Физика / Пирометрия / Пирометрический измерительный комплекс

ВВЕДЕНИЕ

го тепла для определения первооче

формационных систем реального вре

Системы контроля и управления

редности регламентных и ремонтных

мени, способных обрабатывать и архи

(СКУ) мощных пылеугольных котель

работ.

вировать показания датчиков.

ных агрегатов (КА), эксплуатируемые в

● Определение количества малоцикло

Использование описанного в данной

настоящее время, как правило, не со

вых и многоцикловых тепловых на

статье автоматизированного пиротех

держат технических средств для опре

гружений элементов топки. Эти дан

нического измерительного комплекса,

деления поля температур внутри объе

ные можно использовать в расчетах

разработанного Центром опытно кон

ма работающей топки. Штатные фото

остаточного ресурса металла паропе

структорских разработок и внедрений

электрические датчики аварийной за

регревателей и экранных поверхнос

систем контроля и управления (ЦОКР

щиты котла по погасанию факела [1]

тей котла.

и ВСКУ) ОАО «Иркутскэнерго», поз

данной проблемы не решают.

● Устранение необходимости опасного

воляет решить указанные проблемы.

Информация о распределении тем

визуального контроля

топочных

ператур внутри топки позволяет персо

процессов работниками котельного

РЕГИСТРАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

налу котельного цеха решить ряд тех

цеха.

ПЛАМЕНИ

нологических задач, характерных для

● Идентификация и реализация то

котельных агрегатов.

почных режимов с пониженным вы

Объект измерения

● Определение абсолютных пиромет

ходом NOx, что положительно ска

Горение угольной пыли в топке котла

рических температур факела (под

зывается на окружающей экологиче

происходит в турбулентном газодина

термином «факел» здесь и далее под

ской обстановке.

мическом потоке [2]. На микроуровне,

разумевается горящая угольная пыль

● Выполнение пусконаладочных работ

то есть на расстояниях меньше средне

в объеме топки). При критических

на котельных агрегатах, составление

го размера угольной частицы, пламя не

отклонениях температуры от опреде

режимных карт, настройка положе

обладает определенной температурой.

ленных уставок возможно развитие

ния и температуры факела в объеме

Температура меняется от точки к точке

аварийных топочных режимов, на

топки.

и пульсирует во времени. На макро

пример, шлакование стенок топки

Чем же объяснить отсутствие пиро

уровне, то есть на размерах, превыша

или погасание факела. Оперативная

метрических температур в списке кон

ющих среднее расстояние между уголь

пирометрическая информация мо

тролируемых параметров котла, несмо

ными частицами, но меньше среднего

жет быть использована в системах

тря на значительную важность этих из

размера гидродинамических турбу

автоматической защиты котла.

мерений? Причины заключаются в от

лентных вихрей, пламя также не имеет

● Определение перекосов положения

сутствии недорогих и надежных стаци

устойчивой температуры, потому что

факела в топке в реальном времени и

онарных пирометрических

датчиков,

её значения пульсируют из за гидроди

в ретроспективе.

способных работать без обслуживания

намической турбулентности. Таким

70

● Ранжирование экранных поверхнос

длительное время, и в отсутствии на

образом, температура пламени в топке

тей топки по количеству полученно

большинстве ТЭЦ компьютерных ин

котла является типичной случайной

www.cta.ru

СТА 4/2000

Р А З Р А Б О Т К И /К О Н Т Р О Л Ь Н О "И З М Е Р И Т Е Л Ь Н Ы Е С И С Т Е М Ы

функцией пространственных коорди

Стойка Schroff с ПК

Кабельная линия связи/питания

нат и времени. Строгие математичес

кие модели для описания топочных

процессов в котельных агрегатах отсут

ИБП

Back UPC 400

ствуют. Известные модели всегда явля

Источник питания

датчиков ±15 В

Котлоагрегат

Датчики

ются полуэмпирическими, то есть со

(16 шт.)

держат параметры, которые следует

Е 820 (БКЗ 820 140)

уточнять опытным путем.

Источник питания

На практике определение температу

модулей УСО +24 В

ры пламени сводится к усреднению по

казаний датчика во времени. Сам дат

чик, обладая конечными размерами

Преобразователь

RS 485

Модуль УСО

интерфейса

чувствительного элемента и конечной

RS 485/RS 232

ADAM 4017 (2 шт.)

