CC BY
18
УДК 621.891.2
МЕТОД И УСТРОЙСТВО БЫСТРОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ЛЕТУЧИХ ПРИМЕСЕЙ В МАСЛАХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
В.В. ШАНГИН*, В.Г БУХМАН*, П.В. СКРИПОВ**, А.А. СТАРОСТИН*
*Совместная лаборатория теплотехники Института теплофизики УрО РАН и
филиала "Среднеуральская ГРЭС" ОАО "Энел ОГК-5" **Уральский институт государственной противопожарной службы МЧС РФ
Разработан метод обнаружения летучих примесей в маслах вне зависимости от природы примеси. Создано автоматическое устройство быстрого обнаружения летучих примесей, включая их следовые количества, в маслах энергетического оборудования с возможностью накопления данных за длительный период.
Ключевые слова: масла, летучие примеси, импульсный нагрев, мониторинг.
Свойства масла существенно определяют надежность и долговечность тепло- и электросилового оборудования. Известная проблема связана с изменением состава (следовательно, и свойств) масла как в технологических процессах, так и в процессах его транспортировки, хранения и регенерации. Укажем, для примера, на гигроскопичность синтетических масел холодильной техники, аэрацию и обводнение масла при работе турбоагрегатов и компрессоров тепловых электростанций, образование агрессивных кислот в обводненном масле, терморазрушение углеводородных компонентов в термически напряженных циклах. Загрязнение масла летучими примесями вызывает непропорционально сильное снижение качества масла. Несвоевременность принятия мер в таких условиях может приводить к отказу техники [1], что подтверждается анализом ежегодных обзоров повреждаемости оборудования по электростанциям России. Определенная техническая оснащенность нужна для ориентирования на рынке смазочных материалов, насыщенном продукцией с различной «предысторией» и с различным уровнем технологической дисциплины производителей.
В этой связи актуально внедрение средств быстрого контроля качества масел. Такие устройства востребованы в процессе производства, хранения, транспортировки продукции, на стадиях заправки агрегата (входной контроль) и его эксплуатации (текущий контроль), в первую очередь, на удаленных от специализированных лабораторий объектах. Потенциальные потребители -предприятия энергетики, металлообработки, транспорта и регенерации масел.
Для контроля влаги (наиболее распространенной примеси) в маслах применяют методы прямого химического анализа, косвенные и комбинированные методы. Методы прямого анализа точны, но имеют узкую специализацию и высокую стоимость расходных материалов. Методы косвенного контроля отслеживают некоторый физический параметр среды, изменяющийся известным образом при изменении содержания примеси. Эти методы сравнительно быстры, но не вполне пригодны для организации непрерывного контроля качества масла в критичных точках технологической схемы. Установки косвенного контроля «не настроены» на летучие примеси другой природы - растворенные газы, продукты терморазрушения, кислоты, образующиеся в результате обводнения и пропаривания масла. Данные обстоятельства послужили мотивацией для разработки нового метода экспресс-контроля. Метод основан на анализе отклика среды на кратковременное и сосредоточенное в объеме тепловое воздействие и
© В.В. Шангин, В.Г. Бухман, П.В. Скрипов, А.А. Старостин Проблемы энергетики, 2010, № 7-8
предназначен для выявления широкого класса летучих примесеи в потенциально опасных узлах маслосистемы.
Цель работы состояла в разработке метода и устройства быстрого обнаружения летучих примесей, растворенных в маслах теплоэнергетического оборудования. Требования к методу - быстродействие (~ 1 с), чувствительность к малому содержанию летучих примесей вне зависимости от природы примеси (~ 0,001 % по воде), незначительность методически вносимого возмущения; требования к устройству - технологическая совместимость и автономность.
Выбор подхода
Основой разработки послужили результаты исследования перегрева (относительно температуры равновесия жидкость-пар) и спонтанного вскипания многокомпонентных жидкостей в процессах импульсного тепловыделения [2, 3]. Поиск теплового режима, наиболее подходящего для решения поставленной задачи, выполнен с помощью метода управляемого импульсного нагрева тонкого проволочного зонда - термометра сопротивления [3, 4].
