Содержание к диссертации
Введение 9
Глава 1. Анализ современного состояния теплового метода неразрушающего контроля энергетического оборудования с использованием пирометрических средств диагностики.
1.1. Современное состояние методов теплового неразрушающего контроля с использованием радиационных пирометров.
1.2. Анализ аппаратных средств пирометрического теплового метода контроля.
1.3. Особенности пирометрического теплового метода контроля качества энергетического оборудования.
1.4. Анализ требований к типовым объектам энергетики при их диагностике методами теплового неразрушающего контроля.
1.5. Анализ метрологического обеспечения аппаратных средств теплового неразрушающего контроля энергетического оборудования с использованием пирометрических средств диагностики.
1.6. Выводы по главе. 66
1.7. Постановка задач исследования. 68
Глава 2. Теоретическое обоснование процесса теплового неразрушающего контроля энергетического оборудования с использованием пирометрических средств диагностики.
2.1. Исследование физико-математической модели 'и процесса теплового неразрушающего контроля энергетического оборудования с использованием пирометрических средств диагностики.
2.2. Исследование физико-математической модели процесса измерения коэффициента излучения материалов.
2.2.1. Методы расчета коэффициента излучения металлов и диэлектриков.
2.2.2. Методы измерения коэффициента излучения.
2.3. Теоретические исследования влияния температуры сторонней засветки и пропускания атмосферы на результаты пирометрического контроля.
2.4. Выводы по разделу. °"
Глава 3. Научно-методические принципы разработки и внедрения методов и аппаратных средств теплового неразрушающего контроля энергетического оборудования.
3.1. Особенности методик теплового неразрушающего контроля различных объектов энергетического оборудования с использованием пирометрических средств измерения. 93
3.1.1. Синхронные генераторы.
3.1.2. Электродвигатели переменного и постоянного тока.
3.1.3. Силовые трансформаторы, автотрансформаторы, масляные радиаторы.97
3.1.4. Маслонаполненные трансформаторы тока (ТТ) и напряжения (ТН).
3.1.5. Выключатели (масляные, воздушные, у" вакуумные, элегазовые)
3.1.6. Разделители и отделители (РиО).
3.1.7. Вентильные разрядники и 98
ограничители перенапряжения.
3.1.8. Маслонаполненные вводы (MB). 99
3.1.9. Высокочастотные заградители (ВЗ), воздушные линии электропередачи (ВЛ).
3.1.10. Оборудование закрытых и открытых распредустройств.
3.2. Анализ инструментальных и методических погрешностей при тепловом неразрушающем контроле энергетического оборудования с использованием пирометрических средств диагностики.
3.2.1. Исследование инструментальных и методических погрешностей при тепловом неразрушающем контроле энергетического оборудования с использованием пирометрических средств диагностики.
3.2.2. Исследование влияния погрешности задания коэффициента излучения и температуры сторонней засветки на погрешность измерения температуры с использованием пирометрических средств диагностики.
3.2.3. Исследование влияния размеров 14
объекта контроля на результаты измерения температуры с использованием пирометрических средств диагностики.л
3.2.4. Анализ погрешностей при ^и измерении коэффициента излучения материалов.
3.2.5. Разработка методов компенсации погрешностей, связанных с невведением поправок на величину коэффициента излучения и температуры сторонней засветки в расчеты термодинамических температур при работе с пирометрами разных типов.
3.3. Разработка аппаратных средств теплового неразрушающего контроля энергетического оборудования с использованием пирометрических средств диагностики.
3.3.1. Разработка требований к выбору основных технических характеристик пирометрических средств диагностики.
3.3.2. Разработка требований к выбору приемника инфракрасного излучения пирометрических средств диагностики.
Разработка требований к выбору оптической схемы пирометрических средств диагностики.
Обоснование нового способа пирометрического контроля энергетического оборудования.
3.3.5. Разработка требований к выбору измерительной схемы пирометрических средств диагностики.
3.3.6. Разработка новых пирометрических средств диагностики. 173
3.4. Разработка метода и средств метрологической поверки и калибровки диагностического оборудования. 173
3.4.1. Разработка методов поверки пирометрических средств диагностики.
