 0С. Наибольшая допустимая температура охлаждающей среды для воздуха + 400С, для воды +250С. Допустимые превышения температуры частей трансформатора установлены одинаковыми независимо от того, является ли охлаждающей средой воздух или вода. В результате, когда охлаждающей средой является вода, средняя температура обмотки оказывается на 150С ниже, чем когда охлаждающей средой является воздух. Такая осторожность в случае использования воды вызвана возможным загрязнением охлаждающих труб теплообменника со стороны воды.

Приведенные нормы нагрева относятся к трансформаторам, предназначенным для работы на высоте над уровнем моря не более 1000 м. Если же трансформатор предназначается для работы на высоте над уровнем моря более 1000 м, а его испытания проводятся на высоте ниже 1000 м, то нормы нагрева (допустимые превышения температуры) должны быть снижены: на 2% при естественной и на 3% при принудительной циркуляции воздуха на каждые 500 м высоты. Это предписание стандарта учитывает снижение эффективности охлаждения воздухом в связи с его разрежением. В случае использования воды такое снижение норм нагрева не требуется.

Если температура воздуха или воды превышает соответственно 40 или 250С, то нормы нагрева должны быть снижены на столько градусов, на сколько градусов температура воздуха или воды превышает 40 и 25 0С соответственно. В общем случае место расположения наиболее нагретой точки зависит от конструкции обмоток и распределения температуры масла в обмотке вдоль ее высоты и не всегда совпадает с верхней катушкой обмотки. Правильнее говорить о наиболее нагретой катушке обмотки, которой в большинстве случаев является первая или вторая от верха катушка обмотки. Температура наиболее нагретой точки всегда больше средней температуры верхней катушки. В рекомендациях МЭК износ изоляции, определяемый температурой и ее длительностью действия, отнесен к температуре 98 0С т. е. к такой, которая обычно имеет место при длительной номинальной нагрузке и температуре охлаждающего воздуха 20 0С. Температура наиболее нагретой точки обмотки в большинстве случаев стандартами на трансформатор не нормируется.

Стандартом MSZ 7730 для изоляционных материалов класса нагревостойкости А допускается температура 1150С. Согласно ГОСТ 8865-70 «Материалы электроизоляционные для электрических машин, трансформаторов и аппаратов. Классификация по нагревостойкости» для изоляционных материалов класса нагревостойкости А предельно допускаемой

является температура 1050С. При этом имеется в виду, что при нормируемой предельно допускаемой температуре обеспечивается технико-экономически целесообразный срок службы оборудования. Однако осуществление контроля за соответствием температуры наиболее нагретой точки этой предельно допустимой температуре является для трансформатора затруднительным, поэтому стандартом на трансформаторы не рекомендован.

Даже средняя температура верхней катушки обмотки трансформатора, удовлетворяющего по нормам нагрева стандарту, может быть более 1150С . Например, пусть температура окружающего воздуха 400С, превышение средней температуры обмотки 650С и осевой перепад температуры масла в обмотке 400С (это значение больше, чем бывает обычно, но стандартом не запрещено). При этих данных средняя температура верхней катушки 125 0С (40+65+40/2) . Для нормальных климатических факторов внешней среды значение 1 =400С есть наибольшее значение естественно изменяющейся температуры воздуха, а тепловая постоянная времени трансформаторов, у которых 1 =400С , составляет несколько часов. Также приближенная, но более точная оценка 1т должна производиться при использовании для 1 наибольшей среднесуточной или эквивалентной суточной температуры воздуха. Температура наиболее нагретой точки еще выше на несколько градусов.

Согласно рекомендациям МЭК [4] допускаются: при кратковременных нагрузках -температура наиболее нагретой точки обмотки 140°С; при коротком замыкании - средняя температура обмоток из меди 250°С и обмоток из алюминия 200°С. На практике благодаря быстрому прекращению процесса короткого замыкания и малой плотности тока в обмотке при нормальных эксплуатационных нагрузках указанные предельные значения температуры для режима короткого замыкания не достигаются.

Для того чтобы найти среднюю температуру верхней катушки при коротком замыкании, необходимо к 250 или 200°С прибавить половину осевого перепада температуры масла в обмотке. С учетом этого средняя температура верхней катушки может достигать при коротком замыкании 260 и 210°С соответственно для обмоток из меди и алюминия.

Под превышением средней температуры масла в обмотке, подразумевается превышение средней температуры масла, циркулирующего в охлаждающих каналах у поверхности обмотки, над температурой охлаждающей среды. Температура масла, поступившего в обмотку внизу, увеличивается приблизительно пропорционально пройденному пути вдоль обмотки.

Это приближенное положение является основой для принятой упрощенной методики расчета. В действительности температура масла и обмоток изменяется по высоте по нелинейному закону [6, с. 71-75], что следует учитывать, особенно при сопоставлении температуры наиболее нагретой точки обмоток и средней температуры обмоток, измеренной по изменению сопротивления.

