Krystyna DYSZLEWKA
Instytut Techniki Cieplnej, Łódź
AKUSTYCZNY SYSTEM NADZORU SZCZELNOŚCI KOTLA - DOŚWIADCZENIA EKSPLOATACYJNE
S tre s z c z e n ie . Przedstaw iono ogólną koncepcję nadzoru szczelności kotła. Przeanalizow ano możliwość oceny s ta n u technicznego powierzch
ni ogrzewalnej kotła n a podstaw ie sygnału akustycznego. Opisano sy
stem diagnostyczny zainstalow any i eksploatow any w EC—3 Łódź.
ACOUSTIC SYSTEM FOR IN SPECTIN G TH E BOILER TIGHTNESS OPERATIONAL EXPERRIENCES
S u m m a ry . G eneral conception of inspecting th e boiler tig h tn ess has been presented. Possibility of evaluation of th e technical s ta te of a boiler h e a tin g surface on th e ground of an acoustic signal h a s been analysed. Diagnostic system , w hich is in stalled and operated in h eatin g power statio n E C -3 in Lodz h a s been described.
AKYCTHRECKASI CHCTEMA HAR30PA rEPMETHRHOCTHH KOTJIA.
OKCnjIYATAHHOHHblE OnblTbl
Pe3K)Me. n p e ą c T a ó i i e H o o ó i ą y i o K O H ą e n ą m o naą3opa i’C P m c t h m h o c t h KOTJia. n p O aH ajT H 3 H p O B aH O B03M0XCH0CTH O gCH bl TCXHUMCCKOrO COCTOHHHH H c n a p H T e jiB H O H n o B e p x H o c m H a r p e B a K o r n a na o c H O B a m m a K y c r a u e c K o r o curHajia. O n u c a H O ąn a rH O C T M M e c K n ó chctcm, K O T o p u ó y cT aH O B JieH h 3 K c n jiy a T H p o B a H b TOIf—3 JIoą3.
1. W STĘP
W energetyce pewność działania u rządzeń oraz skrócenie przestojów po- awaryjnych m ają duże znaczenie ekonomiczne. Do grupy zagadnień nieza
wodnościowych należy problem wczesnego w ykrycia nieszczelności powierz
chni ogrzewalnej kotła (podgrzewacza wody i przegrzew acza pary). Nieszczel
ność w pierwszej fazie stanow i otwór lub szczelinę o przekroju 1 mm. Wypły
160 Krystyna Dyszlewska
wające pod znacznym ciśnieniem woda i p a ra powodują nie tylko powiększe
nie szczeliny, ale także erozję sąsiednich ru rek. Proces zaczyna przebiegać w sposób lawinowy, a zniszczenia w tórne w iążą się ze znacznym i uszkodzeniami powierzchni ogrzewalnej kotła.
Opracowany w Instytucie Techniki Cieplnej w Łodzi system wczesnego w ykryw ania nieszczelności umożliwia:
a) obniżenie kosztów napraw poawaryjnych poprzez ograniczenie zniszczeń w tórnych kotła,
b) skrócenie poawaryjnego postoju kotła,
c) określenie rejonu w ystąpienia nieszczelności n a podstaw ie analizy sygnału akustycznego,
d) określenie rodzaju uszkodzenia (pierwotne lub w tórne) oraz wybranie najkorzystniejszego czasu odstaw ienia kotła.
2. IDENTYFIKACJA NIESZCZELNOŚCI METODĄ AKUSTYCZNĄ
Problem wczesnego w ykryw ania przecieków polega n a znalezieniu odpo
wiedzi n a pytanie, czy w sygnale akustycznym em itow anym w ew nątrz kotła istn ieją cechy umożliwiające wykrycie i ocenę sta n u powierzchni ogrzewalnej.
Chodzi przede wszystkim o jednoznaczne określenie n a podstaw ie wybranej cechy sygnału akustycznego chwili pojaw ienia się nieszczelności w w arun
k ach eksploatacyjnych kotła, tj. niezależnie od poziomu jego szum u własnego.
