Термография как ключ к качественному обжигу

Ж.-Ф. Буассу, менеджер линейки продуктов «Промышленная термография», (hgh@hgh.fr),
HGH Systèmes Infrarouges, Франция

РЕФЕРАТ. Контроль за температурой материалов, среды и оборудования крайне важен для обеспечения надлежащего качества получаемой продукции и безопасности производственных процессов, поэтому сегодня тепловизионные сканеры и пирометрические камеры находят все большее распространение на участках обжига клинкера цементных производств. Помимо самóй сенсорной части, комплексные системы теплового мониторинга должны включать в себя полный набор аппаратных и программных средств для измерения, отображения и обработки тепловой информации, а также предусматривать возможность интеграции с заводской АСУ ТП. Один из пионеров данного направления, французская компания HGH Syste€mes Infrarouges (HGH) более 30 лет назад начала разрабатывать и внедрять промышленные системы ИК-мониторинга. Сегодня компания по-прежнему предоставляет клиентам в цементной промышленности продукцию, отвечающую высоким стандартам точности измерений, полноты получаемых данных, гибкости и удобства применения, надежности измерительного оборудования. ИК-сканеры семейства KILNSCAN и пирометрические камеры PYROSCAN работают на многих предприятиях по всему миру, способствуя развитию цифровой эволюции в производстве.

Ключевые слова: обжиг клинкера, сканер печи, пирометрическая камера.
Keywords: clinker burning, kiln scanner, pyrometric camera.

ИК-сканеры печи KILNSCAN

Французская компания HGH Systèmes Infrarouges (HGH) остается среди лидеров производства ИК-сканеров для печей со времен появления данной технологии около 35 лет назад. Сегодня ИК-сканирование является де-факто стандарт­ной практикой на цементных предприятиях, гарантирующей безопасную эксплуатацию печи. Важность применения сканеров печи невозможно переоценить: они предупреждают операторов о возникновении любых тепловых аномалий, формировании горячих точек или холодных зон на корпусе печи.

Отдельные горячие точки свидетель­ству ют о локальном разрушении футеровки, что требует незамедлительно принять соответ­ствующие меры, предотвращающие развитие ситуации по катастрофическому сценарию, способному привести к серьезным повреждениям печи. Тенденции постепенного повышения температуры отдельных зон говорят о деградации футеровочного покрытия, что может стать сигналом о необходимости замены футеровки на участке износа. Быстрые изменения в положении и форме наиболее горячих зон могут указывать на изменение профиля факела, эта информация оказывает­ся особенно полезной при высокой степени замещения основного топлива на топливо из твердых бытовых отходов (refuse derived fuel, RDF).

Зоны пониженной температуры являются индикатором образования избыточного количества обмазки, приводящего к уменьшению свободного сечения печи, что негативно отражается на эффективности обжига. Большие куски обмазки имеют тенденцию неожиданно обваливаться, повреждая футеровку в зоне падения и далее по ходу движения материала, продвигаясь к горячему обрезу печи и попадая в холодильник.

Системы сканеров HGH не только собирают информацию о температуре обечайки и предоставляют ее оператору, но и анализируют полученные данные для оценки износа футеровки и толщины обмазки в любой точке в зоне охвата. Анализ температуры поверх­ности обечайки дает представление о тепловых напряжениях, возникающих в корпусе и других частях печи, а также помогает кон­тролировать размер зазора между обечайкой и бандажными кольцами, не допуская плотной посадки и формирования избыточных усилий и деформаций в этой зоне.

Используя данные о температуре обечайки в каждой ее точке, модуль Thermal Warp Monitoring рассчитывает возникающие в корпусе печи изгибающие усилия. Эта уникальная функция ПО сканеров HGH предостав­ляет бесценную информацию для долгосрочного прогнозирования износа конструкции печи вследствие ее разбалансировки, включая оценку состояния обечайки, бандажей, опорных роликов, привода, двигателя и опор печи.

Благодаря упрощенному и интуитивно понятному способу предоставления информации (рис. 1) у оператора в диспетчерской есть возможность моментально оценить состояние всей обечайки. В случае превышения установленных рабочих параметров автоматически формируются тревожные сигналы, отображаемые для операторов и отправляемые в заводскую систему управления.