постоянной времени релаксации, реа

ADAM 4520

лизует усреднение по микропульсаци

ям температуры пламени. Турбулент

Рис. 1. Структура комплекса ПИК 3

ПИРОМЕТРИЧЕСКИЙ

ные пульсации нужно усреднять, инте

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС

грируя показания датчика на времен

● регистрация пульсаций пламени (ска

ПИК 3

ном интервале, превышающем их по

неры);

Объектом внедрения ПИК 3, а также

стоянную времени. Характерное время

● методы с использованием видеокамер

предыдущих моделей комплекса явля

турбулентных пульсаций

пламени в

делятся на методы регистрации пла

ется Ново Иркутская ТЭЦ.

топке КА составляет 1 3 с.

мени в лючках и методы использова

Работы по созданию третьей модели

ния охлаждаемого перископа с вы

пирометрического

измерительного

Методы измерения

носным объективом или волоконно

комплекса ПИК 3 начались в 1997 г. В

температуры пламени

оптическим приемником;

1998 г. ПИК 3 установлен на котель

Перечислим некоторые известные

● метод лазерно индуцированной люми

ном агрегате серии Е 820 (БКЗ 820

методы наблюдения пламени и изме

несценции керамик;

140). Этот котел является головным

рения его температуры:

● спектральные методы;

котлом серии. Он обладает кольцевой

● пирометрические делятся на яркост

● волоконно оптические методы с ис

восьмигранной топкой, и его топочные

ные (сравнение цвета объекта с цве

пользованием ПЗС матриц или теле

режимы еще слабо отработаны. Пиро

том эталонной нити накаливания),

камер.

метрический комплекс позволяет из

цветовые (измерение отношения ин

Перечисленные методы освещены в

мерить, наглядно отобразить и сохра

тенсивностей излучения в двух узких

специальной литературе. Не ставя це

нить в архивах температурный режим в

полосах

пропускания),

радиацион

ли преуменьшить достоинства того

топке котла на уровне размещения дат

ные (измерение полного потока из

или иного метода, отметим, что для

чиков. Эта информация в процессе пу

лучения

в широкой спектральной

стационарных

измерений

температу

сконаладочных работ используется для

полосе);

ры пламени в условиях котельного це

установления соответствия фактичес

● термопарные используются термо

ха Ново Иркутской ТЭЦ (НИТЭЦ) из

ких режимов поведения котла расчет

парные зонды с охлаждением, чер

соображений стоимости, условий экс

ным режимам и позволяет выполнить

нотельная полость с не освещаемой

плуатации, простоты обслуживания и

необходимую корректировку топочно

прямым

излучением

термопарой

функциональности был

предложен

го процесса. При эксплуатации котла

(используется для определения теп

пирометрический радиационный ме

комплекс предоставляет возможность

лового напора на стенки);

тод.

осуществить визуальное

слежение за

равномерностью распределения тем

пературного поля в кольцевой топке и

по архивным данным проанализиро

вать предшествующие режимы.

Состав комплекса

В состав комплекса ПИК 3 (рис. 1)

входят средства сбора, передачи, обра

ботки и отображения информации:

● пирометрические датчики;

● устройства сопряжения с объектом

(УСО);

● кабельные линии связи;

● компьютерный терминал;

● программное обеспечение, работаю

щее на базе операционной системы

Windows 95 или Windows NT;

● эталонный

пирометрический дат

Ново Иркутская ТЭЦ

чик;

71

СТА 4/2000

www.cta.ru

www.cta.ru

СТА 4/2000

на специальном устройстве сравне

ность довести точность абсолютных

ния, входящем в состав комплекса.

измерений пирометрических темпера

Проверка осуществляется согласно

тур до 0,5%. Оно позволяет также вы

регламенту (раз в год перед отопитель

являть неисправные датчики.

ным сезоном) либо при неисправнос

Принцип действия устройства срав

тях датчиков по решению инженера,

нения состоит в формировании регу

ответственного за эксплуатацию комп

лируемого светового потока с опреде

лекса.