3.4.2. Разработка новых средств метрологии в области низких температур - модели абсолютно черного тела.
3.5. Выводы по разделу 179
Глава 4. Экспериментальные исследования процесса и внедрение теплового метода неразрушающего контроля энергетического оборудования с использованием пирометрических средств диагностики.
4.1. Экспериментальные исследования процесса выявления дефектов контактных соединений закрытых и открытых распределительных устройств с использованием пирометрических средств диагностики. 181
4.2. Экспериментальные исследования качества токопроводов закрытых и открытых распределительных устройств с использованием пирометрических средств диагностики.
4.3. Экспериментальные исследования нетоковедущих элементов энергетического обору дования закрытых и открытых распределительных устройств с использованием пирометрических средств диагностики.
4.4. Техническая и экономическая эффектив ность результатов диссертационной работы.
4.5. Перспективы развития и области применения результатов диссертационной работы.
4.6. Выводы по разделу. 203
Основные результаты работы. 206
Литература 208
Приложения 22 *
Приложение 1. Акт испытаний для целей утверждения типа и сертификационные документы пирометра С-ПО.
Приложение 2. Акт испытаний для целей утверждения типа и сертификационные документы пирометра С-210.
Приложение 3. Акт испытаний для целей утверждения типа и сертификационные документы пирометра С-300.
Приложение 4. Акт испытаний для целей утверждения типа и сертификационные документы пирометра С-500.
Приложение 5. Описание типа средств измерений- АЧТ-200.
Приложение 6. Свидетельство об аттестации 241 251
методики тепловизионной неразрушающей диагностики энергооборудования.
Приложение 7. Отзывы о приборах.
Приложение 8. Дипломы с выставок.
Приложение 9. Акт использования результатов диссертационной работы Сергеева С.С. на предприятии ООО «ТЕХНО-АС».
Приложение 10. Акт использования результатов диссертационной работы Сергеева С.С. на предприятии Технологический институт энергетических обследований диагностики и неразрушающего контроля «ВЕМО».
Приложение 11. Акт использования результатов диссертационной работы Сергеева С.С. на предприятии Петербургский энергетический институт повышения квалификации
Введение к работе
В последнее десятилетие в нашей стране резко сократились затраты на обновление парка энергетического оборудования, что привело к увеличению количества техногенных катастроф, снижению качества тепла и электроэнергии, повышению затрат на их производство.
Техногенные аварии на территории Российской Федерации с 1990 г. по 1995 г. на АЭС увеличились в 2,5 раза, на газонефтепроводах в 4,3 раза, на шахтах в 10 раз, авиа и железнодорожном транспорте в 8 раз, во всех прочих случаях в 13 раз [1].
Основные фонды энергосистем находятся в критическом состоянии. Так в АО «Пермэнерго» из 13 ТЭЦ и ГРЭС 6 полностью выработали свой ресурс, т.к. находятся в эксплуатации по 50-75 лет [2 ].
Необходимо отметить, что увеличение затрат на производство энергоресурсов ведет к снижению конкурентоспособности продукции российских предприятий, т.к. энергоемкость валового внутреннего продукта РФ в 1,8 раза выше, чем в таких развитых странах как США и продолжает расти. Например, в легкой промышленности она выросла с 1990 г. в 4,5 раза, в машиностроении - в 1,8 [ 3 ]..
Наряду с этим, со стабилизацией и ростом объемов производства возрастает потребление энергоресурсов, что приводит к увеличению нагрузки на оборудование электро-теплоэнергетики. Поддержание оборудования в рабочем состоянии, своевременное выведение его в ремонт или замена невозможна без качественной диагностики. Решение данного вопроса является важнейшей народно-хозяйственной проблемой, которая может быть решена при комплексном подходе к данной проблеме и использовании различных неразрушающих физических методов и средств контроля.
Одним из широко распространенных методов диагностики энергетического оборудования является тепловой метод неразрушающего контроля (ТМНК) с использованием тепловизиров и пирометров. Данный метод позволяет проводить диагностику энергетических объектов без отключения электроэнергии, в реальных условиях эксплуатации и бесконтактно, что существенно повышает экономическую целесообразность, достоверность и безопасность для персонала.