Drugi w aru nek skutecznego działania wybranej estym aty sygnału akustycz
nego powinien umożliwić rozpoznanie nieszczelności praktycznie niezależnie od m iejsca w ystąpienia.
F ala akustyczna w ystępująca w ew nątrz ko tła w czasie aw arii powstaje na skutek wypływu czynnika, z nagłym rozszerzeniem przekroju. G eneracja syg
n a łu diagnostycznego, związanego z wypływem p ary przez otwór, w obszarze w ew nętrznym kotła je s t typowym zjawiskiem aerodynam icznym . Widmo h a
łasu je s t szerokopasmowe i powstaje n a sk u tek nałożenia się dwóch szumów:
— szum u tła, wywołanego n orm alną p racą ko tła (szum spalania, praca wen
tylatorów i innych urządzeń pomocniczych),
— szum u wywołanego wypływem czynnika roboczego z uszkodzonej rurki.
Analizę sygnału m ożna przeprowadzić wykorzystując podstawowe zależno
ści rachunku prawdopodobieństwa i analizy widmowej. Wybór estym aty oraz param etrów przecieku poprzedzono licznymi próbam i sym ulacyjnym i w w a
ru n k ach ruchowych i laboratoryjnych. W yboru estym at przecieku dokonano korzystając z w yraźnych i jednoznacznych cech sygnału diagnostycznego przy stosunkowo łatw ym sposobie ich uzyskania. Porównując widmo szum u kotła spraw nego z widmem z sym ulow aną nieszczelnością (rys. 1), łatwo daje się zauważyć zm ianę amplitudowo-częstotliwościowej postaci widma.
Rys. 1. Wpływ w ystąpienia nieszczelności k otła O P -230 n a zm ianę am plitudow ą postaci w idm a
Fig. 1. Influence of leakage of O P-230 boiler on am plitude change of spectrum form
C harak tery sty k a zależy od wielkości otworu i p aram etró w wypływającego czynnika. Identyfikuje się to w widm ie am plitudow ym w ystąpieniem pewnych poziomów ciśnienia akustycznego L w specyficznym zakresie częstotliwości f.
Szum zw iązany z norm alną, praw idłow ą p racą k o tła m a widmo niskoczęstotli- wościowe, o znacznej gęstości widmowej dla częstotliwości do 1000 Hz i pozio
mie ciśnienia nie przekraczającym 70 dB.
Obserwowane składowe dyskretne w ynikają z tonalnej ch araktery sty k i pracy urząd zeń pomocniczych (przede w szystkim wentylatorów ). W ystąpienie nieszczelności wiąże się z pojaw ieniem się składowych w średnim i wysokim zakresie częstotliwości słyszalnych, tj. powyżej 1500 Hz, o poziomie ciśnienia akustycznego znacznie przekraczającym poziom szum u k o tła spraw nego. Am
plituda i zakres częstotliwości sygnału nieszczelności zależą od:
- pola powierzchni i k sz ta łtu nieszczelności,
- odległości p u n k tu pomiarowego od powstałej nieszczelności.
Pierw sze składowe dyskretne, będące skutkiem uszkodzenia ru rek , zaob
serwowano dla częstotliwości (1200 - 1700) Hz, przy czym zakres częstotliwo
ści zależał od wielkości otworu.
162 Krystyna Dyszlewska
A m plituda sygnału z otworem o średnicy 1 mm, przy pom iarze w odległości 1,5 m od nieszczelności wynosiła 100 dB. Odsunięcie p u n k tu pomiarowego na odległość 10 m powodowało zm niejszenie sygnału do poziomu 90 - 95 dB (poziom dźwięku szum u kotła spraw nego wynosił 70 dB).