ленным спектральным составом, ими

Рис. 4. Конструктивное исполнение

Определение калибровочной харак

тирующего излучение пламени в топке

держателя с датчиком

теристики эталонного датчика прово

котельного агрегата, для засветки кон

дится институтом Госстандарта по из

тролируемого пирометрического дат

защиты датчика от выбросов тяжелых

мерениям известного потока излучения

чика. Величина светового потока опре

частиц шлака, пара, водяных струй при

от сертифицированного источника из

деляется током, протекающим через

очистке поверхностей нагрева, а также

лучения — «абсолютно черного тела».

спираль излучателя, величина которо

защищает датчик от излишнего тепла,

Разброс показаний датчиков после

го устанавливается с задатчика. Для

излучаемого топкой. Конструкция дер

выравнивания их чувствительности со

стабилизации формируемого светового

жателя не позволяет накапливаться су

ставляет не более 0,5%. Данная точ

потока используется фотоэлектричес

хой золе в отверстии лючка.

ность является определяющей для все

кая обратная связь.

Эталонный пирометрический датчик

го комплекса в целом.

Структурная схема устройства срав

Эталонный датчик хранится в мет

Устройство сравнения

нения дана на рис. 5. Общий вид уст

рологической службе предприятия и

пирометрических датчиков

ройства представлен на рис. 6. Разра

не используется в качестве штатного в

Комплекс

оснащен

устройством

ботано устройство сравнения датчиков

комплексе. Этот датчик откалиброван

сравнения штатных пирометрических

силами Центра ОКР и ВСКУ.

во Всероссийском научно исследова

датчиков с откалиброванным в инсти

тельском институте метрологии и сер

туте Госстандарта эталонным датчи

Программное обеспечение

тификации (ВНИИМС) и имеет мет

ком. Устройство сравнения необходи

Программное обеспечение (ПО) ком

рологический сертификат. Чувстви

мо для того, чтобы устранить разброс

плекса выполняет следующие задачи:

тельность штатных датчиков вырав

чувствительности штатных датчиков,

● обработка поступающей информа

нивается путем сравнения их с эта

который составляет величину 3 5%.

ции, которая заключается в проверке

лонным пирометрическим датчиком

Устройство

сравнения

дает возмож

ее достоверности, сортировке, филь

СТА 4/2000

www.cta.ru

Р А З Р А Б О Т К И /К О Н Т Р О Л Ь Н О "И З М Е Р И Т Е Л Ь Н Ы Е С И С Т Е М Ы

Матовое стекло

Корректирующий светофильтр

Держатель датчика

Излучатель

Диафрагма

Фотоприемник

Усилитель

Интегратор

Преобразователь

датчика

инвертор

напряжение ток

Контролируeмый

Фотоприемник

датчик

Задатчик

Светодиодный индикатор

±12 B

±15 B

+5 B

Стабилизированный

АЦП

источник электропитания

–5 B

Рис. 5. Структурная схема устройства сравнения датчиков

трации, выборе метода и параметров

и перепада температур в топке согласно

усреднения сигналов;

заданным настройкам. Значения тем

● пересчет показаний датчиков в зна

пературы по датчикам записываются в

чения температуры по таблице кали

таблицы архива формата Paradox.

бровки;

Типовой вид экрана монитора на ра

● оперативный контроль радиацион

бочем месте оператора комплекса

ных температур и диагностика, в ча

представлен на рис. 7. Визуально экран

стности, определение перекосов тем

разделен на несколько окон (в терми

пературного поля в топке, их визуа

нологии Windows), отображающих раз

лизация в режиме реального времени

личную информацию. Состав и распо

в виде трендов, диаграмм и таблиц;

ложение окон определяется пользова

● ведение архивов пирометрической

телем. Формы отображения различны:

информации;

диаграммы, таблицы, графики, хроно

● определение наиболее радиационно

логическая информация и схематичес

напряженных участков экранных по

кое отображение карты температур в

верхностей топки;

сечении топки котельного

агрегата.

● редактирование контрольных и наст

Дадим краткое описание вида и содер

роечных параметров;

жания каждой из форм.

● обработка архивных данных и пред

Факел — масштабируемая переме

ставление ретроспективы пиромет

щаемая форма с изображением сече

рической информации.

ния котла на отметке размещения дат

Функционально программная часть

чиков. Схематически показано направ

комплекса разделена на несколько ис

ление визирования датчиков и указаны

полняемых модулей, или приложений:

их наименования (макет размещения).