Превышение средней температуры масла в обмотке при естественной циркуляции определяется как разность превышения наибольшей температуры масла в баке и половины осевого перепада температуры масла в обмотке, поскольку наибольшая температура масла в баке практически равна температуре масла, выходящего из обмотки.

Для трансформаторов с принудительной циркуляцией масла превышение средней температуры масла в обмотке определяется на основании измерений превышения температуры и расчетов, исходя из данных измерений, полученных при определении превышения средней температуры обмотки в процессе остывания. Под превышением средней температуры масла в теплообменнике, подразумевается логарифмическая разность температур. В отечественной литературе эта разность температур называется среднелогарифмической разностью температур двух теплоносителей или среднелогарифмическим температурным напором вдоль поверхности теплообмена. Логарифмическая разность температур определяется двумя составляющими: перепадом температуры со стороны воздуха и перепадом температуры со стороны масла. Перепадом температуры по толщине стенки теплообменника пренебрегают. При заданном способе охлаждения потери, которые необходимо отвести, и логарифмическая разность температур полностью определяют размеры теплообменника.

Если к температуре охлаждающей среды прибавить превышение средней температуры циркулирующего в теплообменнике воздуха и превышение средней температуры масла в теплообменнике (логарифмическую разность температур), то получим среднюю температуру масла в теплообменнике. При естественной циркуляции масла эта величина ненамного отличается от средней температуры масла в обмотке. В случае принудительной циркуляции масла из-за имеющего место перемешивания масла средняя температура масла в обмотке выше, чем средняя температура масла в охладителе.

Разность превышений средних температур обмотки и масла в обмотке определяется путем вычитания превышения средней температуры масла в обмотке из превышения средней температуры обмотки. Эта температурная ступень имеет две составляющие: перепад температуры по толщине изоляции проводника и перепад температуры между поверхностью изоляции обмотки и окружающим обмотку маслом.

Теплотехнический расчет обмотки трансформатора начинается с определения этой разности превышений температур, которая называется превышением средней температуры обмотки над средней температурой масла в обмотке. Если эту разность превышений температуры вычесть из нормированного превышения средней температуры обмотки над температурой охлаждающего воздуха, то в случае естествен ной циркуляции масла получим сумму превышения сред ней температуры охлаждающего воздуха в радиаторе и логарифмической разности температур охлаждаемого

масла и охлаждающего воздуха в радиаторе. Здесь принимается, что средняя температура масла в обмотке равна средней температуре масла в радиаторе.

В случае принудительной циркуляции масла необходимо учитывать влияние перемешивания масла. Контроль температуры электрооборудования применяют различные методы, самые известные ((применяемые)) методы это метод термометра, метод сопротивления, метод термопары и метод инфракрасного излучения.

Каждый метод имеет преимущества и недостатки, среди этих методов самым точным, надежным и высокоэффективным является тепловизионый метод, преимущество данного метода позволяет быстро и надежно выявить точки аномального нагрева и потенциально проблемные участки при проведении технического обслуживания в энергетике, и других отраслях промышленности.

Для контроля температуры

электрооборудования с помощью тепловизионного контроля необходимо учитывать систему охлаждения, материал изготовления исследуемого объекта ((оборудования)) и наиболее нагретые точки электрооборудования.

Тепловизоры применяют для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности. Современные тепловизоры нашли широкое применение как на крупных промышленных предприятиях, где необходим тщательный контроль за тепловым состоянием объектов, так и в небольших организациях, занимающихся поиском

неисправностей сетей различного назначения. Так, сканирование тепловизором может безошибочно показать место отхода контактов в системах электропроводки.

Особенно широкое применение тепловизоры получили в строительстве при оценке теплоизоляционных свойств конструкций. Так, к примеру, с помощью тепловизора можно определить области наибольших теплопотерь в строящемся доме и сделать вывод о качестве применяемых строительных материалов и утеплителей. Современные тепловизоры позволяют определять температуры динамических (движущихся объектов) в режиме реального времени. Однако стоят они весьма дорого (тысячи евро). В качестве дешевой альтернативы в данной работе рассматривается тепловизор сканирующего типа, выполненный на базе бесконтактного инфракрасного (ИК) датчика температуры серии MLX90614 фирмы Melexis [1]. Данный тепловизор подойдет для съемки статических объектов.

Принцип действия тепловизора заключается в определении поля температур исследуемой поверхности путем сканирования по сегментам. Температура сегмента измеряется с помощью бесконтактного ИК датчика температуры с узкой диаграммой направленности. Для перемещения фокуса термодатчика по сегментам используется поворотный кронштейн с двумя сервоприводами, обеспечивающий поворот датчика по горизонтали и вертикали с разрешением в 1 градус.