09_HGH_ris1.png
Рис. 1. Типовой вид информационного окна системы KILNSCAN в операторской

Таким образом, сканеры помогают в планировании технического обслуживания печи и повышают надежность ее работы, коэффициент использования и производительность благодаря точной оценке состояния печи и возможности точной настройки параметров ее работы.

Высокая надежность и доступность измерительного оборудования. Сканеры печи эксплуатируются в тяжелых производственных условиях и могут подвергаться воздействию высоких температур и запыленности, при этом операторы системы сканеров ожидают от нее максимальной доступности и точности измерений при минимальном времени простоя.

Данная противоречивость требований накладывает серьезные ограничения на дизайн измерительного оборудования. HGH смогла обойти эти ограничения, применяя конструкторские особенности, свойственные в большей степени электронике военного назначения, благодаря чему сканеры HGH могут работать при любой температуре окружающей среды без необходимости дополнительного внешнего охлаждения.
Для компенсации искажений измеряемой температуры поверхностей вследствие накопления на них пылевых отложений на тех производствах, где запыленность является существенным фактором внешней среды, в комплект системы могут быть дополнительно включены эталонные пирометры.

Сканеры семейства KILNSCAN являются воплощением десятилетий конструкторского и производственного опыта в сфере подобных систем, поэтому HGH стандартно предоставляет на них пятилетнюю гарантию.

Адаптация под специфику конкретного производства. Каждая производственная линия имеет свои особенности расположения конструкций и оборудования, определяющие доступные места для размещения сканеров. HGH уделяет особое внимание гибкости сис­тем KILNSCAN с точки зрения их установки, поэтому они одинаково успешно применяются и на вновь строящихся линиях, и при модернизации существующих. Гибкость в размещении на площадке достигается благодаря возможности объединения в одну систему нескольких различных основных и вспомогательных устройств семейства KILNSCAN в любых комбинациях, необходимых для обеспечения полного охвата поверхности печи, подлежащей наблюдению. Можно установить до четырех сканеров, которые могут работать как единое целое, перекрывая все «слепые зоны» друг друга (рис. 2, а).

В случаях, когда расстояние от точки установки измерительного оборудования до поверхности обечайки ограничено (например, если печь расположена в здании цеха), обеспечить требуемую зону покрытия можно, применяя модели с большим углом обзора — ​до 140° (рис. 2, б). Также использование широкоугольных камер при фиксированной длине съемки позволяет сократить требуемое их число, т. е. капитальные затраты на установку системы в целом.

В случае, когда расстояние до печи не является определяющим фактором, сканирование можно проводить при помощи един­ственной камеры. Удаленность от печи не составляет проблемы для устройств KILNSCAN, поскольку их высокое разрешение все равно позволяет определить возникновение самых незначительных «красных пятен» на обечайке, даже тех, что возникают из-за потери одного-единственного кирпича футеровки.

При использовании системы в конфигурации с одной сканирующей головкой вдоль печи остаются небольшие слепые зоны, например, в районе привода и за кольцами бандажей. Для их покрытия можно использовать специализированные «точечные» пиромет­ры (рис. 2, в). Независимо от числа и типа применяемых сканирующих устройств, в конечном счете система синхронизирует и гармонизирует получаемые данные и форми­рует единую бесшовную термическую карту по всей длине и развертке печи.


HGH 2a.png
HGH 2b.png
HGH 2в.png
Рис. 2. Примеры различных конфигураций установки сканирующих головок (сверху-вниз): а — ​два сканера с частичных перекрытием поля сьемки, б — ​три широкоугольных сканера на короткой дистанции, в — один сканер с дополнительными «точечными» пирометрами для «слепых зон»