Суть измерений состоит в записи параметров отклика на импульсное тепловыделение в масле при заданных параметрах функции нагрева. Источником тепла и одновременно чувствительным элементом служит проволочный зонд диаметром 20 мкм. В опытах сопоставляются амплитудные и временные параметры отклика в реальном образце и в некоторых «калибровочных» образцах масла с известным содержанием примеси. Особенность подхода состоит в том, что сопоставление проводится для не вполне устойчивого состояния вещества,
перегретого не только относительно температуры равновесия жидкость-пар
*
летучей примеси, но и относительно температуры ее спонтанного вскипания Тл (температуры достижимого перегрева [5]) при заданных значениях давления р и длительности нагрева до вскипания t*. Значение температуры зонда на участке
у \ * *
измерений Тз = Т(( > ti) выбирается в области температур между Тл и Тм , где индекс «л» относится к летучей примеси, индекс «м» - к чистому маслу. Обнаружено, что именно в условиях высоких перегревов (тз ^ Тм (р, t)) формируется связанный со вскипанием воспроизводимый отклик на появление в системе летучей примеси вне зависимости от ее природы. В соответствии с этим
результатом и был выбран подход к обнаружению летучих примесей в маслах.
*
Для изученных нами минеральных масел различных наименований значение Тм
(p = 0,1 МПа; t » 1 мс) изменялось в пределах от 600 К до 700 К.
Опыты показали, что наиболее удобным способом обнаружения летучих примесей в маслах является сопоставление параметров отклика в режиме термостабилизации импульсно нагретого зонда, Tst = T(t > » const [3, 4], на
фоне спонтанного вскипания «грязного» масла, т.е. при t > t*(c; Tst), где c -концентрация летучих примесей. Имеет значение характерная для данного режима крутизна зависимости tL (c), где tL - время жизни жидкой фазы (t*-
при заданной температуре Tst, а также нарушение монотонности кривой мощности нагрева P(t > t1), сопровождающее вскипание [3, 4]. Эти обстоятельства
создали основу для обнаружения содержания примеси на уровне следов, например, единиц миллиграммов влаги в 1 кг масла. Продолжительность измерения составляет 10-3 с, перегреваемый объем масла составляет 10-2 мм-3 по порядку © Проблемы энергетики, 2010, № 7-8
величины.
Методика измерений
На основе выбранного теплового режима зонда и из соображений удобства автоматизации измерений была разработана методика косвенного контроля летучих примесей [6, 7]. Методика состоит в определении характерного отрезка времени рис. 1, продолжительность которого связана с
термоустойчивостью импульсно нагретого микрообъема масла (7) и, в итоге, с
содержанием летучих примесей А( (7) = /(с).
Рис. 1. Схема методики измерений: ток через зонд и характерное изменение температуры зонда в "чистом" масле > ¡1тр, сплошная кривая) и в "грязном" масле < ¡1тр, пунктирная кривая). Здесь ¡*(Т1) - момент спонтанного вскипания. Длительности первого (¡0 — ¡1) и второго (¡1тр) участков нагрева составляют 10-5 с и 10-3 с по порядку величины, соответственно
Согласно выбранной методике нагрев производится в два этапа. На первом этапе осуществляется быстрый перевод жидкости в область повышенной чувствительности к содержанию летучих примесей. За отрезок времени * о—¡1
температура зонда, а следовательно и температура пристеночного слоя жидкости,
*
возрастают до заданного значения температуры 71 ^ Тм . Значение температуры
*
спонтанного вскипания чистого масла Тм принимается за границу сверху для
значений Т1. Второй этап состоит из процесса «остывание - повторный нагрев до
значения 71» с отклонением температуры зонда Т( —*2) от значения 7 на
единицы градусов. Этот этап является измерительным, т.к. длина отрезка А(, выбранная в качестве измеряемого параметра, зависит от содержания летучих примесей. В опыте предусмотрено пошаговое повышение температуры Т1 вплоть
до спонтанного вскипания масла на измерительном интервале (**< ¡¡^) при характерном значении 7* . Вскипание сопровождается всплеском интенсивности
теплообмена зонда со средой, что приводит к существенному увеличению (на порядок величины) значения измеряемого параметра А( и, как следствие, к характерному излому на гладкой зависимости А( (Т1). Пороговый характер изменения А( (7) при вскипании способствует увеличению точности определения
значения 7^ и, следовательно, чувствительности метода в целом. Повышение содержания летучей примеси проявляется в монотонном снижении характерного значения 71* (с). Этот результат стал основой методики измерений.