Analizę sygnału diagnostycznego przeprowadzono tra k tu ją c sygnał wycie
k u jako stacjonarny proces losowy. Przeanalizow ano możliwość wykorzysta
n ia tak ich funkcji specjalnych ja k funkcja autokorelacji, gęstości widmowej mocy, koherencji. Przydatność w w aru n k ach ruchowych tych funkcji okazała się znacznie m niejsza niż pro sta an aliza widm owa sygnału, w ybrana jako podstawowy sygnał diagnostyczny.
O kreślenie jednoznacznego w idm a szum u w ym aga rozw iązania problemów technicznych związanych z ustaleniem w artości czasu u śred n ian ia, szerokości pasm a przepuszczalności filtru i długości czasu zapisu sygnału. Właściwy dobór tych param etrów decyduje o w artości niepewności pomiarowej, przy czym istotnym czynnikiem je s t długość zapisu i szerokość pasm a przepuszcza
n ia filtru.
Dokładność wzajemnego odwzorowania w dziedzinie czasu i częstotliwości określana je s t w zasadzie nieoznaczoności. Niemożliwe je s t osiągnięcie równo
cześnie dużej rozdzielczości częstotliwościowej sygnału przy długim czasie analizy, gdyż wymagałoby to precyzyjnego określenia zak resu częstotliwościo
wego przewidywanego sygnału losowego. Spełnienie tych w ym agań dla uzy
sk an ia m inim alnej niepewności pomiarowej, a tym sam ym możliwie precyzyj
nego określenia czasu i m iejsca w ystąpienia nieszczelności praktycznie elimi
nuje funkcję autokorelacji, koherencji i gęstości widmowej z zastosow ań pra
ktycznych.
3. OPIS FUNKCJONALNY AKUSTYCZNEGO SYSTEMU NADZORU SZCZELNOŚCI KOTLA
Działanie system u oparte je s t n a ciągłym zbieraniu i analizow aniu sygna
łów akustycznych em itow anych przez pracujący kocioł. Pojawienie się nie
szczelności w powierzchni ogrzewalnej zm ienia k sz ta łt w idm a sygnału diag
nostycznego, co jest natychm iast wykryte przez układy analizujące systemu i przekazane personelowi obsługi kotła w formie sygnalizacji wystąpienia awarii.
Schem at blokowy system u, w którego skład wchodzą n astępujące zespoły, przedstaw iono n a rys. 2:
- zespół punktów pomiarowych, - blok sterująco - analizujący,
- blok kom unikacji i sygnalizacji aw arii, - zespół chłodzenia mikrofonów.
Rys. 2. Schem at blokowy system u akustycznego nadzoru szczelności k o tła O P -230 w E C -3 Łódź
Fig. 2. Błock diagram of acoustic system of O P-230 boiler leak tig h tn ess in E C -3 Łódź
Z esp ół p u n k tó w p o m ia r o w y ch składa się z k ilk u n a stu mikrofonów poje
mnościowych (typowo 16 - 20 szt.) w specjalnych obudowach, zainstalow a
nych n a powierzchni kotła w m iejscach najbardziej narażonych n a awarię.
Mikrofony wyposażone są w elem enty stanow iące zespół filtrów i wzm ac
niaczy akustycznych, modyfikujące w stępnie widmo sygnału szum u em itow a
nego przez pracujący kocioł. Sygnał te n po w zm ocnieniu i w stępnym przetw o
rzeniu przekazyw any je s t za pośrednictw em długich linii transm isyjnych, wyposażonych w nad ajnik i do u k ład u analizującego system u.
164 Krystyna Dyszlewska
B lo k ste r u ją c o -a n a liz u ją c y zam knięty je s t w pyłoszczelnej obudowie i umieszczony bezpośrednio przy kotle. W jego skład wchodzą pakiety analogo
we, jedn ostk a pom iarowa IBM z k a rtą przetw orników A/C i procedurą FFT oraz lokalny sterownik.
Blok steruj ąco-analizujący realizuje kom utację, standaryzację i przetwa
rzanie cyfrowe sygnałów pomiarowych, dokonuje ich analizy częstotliwościo
wej porównując uzyskane w yniki z zadanym i w artościam i progowymi, a wyni
ki obliczeń przekazuje do jednostki nadrzędnej system u.