Основным элементом тепловизора, определяющим его возможности и характеристики, является ИК датчик температуры MLX90614-ACF. Данный датчик имеет нормированные метрологические характеристики и узкую диаграмму направленности в 10 градусов по уровню 50 % от максимальной чувствительности. Диапазон измеряемых температур датчика лежит в пределах от -70 0С до +380 0С. Основная погрешность в диапазоне измеряемых температур от 0 0С до 50 0С не превышает ±0,5 0С и достигает ±4 0С на краях рабочего диапазона измерений.

В исследуемом тепловизоре датчик температуры и два сервопривода подключаются непосредственно к стандартному

микропроцессорному модулю Arduino Uno. Управление сервоприводами осуществляется с помощью сигналов широтно-импульсной модуляции (ШИМ) S1 и S2. Обмен данными с датчиком MLX90614 происходит по шине двухпроводного интерфейса I2C.

Тепловизор реализует следующий алгоритм работы: 1. По команде от микроконтроллера сервоприводы поворачивают кронштейн на заданный угол по вертикали и горизонтали. 2. Выдерживается некоторая пауза для установления показаний датчика температуры.3. Микроконтроллер получает от датчика значение температуры данного сектора поверхности. 4. Микроконтроллер передает в компьютер температуру и угловые координаты сектора. 5. Программа на Delphi для компьютера получает измерительные данные от микроконтроллера и формирует цветную картинку теплового поля исследуемой поверхности.

Опытный образец разработанного тепловизора приведен на рисунке 1. Тепловизор выполнен в бескорпусном варианте и содержит только стандартные элементы.

Рис. 1 - Опытный образец тепловизора

Литература

1. Азбукин Ю. И., Аврух В. Ю. Модернизация трубогенераторов.— М : Энергия, 1980.—231 с.

2. Грудинский П. Г., Мандрыкин С. А., Улицкий М. С. Техническая эксплуатация основного электрооборудования станций и подстанций/ Под ред. П. И. Устинова. — М.: Энергия, 1974.—576 с.

3. Голунов А. М., Мазур А. Л. Вспомогательное оборудование трансформаторов. — М.: Энергия, 1978.— 143 с.

4. Инструкция по эксплуатации и ремонту генераторов на электростанциях.— М.: Энергия, 1974.—81 с.

5. Инструкция по эксплуатации трансформаторов. — СПО ОРГРЭС, 1976.—107 с.

6. Мусаэлян Э. С. Наладка и испытание электрооборудования электростанций и подстанций. — 2-е изд. — М.: Энергия, 1979.—464 с.

7. Нормы испытания электрооборудования/Под ред. С. Г. Королева.— 5-е изд. — М.: Атомиздат, 1978.—304 с.

8. Полтев А. И. Конструкции и расчет, элегазовых аппаратов высокого напряжения. — Л.: Энергия, Ленинградское отделение, 1979.—240 с.

9Пособие для изучения «Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей»/Под ред. К. М. Антипова.—М.: Энергия, 1979.—400 с. 10. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей. — 13-е изд. — М.: Энергия, 1977. — 288 с.

11. Рожкова Л. Д., Козулин В. С. Электрооборудование станций и подстанций. — 2-е изд. — М.: Энергия, 1980.— 600 с.

12. Справочник по ремонту турбогенераторов/Под ред. П. И. Устинова. — М: Энергия, 1979.—480 с.

13. Филатов А. А. Оперативное обслуживание электрических подстанций. — М.: Энергия, 1980.—232 с.

14. Филатов А. А. Фазировка электрического оборудования. — М.: Энергия, 1977.—64 с.

15. Андреева М.М., Шагапов И.Л., Соловьев Н.В., Нуретдинов И.И. Вестник Казанского технологического университета. Т.18, №2 стр312-316,

16 Зеленко О.В., Климанов С.Г., Стурова М.В. Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т.18, №1 стр 282-285,

17 Нефедьев А.И., Горобцов А.С., Чесноков О.К. Вестник технологического университета. 2015. Т.18, №5 стр 144147,

© Мохаммед Кхалиль Сультан Абдулла - магистрант гр. АУСм-1-13 КГЭУ; Аль-ятим Ибрагим Абдулла Мухаммед -

магистрант каф. автоматизированных систем сбора и обработки информации КНИТУ; Н. А. Староверова - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, nata-staroverova@yandex.ru.

© Mohammed Khalil The Sultan Abdullah - undergraduate group of Ausm-1-13, KGEU; Al-yateem Ibrahim Abdullah Mohammed - undergraduate of Department of automated systems of gathering and processing information, KNRTU; N. А. Staroverova - candidate of technical Sciences, associate Professor, Department of automated systems of gathering and processing information, KNRTU, nata-staroverova@yandex.ru.