Устройство быстрого обнаружения летучих примесей
На базе микроконтроллера Microchip PIC16F877 разработано автономное устройство для быстрого обнаружения летучих примесей в маслах по представленной выше методике. Оно состоит из измерительного блока и выносного датчика, рис. 2. Блок-схема устройства представлена в работе [7]. Чувствительным элементом датчика является нагреватель-зонд, который погружается в жидкость. Зонд представляет собой платиновую проволочку диаметром 20 мкм и длиной 3 мм, смонтированную на подложке из фольгированного текстолита размером (50x5x1) мм. Датчик снабжен подвижной арматурой, конструктивные особенности которой подбираются с учетом условий потока в маслосистеме. Измерительный блок выполняет функции управления измерениями и записи результатов. Применение в составе устройства интегрального таймера DS1302 с поддержкой питания на ионисторе и микросхем памяти долговременного хранения 24LC512 позволило использовать устройство в режиме автономного программируемого минирегистратора. Объем установленной памяти позволяет записать до 9000 отсчетов. Интервал времени между отсчетами программируется в диапазоне 5 - 255 с и обеспечивает возможность автономной работы от нескольких суток до нескольких месяцев. Накопленные данные сохраняются при полном отключении от внешних источников питания.
Рис. 2. Внешний вид устройства: 1 - фото измерительного блока; 2 - арматура зонда; 3 - маслосистема; 4 - устройство сопряжения; 5 - компьютер
Микроконтроллер работает в двух режимах: в режиме измерения и режиме съема данных. В первом режиме производятся измерения входного сигнала, определение текущего значения 7^ и сохранение результатов в памяти. Измерение
параметров входного сигнала осуществляется встроенным модулем 10-разрядного аналого-цифрового преобразователя. Для сохранения результатов используется микросхема энергонезависимой памяти объемом 512 кБ. В режиме съема данных происходит передача данных из микросхемы памяти в компьютер через СОМ-порт. Прием и обработка данных проводится с помощью специально написанной программы. Программа позволяет строить графики изменения температуры зонда во времени 7( * - *2) при пошаговом повышении значения 71, вплоть до характерного
значения 71*, и сохранять результаты в виде файлов.
Калибровочные измерения. Косвенный характер метода предполагает проведение калибровочных измерений на чистых образцах масла и образцах
масел, аттестованных по содержанию известной примеси. Для подготовки образцов применена система контролируемого насыщения масла летучим компонентом из паровой фазы [3]. В качестве примеси, исходя из условий работы турбоагрегатов и трансформаторов, была выбрана вода (водяной пар). При достижении избранного уровня содержания влаги, отслеживаемого по косвенному признаку, процесс прекращался. Порции обводненного масла добавлялись в набор проб сухого масла. Параметром служила объемная доля обводненного масла. В полученном таким образом наборе образцов (с содержанием влаги от 10 до 300 граммов в тонне масла) проводились калибровочные измерения. Содержание влаги в пробах масла определялось в специализированной лаборатории ОАО «Свердловэлектроремонт» с задержкой в несколько суток.
Результаты испытаний
Проведены испытания устройства в условиях заводской лаборатории (в режиме отбора проб) и на оборудовании котлотурбинного цеха КТЦ-1 Среднеуральской ГРЭС (в автономном режиме работы). Контролировались процессы обводнения (пропаривания) турбинного масла турбоагрегатов КТЦ-1 и сепарации трансформаторного масла, поступающего в электроцех на регенерацию [7, 8]. Для осуществления непрерывного контроля масла на сливах с подшипников в маслопровод агрегатов были врезаны штуцеры под крепление датчиков. Наиболее существенный результат нашей работы состоит в выяснении применимости устройства непосредственно в рабочих условиях маслосистемы. Данный факт обуславливает возможность осуществления контроля критичных точек маслосистемы в режиме реального времени, что важно при выявлении источников загрязнения и при сопровождении пусковых режимов (рис. 3).
220
215
н 210 о
205
Ьч
!■ 200 Г"|
£■ 195
£ 190
185
20 г/т
1 »4 3 4
Р- гы <м м гч
1*7 Ю Ш «О <М 00
*Г; ^ ^
в! в и N Л ТГ
МММ N
оомммоооооооооо
Дата, время
Рис. 3. Контроль летучих примесей в маслосистеме по характерному значению Т1*. Период пуска 7-го турбоагрегата КТЦ-1, 2-3 ноября 2009 г. Содержание летучих примесей приведено к эффективному содержанию влаги в граммах на тонну масла. Цифрами на графике отмечены
различные стадии пуска Испытания подтвердили, что представленное устройство способно решить задачу быстрого обнаружения летучих примесей в маслах теплоэнергетического
оборудования. Такие обстоятельства, как удобство сопряжения арматуры зонда с маслосистемой и простота пользования интерфейсом прибора способствуют, во-первых, возможности «сканирования» маслосистемы и, во-вторых, автоматизации непрерывного контроля с выводом информации на пульт оператора и возможностью интеграции в существующую систему диагностики.