Основными особенностями программного обеспечения систем KILNSCAN являются:
  • синхронизированные двух- и трехмерные изображения печи или отдельных ее час­тей, формируемые в режиме реального времени;
  • построение температурных профилей по длине печи и их сравнение с заданными пользователем значениями температуры;
  • формирование тревожных сигналов на основе заданных пользователем для данной точки мгновенных пороговых значений температур и тенденций их изменения;
  • непрерывный мониторинг размера зазора между бандажными кольцами и корпусом печи и информирование операторов при превышении допустимых значений;
  • расчет в реальном времени прогиба обе­чайки;
  • расчет толщины футеровки и обмазки в любой точке печи;
  • расчет конвекционных и лучистых потерь тепла через корпус;
  • запись температурных карт, профилей и множества связанных с ними парамет­ров с возможностью их хранения и доступа к архивным данным;
  • удаленный доступ к системе мониторинга с подключенных сторонних устройств;
  • возможность экспорта данных с применением различных цифровых или аналоговых интерфейсов в автоматическом режиме или по заданным условиям.

Пирометрические камеры PYROSCAN для контроля процессов в печи и клинкерном холодильнике

Опираясь на собственный опыт, накопленный при разработке высококлассных ИК-решений для эксплуатации в тяжелых условиях, и на знания об основных потребностях и запросах предприятий тяжелой промышленности, HGH создала камеры PYROSCAN для наблюдений в высокотемпературных зонах печной системы в инфракрасном и видимом диапазонах. Качество информации, предоставляемой данными камерами, делает их идеальными инструментами для контроля производственных процессов на головке печи и в горячей зоне холодильника.

Мониторинг в режиме реального времени. Установленная на головке печи камера PYROSCAN предоставляет информацию о температуре клинкера на выходе из печи — ​важном показателе качества обжига. Также изображение с камеры (рис. 3) позволяет оценить температуру и профиль факела. Эти характеристики приобретают особое значение в свете тенденции роста доли использования вторичных видов топлива, в частности — ​топ­лива из отходов, качественные показатели которого по определению сложнее контролировать и поддерживать на постоянном уровне по сравнению с традиционно применяемым в печи ископаемым топливом. При работе с высокой степенью замещения первичного топлива стабильность параметров факела снижается, и возникают риски нарушения режима обжига и нормальной работы печи. Наличие камеры помогает отследить нежелательные изменения в профиле и температуре факела и предпринять корректирующие действия.

09_HGH_ris5.png
Рис. 3. Окно с изображением и пирометрическими данными с камеры PYROSCAN, установленной за горелкой печи

Помимо вышеперечисленного камера помогает оценить состояние футеровки в зоне спекания, запыленность, наблюдать движение материала и в целом оценить состояние процесса на горячем конце печи с одного взгляда.

В клинкерном холодильнике камеры применяются для контроля за состоянием футеровки и температуры клинкера в горячей зоне. Операторы могут наблюдать материал по ходу его движения, оценивать толщину слоя клинкера, фиксировать нормальный режим охлаждения или наличие отклонений: крупных кусков спекшегося материала — ​«снеговиков», способных повредить оборудование, или «красной реки» — ​потока клинкера с нарушениями охлаждения вследствие локально повышенного сопротивления слоя клинкера воздушному потоку.

Пирометрические камеры PYROSCAN дают четкое и резкое визуальное и термическое изображение с разрешением 1,2 мегапикселя в широком динамическом диапазоне с высокой детализацией и контрастом.

Видимое изображение выводится на монитор рядом с термальным, либо в отдельном окне, либо с использованием вида «картинка в картинке», что упрощает чтение информации для оператора, привыкшего к классическому изображению, получаемому с камер, работающих в видимом диапазоне. Эффективной работе с камерой способствуют многочисленные инструменты и методы сбора и представления информации — ​диаграммы, графики, настройка тревожных сигналов, задание отдельных точек и зон наблюдения непосред­ственно на «живой» картинке (рис. 4).

09_HGH_ris6.png
Рис. 4. Тепловизионное и визуальное изображения с камеры PYROSCAN, установленной в клинкерном холодильнике

Надежность, доступность, гибкость. Пирометрические камеры работают в очень тяжелых условиях, под воздействием самых высоких температур и высокой абразивной нагрузки. Камеры PYROSCAN спроектированы и изготовлены с применением износостойких материалов. Рабочая часть камер оснащена водяным охлаждением — ​наиболее надежным и экономически эффективным решением. Для очистки оптики в рабочей зоне от пыли и налипания частиц применяется продувка воздухом.