модуль реального времени, модули на

На макете помещены индикаторы те

стройки, средства работы с архивной

кущей температуры с сигнализацией о

информацией.

нарушении контрольных значений.

Весь процесс выполнения основной

Диаграмма — многостраничная фор

программы разделяется на два режима

ма с панелями индикаторов текущей

работы:

температуры. Перелистывая закладки,

● режим off line — подготовка (наст

можно сравнивать показания датчиков

ройка), пуск или рестарт,

между собой: «Линейка» — последова

● режим on line — выполнение главно

тельность значений по номерам списка

го цикла.

датчиков, «По лючкам» — группировка

В цикле реального времени основ

в две линейки датчиков, которые

ной модуль выполняет функции сбора,

«смотрят» вдоль смежной

стенки

контроля, предварительной обработки

(тангенциальные) и поперек сечения

и отображения поступающей от датчи

ков информации. Сбор данных с УСО

74

вой. Далее происходит усреднение,

Рис. 6. Общий вид устройства сравнения

сглаживание данных, контроль уровня

датчиков

www.cta.ru

СТА 4/2000

сительно базовой линии, размещение

которой зависит от выбранной группи

ровки. Форма имеет большое число

свойств, позволяющих управлять ви

дом изображения.

Хроника — форма вывода диагности

ки и сообщений, возникающих в про

цессе функционирования комплекса.

Карта температур — возможность на

стройки комплекса на различные ре

жимы и ситуации — необходимое

свойство программного обеспечения.

Интерфейс диалогового режима —

меню, панель кнопок быстрого доступа

и формы редакторов — ориентирован

на конечного пользователя: инженера

технолога (настройка параметров, ра

бота с архивом и управление выполне

нием) и оператора машиниста (только

функции экранных форм). Следует от

метить, что в целях предотвращения

нарушения работы программной части

Рис. 7. Общий вид экрана управляющего компьютера комплекса ПИК 3

комплекса доступ к меню вызова наст

(радиальные), «По углам» — аналогич

фиков, отображающее процесс изме

роек и управления ограничен и защи

на группировке на макете.

нения температуры по датчикам; 2) по

щен паролем.

Таблица — данная форма показывает

ле «перьев» — перо отображает имя

Для дальнейшего статистического

численные значения текущей и усред

датчика и текущую температуру, пока

анализа комплекс позволяет вводить и

ненной температуры по датчикам.

зывает, какому датчику соответствует

сохранять ряд параметров, определяю

График — масштабируемая форма,

график. График для каждого датчика

щих текущий режим котла: паровую

состоящая из двух полей: 1) поле гра

выводится в заданном масштабе отно

нагрузку, загрузку питателей сырого уг

СТА 4/2000

www.cta.ru

формацию из указанного источника,

Рис. 8. Просмотр архивных данных

Одним из основных средств работы с

анализирует хронологию архива и ото

архивной информацией, накопленной

бражает ее в форме календаря табли

ля, шиберов основного и вспомога

комплексом, является программа про

цы, с помощью которого можно сде

тельного воздуха, включенное или от

смотра и обработки архивных данных.

лать выборку для анализа из массива

ключенное состояние мельниц.

Общий вид программы просмотра ар

ретроспективных данных. Указав необ

хивных данных представлен на рис. 8.

ходимый период, можно просмотреть

Программа предназначена для просмо

данные архива в виде графиков темпе

www.cta.ru

СТА 4/2000

Р А З Р А Б О Т К И /К О Н Т Р О Л Ь Н О "И З М Е Р И Т Е Л Ь Н Ы Е С И С Т Е М Ы

ратур. Форма отображения

ство полученного экранными

графиков позволяет при

поверхностями тепла (рис. 10)

менять различные группи

и произвести их ранжирование

ровки датчиков, изменять

для определения первоочеред

масштаб и задавать кон

ности регламентных и ремонт

трольные уровни темпера

ных работ.