Выводы
1. На основе найденного теплового режима зонда разработан импульсный метод контроля летучих примесей в маслах вне зависимости от природы примеси. Метод состоит в определении характерного отрезка времени, длина которого однозначно связана с содержанием летучих примесей.
2. На основе метода создано автономное устройство быстрого обнаружения летучих примесей в маслах. Интерпретация результатов осуществляется путем сравнения измеренных значений с массивом калибровочных значений, полученным в опытах с хорошо аттестованными образцами.
3. Испытания показали, что представленный метод позволяет обнаруживать летучие примеси в маслах в реальном масштабе времени, а разработанное устройство может служить автономным элементом системы контроля качества масел теплоэнергетического оборудования.
Summary
A method of detecting the presence of volatile impurities in oils independent of the impurities origin has been developed. The automatic device for fast detecting the presence of volatile impurities, including their traces, in power equipment oils with the opportunity of data collection over the long time period is made.
Key words: oils, volatile impurities, pulse heating, monitoring.
Литература
1. Балашов А.М. Загрязненность масла как причина разрушения турбоагрегата // Вести в электроэнергетике. 2004. № 4. С. 44-46.
2. Оконишников Г.Б., Новиков Н.В., Пшеничников В.А. Расслаивающиеся жидкости в процессах с импульсным тепловыделением // Тепловые процессы и метастабильные состояния: Сборник научных трудов. Свердловск: УрО АН СССР, 1990. С. 42-47.
3. Skripov P.V., Smotritskiy A.A., Starostin A.A., Shishkin A.V. A Method of Controlled Pulse Heating: Applications // Journal of Engineering Thermophysics. 2007. V. 16, № 3. P. 155-163.
4. Скрипов П.В., Старостин А.А., Волосников Д.В. Перенос тепла в импульсно перегретых жидкостях // Доклады РАН. 2003. Т. 390, № 8. С. 192-195.
5. Скрипов В.П., Синицын Е.Н., Павлов П.А. и др. Теплофизические свойства жидкостей в метастабильном состоянии / Справочник. М.: Атомиздат, 1980.
6. Патент 2221238. Россия. G01N 25/00. Способ экспресс-анализа жидких сред / Скрипов П.В., Старостин А.А. // Опубликовано 10.01.2004.
7. Шангин В.В., Ильиных С.А., Пучинскис С.Э., Скрипов П.В., Старостин А.А. Устройство и результаты мониторинга летучих примесей в технологических жидкостях методом импульсного теплового тестирования // Известия вузов. Горный журнал. 2008. № 8. С. 148-153.
8. Шангин В.В., Скрипов П.В., Старостин А.А., Пучинскис С.Э. Развитие метода контроля летучих примесей в жидких средах // Сборник трудов 2-й научно-практической конференции «Наноматериалы и технологии». Улан-Удэ: БГУ, 2009. С. 12-16.
Поступила в редакцию 09 марта 2010 г.
Шангин Виктор Владимирович - инженер Института теплофизики УрО РАН. Тел.: 8 (343) 267-87-98. E-mail: star@itp.uran.ru
Бухман Вадим Георгиевич - начальник котлотурбинного цеха № 1 филиала "Среднеуральская ГРЭС" ОАО "Энел ОГК-5". Тел.: 8 (343) 359-54-04. E-mail: vadim.bukhman@ogk-5.com.
Скрипов Павел Владимирович - д-р физ.-мат. наук, ведущий научный сотрудник Института теплофизики УрО РАН; профессор кафедры «Физика и теплообмен» Уральского института государственной противо-пожарной службы МЧС РФ Тел.: 8 (343) 374-54-42. E-mail: pavel-skripov@bk.ru.
Старостин Александр Алексеевич - канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник Института теплофизики УрО РАН. Тел.: 8 (343) 267-87-98. E-mail: star@itp.uran.ru.