Более широко сегодня используются тешювизионные методы нераз-рушающего контроля энергооборудования [4-14]. Однако высокая стоимость оборудования, сложность в обслуживании и обработке результатов ограничивает широкое применение таких методов и частоту контроля оборудования. Значительно более дешевым методом является пирометрический метод неразрушающего контроля. Кроме низкой цены пирометрические приборы имеют такую же инструментальную погрешность измерения температур, что и тепловизионный. При измерении температуры с помощью пирометра прибор настраивается на коэффициент теплового излучения конкретного объекта, что снижает методическую погрешность измерений по сравнению с теп-ловизионным методом. Приборы просты в эксплуатации, надежны, имеют малые габариты и вес, что позволяет эффективно их использовать в промышленности.
Несмотря на то, что пирометрический метод теплового контроля известен достаточно давно [ 15; 16] он не получил еще широкого распространения при диагностике энергетических объектов. В первую очередь это связано с невысокой разрешающей способностью оптики ранее выпускающихся приборов, во-вторых, с недостаточной точностью и чувствительностью предыдущих модификаций приборов, а также с неправильной методикой проведения измерений и трактовкой ее результатов, с низкой квалификацией кадров, с отсутствием на отечественном рынке доступных по цене приборов.
Пирометры сегодня имеются в большинстве энергосистем, но официальное признание возможности использования пирометров для контроля энергетических объектов произошло с выпуском ОРГРЭС в 1999 г. норма тивного документа [4], в котором наряду с тепловизионным методом контроля в одном пункте упомянут и пирометрический метод. В работах [17; 18] ссылки на возможность использования пирометров расширены, однако они носят общий характер.
Анализ результатов обследований с использованием пирометров и тепловизоров [19;20;21] показал, что при улучшении технических характеристик пирометров, снижении их цены они могут эффективно использоваться в энергетике для диагностики большинства энергетических объектов.
Таким образом, актуальность настоящих диссертационных исследований обусловлена необходимостью более широкого внедрения ТМНК с использованием пирометров для повышения оперативности и эффективности диагностики энергетического оборудования.
Цель работы - снижение методической и инструментальной погрешностей пирометрического теплового метода и совершенствование пирометрических средств контроля энергооборудования.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:
1. Анализ существующих методов и средств теплового неразрушаю-щего контроля (ТНК) энергетического оборудования открытых и закрытых распределительных устройств.
2. Теоретическое обоснование процесса теплового неразрушающего контроля энергетических объектов с использованием пирометрических средств диагностики.
3. Исследование и разработка научно-методических принципов процесса ТНК энергетического оборудования.
4. Разработка аппаратных средств пирометрического теплового метода неразрушающего контроля энергетического оборудования.
5. Исследования и разработка методики и оборудования для метрологического обеспечения пирометрических средств контроля.
6. Экспериментальные исследования, натурные испытания и внедрение методики ТНК и пирометрических средств диагностики открытых и закрытых распределительных устройств электрических станций.
Методы исследования.
Анализ теоретических аспектов пирометрических методов основывается на теории излучения в инфракрасной (ИК) области спектра и базовом законе, описывающем зависимость спектральной плотности светимости от температуры и длины волны - законе Макса Планка [20;22]. Пространственная зависимость излучения - описывалась законом Ламберта. Теоретические исследования проведены на основе работ отечественных и зарубежных авторов, в числе которых Д.Я. Свет [23;24], А.И. Потапов [33], О.Н. Будадин [1;33], А.Н.Гордов [25], В.П. Вавилов [26-28], А.И. Таджибаев [20], А.В. Афонин [20,29] и др., с использованием традиционных методов статистических исследований, итерационных методов решений уравнений. Экспериментальные исследования проводились на метрологически аттестованном оборудовании с использованием современных приборов. Обработка данных проводилась на ЭВМ по стандартным и оригинальным программам, а также в редакторе MathCAD 7.0.