туры с целью наиболее

полной визуальной оцен

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ки температурного режима

Разработанный пирометри

топки. Группы представля

ческий комплекс эксплуатиру

ют собой логические объе

ется на котельных агрегатах

динения: тангенциальные Рис. 9. Распределение температур в топке котла E 820 при различных

Е 500 и Е 820. На основе опыт

и радиальные датчики (для регулировках (справа технологически неприемлемый перекос факела)

но промышленных испытаний

кольцевой топки), про

Распределение пирометрической температуры

комплекса сделаны выводы о

смотр данных на одной оси или раз

возможности определения с его помо

по панелям за исследуемый период

дельно; можно отслеживать показания

(15.02.2000 18.03.2000 г.г.)

щью абсолютных значений радиаци

Отметка 21,9

выборочно для каждого или несколь

онных температур факела и перекосов

Отметка 25,9

ких датчиков. Программа позволяет

температурного поля в топке котельно

Т, °С

Средняя

составить отчет за любой период вре

го агрегата как в оперативном режиме

1100

мени работы котельного агрегата и

1050

работы, так и ретроспективно при об

сформировать его в приложении MS

работке архивных данных. Наличие

Excel. Отчет представляет собой табли

1000

пирометрического комплекса делает

цу средних температур и времени пре

более безопасным контроль топочных

вышения критической температуры

950

процессов работниками котельного

(например температуры начала шлако

900

цеха. Комплекс может быть выполнен

вания) по каждой панели котельного

в мобильном (переносном) варианте и

агрегата и в целом за указанный пери

850

оснащен универсальным ПО для об

од. Время для определения этих вели

800

служивания котельных агрегатов лю

чин может варьироваться: за смену, за

бой конструкции. Также он может ис

Правая

Фронт

Левая

Задняя

сутки и за неделю. Кроме того, в состав

Панели

пользоваться для пусконаладочных ра

отчета включается информация о пара

Рис. 10. Результат обработки данных по

бот и настройки режимов горения в ко

метрах режима, что позволяет провести

котлу E 500 за месяц эксплуатации (левая

тельных агрегатах. Комплекс может

исследование их влияния на положе

панель получила максимальное количество

быть включен как структурная единица

ние факела.

тепла)

в АСУ ТП предприятия или в кон

При разработке программного обес

трольно измерительную систему ко

печения использовалась инструмен

ных, накопленных за время функцио

тельного агрегата. ●

тальная среда визуального программи

нирования комплекса на котельном аг

рования Delphi.

регате Е 820, позволил выявить ряд

ЛИТЕРАТУРА

конструктивных недостатков, впослед

1. Устройство индикации наличия факела

Результаты эксплуатации ПИК

ствии подтвержденных проектировщи

в топке котла «Факел 3М»: Техническое

на котельных агрегатах

ками. Более того, ввиду сложности уп

описание 92.2.556.048 ТО. — Киев: ПО «Со

Комплекс использовался в наладоч

равления процессом горения в ради

юзэнергоавтоматика», Центральное ПКБ,

ных режимах для настройки котла Е 820

альной топке пирометрический ком

Киевский филиал, 1987.

НИТЭЦ. По показаниям комплекса

плекс является практически единст

2. Д.М. Хзмалян, Я.А. Коган. Теория го

контролировались равномерность рас

венным инструментом, позволяющим

рения и топочные устройства. — М.: Энер

пределения факела по панелям и уровни

контролировать режим работы этого

гия, 1976. — 488 с.

температур в топочной камере. В от

котельного агрегата и повысить качест

3. Пат. № 2153654 27.07.2000. Стационар

дельных режимах со значительным пе

во оперативного управления.

ный пирометрический датчик/ А.В. Боров

рекосом факела проводились настройки

Анализ архивных данных, накоплен

ский, С.А. Дружинин.

с регулированием подачи вторичного

ных при работе комплекса на котле с

Авторы – сотрудники ОКП и ВСКУ

воздуха с целью выравнивания и норма

прямоугольной топкой Е 500 (БКЗ

и Ново)Иркутской ТЭЦ

лизации температурного поля в стацио

500 140 1), позволил оценить количе

Телефон: (3952) 21)0472, 43)6820

нарных режимах эксплуатации. Пример

отображения для оценки распределения

температур в топочной камере при раз

личных режимах показан на рис. 9.

На основании архивных данных про

ведены работы по анализу равномер

ности распределения температуры в

топке котельного агрегата при различ

ных режимах работы оборудования.

77

Статистический анализ архивных дан

СТА 4/2000

www.cta.ru