Połączenie m iędzy blokiem sterująco-analizującym a jed n o stk ą nadrzędną, znajdującą się w n astaw n i bloku energetycznego, zrealizow ane je s t w ukła
dzie pętli prądowej, zabezpieczającej bezzakłóceniową tra n sm isję przetworzo
nych sygnałów pomiarowych n a znaczną odległość w w aru n k ach silnych za
kłóceń elektrom agnetycznych.
Blok steruj ąco-analizujący nie w ym aga obsługi ze strony użytkow nika, z w yjątkiem m om entu uruchom ienia system u po przerw ie w jego pracy.
B lo k k o m u n ik a c ji i s y g n a liz a c ji a w a r ii znajduje się w n astaw n i bloku energetycznego. Tworzy go m ikrokom puter IBM (jednostka nadrzęd n a syste
m u) z m onitorem i k law iaturą, za pośrednictw em której realizow ana jest kom unikacja personelu obsługi kotła z system em . Do w yboru możliwe są dwie opcje prezentow ane graficznie n a ekranie m onitora:
- pierw sza inform uje o bieżących w artościach sygnałów akustycznych emito
w anych przez kocioł w poszczególnych p u n k tac h pomiarowych,
- dru ga pozwala śledzić uśrednione zm iany tych w artości w dłuższym prze
dziale czasowym, co daje obraz tendencji szumowych kotła.
Przekroczenie poziomu alarmowego w którym ś z punktów pomiarowych, spowodowane pojawieniem się nieszczelności, sygnalizow ane je s t w sposób optyczny i dźwiękowy aż do m om entu potw ierdzenia przyjęcia zgłoszenia o aw arii przez personel obsługi kotła.
Z esp ół c h ło d z e n ia m ik r o fo n ó w zabezpiecza podzespoły mikrofonowe przed szkodliwym działaniem wysokich te m p e ra tu r panujących wewnątrz k otła i n a jego powierzchni. Chłodzenie mikrofonów odbywa się w sposób ciągły za pośrednictw em wymuszonego obiegu pow ietrza doprowadzanego do mikrofonów przez instalację chłodzącą wyposażoną w odwadniacz, odolejacz i filtr. Szum opływu mikrofonów przez powietrze chłodzące elim inowany jest przez specjalne tłum iki akustyczne redukujące jego poziom w użytecznym paśm ie częstotliwości do w artości nie zniekształcających w sposób istotny w idm a rzeczywistego szum u kotła.
U zupełnieniem system u je s t oprogram owanie umożliwiające:
- przełączenie kanałów pomiarowych, - akwizycję sygnałów pomiarowych,
- dokonywanie analizy FFT sygnałów (2048 punktów , zakres do 6,.5 kHz, ok n o H anninga),
- w ysyłanie wyników analizy FFT do k o m p u tera nadrzędnego, - część dem onstracyjna system u.
Dla potrzeb bezpośredniej obsługi system u przygotowano część dem on stra
cyjną program u. N a m onitorze w n a sta w n i obserwowany je s t obraz graficzny kotła z zaznaczonymi p u n k tam i pom iarowym i. W yróżniany je s t pu n k t, w którym wykonyw any je s t ak tu a ln ie pom iar, podaw ana je s t w artość am plitudy i częstotliwości środkowej analizow anego p asm a szum u kotła. Część dem on
stracyjną system u ilu stru ją rys. 3 i 4.