Камеры PYROSCAN могут непрерывно находиться в рабочей зоне, предоставляя информацию о процессе в режиме 24/7 для операторов и систем автоматизации. В случае, если система мониторинга состояния камеры фиксирует проблемы с ее нормальным функционированием — ​нарушением подачи охлаждающей воды, обдувочного воздуха или повышением температуры в корпусе, — ​камера автоматически извлекается из процесса и переводится в безопасное положение.

Установка пирометрической камеры на головке печи и в рабочей камере холодильника может оказаться нетривиальной задачей, поэтому PYROSCAN выпускаются в исполнениях с различной длиной и ориен­тацией камеры. Камеры с боковым обзором (рис. 5) могут монтироваться в холодильник перпендикулярно потоку материала. Это дает возможность размещать их в горячей зоне, где пылевая нагрузка не столь значительна, а также сократить требуемую длину консоли камеры.

09_HGH_ris7.png
Рис. 5. Внешний вид камеры PYROSCAN с боковым обзором


К основным особенностям программного обеспечения систем PYROSCAN относятся:
  • получение в реальном времени визуального и термического изображения;
  • алгоритмы повышения качества изображения, возможность увеличения масштаба изображения и цветового кодирования;
  • возможность задать неограниченное чис­ло зон наблюдения и отображать для них данные реального времени, тренды и статистику температурных показателей;
  • трехмерные графики, облегчающие мониторинг параметров факела;
  • возможность установки порогов срабатывания тревог по температуре;
  • наличие видеоинтерфейсов и возможность потоковой передачи видео;
  • отбор изображений и данных для сохранения с последующим доступом к архивным данным;
  • автоматический или ручной экспорт данных и изображений;
  • использование аналогового либо цифрового интерфейсов.

Поддерживая переход к «Индустрии 4.0»

Рост мощностей вычислительных систем и объемов хранилищ данных в промышленности вообще, и в цементной отрасли в частности, способствует переходу к управлению производственными процессами на основе усовершенствованных цифровых моделей. Это повышает эффективность всех технологических процессов, качества продукции, снижает издержки и экологический след работы предприятия. Сегодня развитие производства все больше опирается на совокупность таких концепций и областей специализации, как «Индустрия 4.0», «Интернет вещей», «Искусственный интеллект», «Большие данные», «Экспертная система». Модели производственных процессов могут значительно различаться по сложности и глубине проработки, начиная с совершенствования управления в пределах отдельных контуров регулирования и заканчивая реализацией полноценных цифровых двойников производства, не менее сложных, чем их физические прототипы.

Как бы сложно ни была устроена система управления, данные, получаемые о технологическом процессе, можно разделить на два типа: те, что накапливаются в течение продолжительного времени и используются впоследствии для построения и настройки моделей управления, и оперативные данные, которые используются этими моделями для непосредственного управления производ­ством. Конечно, это весьма упрощенное объяс­нение.

В любом случае, для чего бы ни применялась информация, получаемая от датчиков и сенсоров, ее полезность для целей управления будет определяться ее качеством и достоверностью.

Тепловые сканеры и камеры HGH являются надежным измерительным инструментом для получения данных о процессе, которые затем можно передать для соответствующей программной обработки посредством современных интерфейсов; их применение позволит предприятию идти в ногу со временем, осуществляя переход к новой архитектуре управления производственными процессами (рис. 6).

HGH 6.png
Рис. 6. Место и назначение пирометрических сенсоров в архитектуре управления работой предприятия в соответствии с концепцией «Индустрия 4.0»

Буассу, Ж.-Ф. Термография как ключ к качественному обжигу //  Цемент и его применение. — 2020. — №3. — С. 58-61
Автор: Ж. -Ф. Буассу

Поделиться:  
Заказать этот номер журнала «Цемент и его применение» или подписаться с любого месяца можно по ссылке
Использование опубликованных на сайте новостных материалов допускается только с упоминанием источника (журнал «Цемент и его применение») и активной гиперссылкой на цитируемый материал.