Предметом исследования является ТМНК энергетического оборудования и методы разработки современных инфракрасных пирометров.
Прикладные аспекты использования ИК диагностики основывались на работах B.C. Полякова, А.В. Джуруа, С.А. Бажанова, О.Н. Будадина, А.И. Потапова, а также на исследованиях коллективов предприятий - ОРГ-РЭС, Колэнерго, Ленэнерго, Оренбургэнерго, Уралэнерго, Челябэнерго, Мосэнерго.
Основой для разработки методики создания пирометрических систем послужили работы как уже перечисленных авторов, так и работы Е.И. Фан-деева, Б.В Васильева.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработано теоретическое обоснование расчета методической погрешности при пирометрическом контроле энергооборудования с учетом неопределенности задания величин коэффициента теплового излучения и температуры сторонней засветки (ТСЗ), позволившее оптимизировать выбор спектрального диапазона пирометров.
2. Получены аппроксимационные зависимости погрешности определения термодинамической температуры от неполноты перекрытия пятна контроля пирометра объектом и погрешности коэффициента излучения, позволяющие провести оценку методических погрешностей пирометрического метода на этапах планирования и обработки результатов измерений.
3. Создан способ контроля температуры подвижной лопасти модулятора, и на его основе разработаны новые конструкции двух моделей высокоточных пирометров.
4. Разработан математический аппарат и выявлены закономерности, позволяющие устранить ошибки измерения приборами, не имеющими функции ввода значений коэффициента излучения и температуры сторонней засветки.
Разработанный способ и технические решения защищены патентами №31647 от 13.05.2003 г., №35433 от 23.10.2003 г. и заявкой о выдаче патента «Пирометрический способ измерения температуры объекта» № 2003128577\28 от 13.05.2003 г.
Практическая значимость работы состоит в следующем: 1. Разработаны и реализованы в промышленности методика и пирометрические программно-аппаратные средства, обеспечивающие проведение теплового неразрушающего контроля деталей и узлов энергетического оборудования с обнаружением дефектов и определением их характеристик.
2. Разработаны требования к точности аппаратных средств при экспериментальном определении величины коэффициента излучения материалов.
3. Проведена метрологическая аттестация методики ТНК энергооборудования с использованием тепловизоров и пирометров, позволяющая проводить диагностику более 20 видов энергооборудования .
4. На основе изложенных методик создано 17 моделей пирометров, 3 модели абсолютно черного тела (АЧТ). Приборы прошли госиспытания, внесены в государственный реестр средств измерений и организован их серийный выпуск, в т.ч. пирометров «С-300» (ТУ 4211-007-42290839-2003); «С-500» (ТУ 4211-008-42290839-2003); «С-110», «С-210» (АС.07.000.00.ТУ); модели абсолютно черного тела - «АЧТ-200» (ТУ 4211-012-42290839-01).
5. Разработанные и производимые пирометрические программно- аппаратные средства и методы ТНК энергетического оборудования нашли применение более чем на 1000 предприятиях различных отраслей промышленности для организации контроля качества деталей и узлов энергетического оборудования с обнаружением дефектов и определением их характеристик, а также при организации промышленного производства пирометрических приборов и поверочного оборудования (ЗАО «Колинт», ООО «Интеко», ООО «ТЕХНО-АС»). Выпускаемые пирометры используются в энергосистемах Мосэнерго, Ленэнерго, Иркутскэнерго, на Чернобыльской АС, Ленинградской АС и др.
Методика тепловизионной неразрушающей диагностики электрооборудования/ О.Н. Будадин, Е.В. Абрамова, О.С. Крутогоров, С.С. Сергеев, Е.А. Рулев: Утв. деп. энергетического надзора МЭ РФ 19.08.03.-М.:ТИЭОДНК «ВЕМО»,2003.-27 с.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Методическая погрешность пирометрического теплового метода может быть снижена в 4-8 раз за счет использования пирометров в спектральном диапазоне 3-5 мкм вместо широко применяемого диапазона 8-14 мкм.
2. Инструментальная погрешность средств пирометрического контроля может быть заметно уменьшена при использовании предложенного нового способа измерения температуры, позволяющего контролировать температуру подвижного модулятора.