10 kan. 11 wzm.= 7
c .
| I
2 3 4 5 kHz
Rys. 3. Widmo sygnału akustycznego obserwowane w nastaw ni: a) kocioł spraw ny, b) w łą
czone zdmuchiwacze parow e
Fig. 3. S pectrum of acoustic signal observed in control room: a) properly operating boiler, b) tu rn e d on steam soot blowers
4. UWAGI EKSPLOATACYJNE
System akustycznego nadzoru szczelności k o tła zainstalow ano w E C -3 w Łodzi n a kotle O P-230. Po okresie ru ch u próbnego w styczniu br. układ oddany został do ciągłej eksploatacji. O kres dwóch la t eksploatacji system u
166 Krystyna Dyszlewska
Rys. 4. Część dem onstracyjna system u - obraz graficzny k otła Fig. 4. D em onstrative p a rt of system - graphical im age of boiler
pozwolił n a zebranie informacji pozwalającej przeprow adzić modernizację u k ładu pod kątem większej pewności ruchowej.
Pierw sza w ersja u kładu została uzupełniona o n astępujące elem enty:
- zespół filtracyjny, zapew niający przepływ czystego technologicznie powie
trz a w układzie mikrofonów,
- wyeliminowano blok sterow ania chłodzeniem mikrofonów; m ikrofony chło
dzone są w sposób ciągły, a szum wypływu został ograniczony tłum ikiem absorpcyjno-labiryntow ym ,
- w celu zapew nienia większej odporności system u n a zakłócenia elektro
m agnetyczne każdy z torów mikrofonowych wyposażono w nad ajnik i linii, - wymieniono konw ertery, firm y ORVALDI w torze cyfrowym system u na
konw ertery YUKO, dostosowując do nich program tra n sm isji danych.
P raca zainstalow anego w E C -3 Łódź i eksploatowanego system u akustycz
nego nadzoru kotła je s t w dalszym ciągu analizow ana pod k ątem poprawienia spraw ności ruchowej i jednoznaczności sygnału diagnostycznego. Okresowa kontrola torów pomiarowych pozwala n a korektę sygnału w przypadku znacz
nej zm iany szum u urządzeń pomocniczych kotła. Oprogram ow anie je s t mo
dernizow ane n a potrzeby operatorów. N ależy podkreślić pozytywne nastaw ie
nie pracowników obsługi technicznej E C -3, um ożliwiające zebranie ta k duże
go m ate ria łu porównawczego. Pozwoliło to n a w yelim inow anie „słabych” ele
m entów układu, podwyższając w w yraźny sposób jego niezawodność.
LITERATURA
[1] Dyszlewska K.: Przygotow anie m etody diagnozow ania nieszczelności w kotłach energetycznych n a podstaw ie sygnału akustycznego. Spr. ITC nie publ. n r 5775, 5813, 5839, 1990.
[2] Dyszlewska K., Km in J., P ietrzak P.: A kustyczny system diagnozow ania nieszczelności powierzchni ogrzewalnej k o tła O P -230 w E C -3. Łódź, Spr. ITC nie publ. n r 5900, 5960, 5995, 1991.
[3] Dyszlewska K., Podsędkowski A., Jurew icz St.: System diagnozow ania nieszczelności podgrzewacza wody i przegrzew acza p a ry dla ko tła O P - 430. Spr. ITC, nie publ. n r 5857, 6047, 1992.
[4] Dyszlewska K., Jurew icz St.: System diagnozow ania nieszczelności po
w ierzchni ogrzewalnej kotłów energ. n a podstaw ie sygnałów akustycz
nych i term icznych. GPiE, n r 7/92.
Recenzent: Prof. d r hab. inż. G erard KOSMAN
Wpłynęło do Redakcji 10. 08. 1994 r.
A bstract
Securing of failure - free operation of power boilers belongs to a group of diagnostic problems. System of acoustic inspection of th e boiler tig h tn ess should enable th e economical work of a boiler. C ontinuous observation of th e state of h eatin g surface practically excludes secondary failures. Also th e tendency function affords possibilities for w ith draw al of th e boiler from service on th e economically reasonable way.
The system worked out by ITC, h a s been comm issioned after experim ental operation. In a prelim inary period, th e electronic circuits and com puter program s have been passed to th e req u irem en ts of th e user. Also th e reliability of th e whole system h a s been increased.