3. Результативность пирометрического теплового метода контроля энергетического оборудования существенно повысится при использовании полученных аппроксимационных соотношений на этапах планирования и обработки результатов измерений, учитывающих неточности в задании значения коэффициента теплового излучения и величину заполнения области контроля пирометра объектом.
4. Погрешности измерения пирометрами, не имеющими функции ввода значений коэффициента излучения и температуры сторонней засветки, могут быть значительно снижены путем применения разработанного математического аппарата и выявленных в работе закономерностей.
Апробация результатов исследования.
Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на семинарах и конференциях:
1. Семинар РАО «ЕЭС России» «Охрана труда в энергетике-99», г.Москва, 7-11 июня 1999 г.
2. Российская научно-практическая конференция «Проблемы учета и управления потреблением энергоресурсов в рамках административно- территориальных образований и промышленных предприятий», г. Зеленоград, 19-21 сентября 2000 г.
3. 13-й постоянно действующий семинар «Методы и средства оценки состояния энергооборудования» по теме: «Современные проблемы инфракрасной термографии», г. С.-Петербург, 26-30 сентября 2000 г.
4. Международная конференция «Практика и перспектива энергосбережения в Финляндии», г. Хельсинки, 15-17 марта 2001 г.
5. Международная конференция «Энергосбережение: опыт единой Европы и новые инвестиционные возможности России», г. Барселона, 11-12 июня 2001 г.
6. Первая всероссийская конференция по проблемам термометрии «Температура-2001», г. Подольск, 13-15 ноября 2001г.
7. 17-й постоянно действующий семинар «Методы и средства оценки состояния энергооборудования» по теме: «Методы и средства оценки состояния энергетического оборудования, зданий и сооружений на основе приема излучений в инфракрасном спектре», г. С.-Петербург, 1-5 апреля 2002г.
8. Научно-практическая конференция «Экономика энергосбережения», г. Москва, 1-2 июля 2002 Т.
9. 10-я международная конференция «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики», г. Ялта, 30 сентября-4 октября 2002 г.
10. Международный симпозиум «Электротехника и электроэнергетика XXI века», г. Москва, 30 октября-1 ноября 2002 г.
11. 2-я международная научно-практическая конференция «Автоматизированные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии», г.Москва, 3-5 декабря 2002 г.
12. Всероссийский энергетический форум «ТЭК России в XXI веке», г.Москва, Гос. Кремлевский дворец, 18-19 декабря 2002 г.
13. Международный семинар «Радиационные измерения истинной температуры тел с неизвестной излучательной способностью», г. Москва, 3-6 ноября 2003 г.
14. Вторая всероссийская конференция по проблемам термометрии «Температура 2004», г. Обнинск, 22-25 марта 2004 г.
Материалы настоящей работы опубликованы в 1 монографии, 1 учебном пособии, 2 патентах, 1 заявке на патент, 11 печатных работах, а также докладывались на 14 международных и национальных конференциях и семинарах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов, списка литературы, включающего 140 наименований, и приложений. Основной текст диссертации содержит 207 страниц, в том числе 43 страницы иллюстраций, 22 таблицы. Библиография содержит 140 наименований. В приложении помещены документы по метрологической аттестации и внедрению созданных методов и средств контроля, отзывы и дипломы.
При работе над диссертацией большая помощь автору была оказана д.т.н., профессором Потаповым Анатолием Ивановичем, работы по диагностике энергетического оборудования были инициированы ректором ПЭИПК Таджибаевым Алексеем Ибрагимовичем, работа претерпела ряд изменений после критических замечаний д.т.н. Будадина Олега Николаевича и д.т.н. Музалевского Анатолия Александровича. Автор выражает всем им глубокую благодарность за помощь в работе, а так же благодарит инженера Мосэнерго Снеткова А.Ю. за содействие в проведении исследования энергооборудования и всех сотрудников фирмы «ТЕХНО-АС» за их нелегкий труд по сохранению наукоемкого отечественного производства и внедрение отечественных измерительных приборов в промышленность.
