Рис. 4. Тепловизионный комплекс для контроля футеровки

Авторы: Д.С. Бирюков, Д.Г. Федотов (ООО «ГК «ИНТРАТУЛ»).

Опубликовано в журнале Химическая техника №11/2018

В условиях стремительного перехода промышленности на рельсы «Индустрии 4.0» и продолжающейся цифровизации производства все больше российских компаний нефтегазового сектора, химии и энергетики обращают внимание на данные тенденции и проводят активные преобразования на своих предприятиях. Так, отдельным пунктом выделяется цифровизация в стратегиях развития «Роснефти» и «ЕВРАЗ», а «Газпромнефть» даже создает в своей структуре дирекцию по цифровой трансформации. Эффективное использование современных цифровых технологий, поиск «узких мест» в технологическом процессе, внедрение лучших мировых практик – все это становится серьезным вызовом для инжиниринговых компаний.

В настоящей статье рассмотрим проблему управления режимами работы вращающихся печей. В настоящее время вращающиеся печи используются в различных процессах в нескольких отраслях промышленности: для прокалки нефтяного кокса (УПНК), для спекания шихт в производстве глинозема, получения цементного клинкера, окислительного, восстановительного, хлорирующего обжига, прокалки гидроокиси алюминия, карбонатов, сульфатов и др., получения гашеной извести, обезвоживания материалов, извлечения цинка и свинца (вельц-печи), получения железа или сплавов цветных металлов их прямым восстановлением из руд в твердой фазе (кричные печи), обжига огнеупорного сырья.

Вращающаяся печь располагается под уклоном порядка 3…4°, в верхней ее части («холодный обрез») происходит загрузка сырья, в нижней части («горячий обрез») выгружается на конвейер нагретый продукт, который затем подвергается охлаждению в холодильнике. За счет медленного вращения печи вокруг своей оси вещество плавно опускается в нижний конец и подвергается перемешиванию. Горячие газы, за счет которых происходит нагревание вещества, продуцируются встроенной в горячий обрез печи форсункой и проходят по печи в обратном направлении. Топливом для форсунки может быть газ, масло, размельченный нефтяной кокс или молотый уголь. Печь снабжена огнеупорной футеровкой, установлена при помощи бандажей на роликовые опоры с подшипниками скольжения.

Типовых проблем, которые можно решить за счет тепловизионного контроля, две: слежение за состоянием футеровки с ранним обнаружением проблемных зон и управление самим процессом прокалки. Если первую проблему на многих предприятиях уже более или менее удачно решают за счет тепловизоров (чаще всего переносных) и сканеров, то решение второй проблемы в большинстве случаев находится на уровне «каменного века». Стоит обратить внимание, что даже применение периодического теплового контроля не избавляет производственные подразделения от риска возникновения нештатной ситуации и прогара с сопутствующими потерями в виде простоя, ликвидации последствий и внепланового ремонта.

Рис. 1. Характерные спектры поглощения и рабочие длины волн различных ИК-приборов
Рис. 1. Характерные спектры поглощения и рабочие длины волн различных ИК-приборов

Управление печью оператор-прокальщик осуществляет вручную, оценивая на глаз положение зоны прокаливания и температуру в ней через смотровое окно печи. Оценив ситуацию, он регулирует объем подачи топлива и/или скорость вращения печи. При этом операторная зачастую расположена на удалении от самой печи, так что в процессе возникает дополнительное запаздывание по управляющему воздействию. Несвоевременные или неправильные действия оператора могут привести либо к чрезмерному охлаждению прокаливаемой массы (в этом случае на выходе идет бракованный продукт) либо, наоборот, к ее перегреву (может быть повреждена загрузочная шайба на холодном обрезе печи, холодильник либо конвейер транспортировки охлажденного продукта, расположенный после холодильника). Все эти нештатные ситуации в конечном счете ведут к значительным финансовым потерям за счет вынужденного останова и замены поврежденных компонентов.

Очевидно и решение проблемы: устранить человеческий фактор, автоматизировав процесс управления положением зоны прокалки. В этом случае выходными сигналами системы управления будут интенсивность подачи топлива на форсунку и скорость вращения печи, а входными – массив данных о температуре в каждой точке зоны прокалки и фактическом расположении этой зоны. Сложность состоит лишь в практическом измерении этих параметров, для чего понадобится специализированный тепловизионный комплекс.

Конструкция печи позволяет встроить в горячий обрез тепловизионную камеру для наблюдения за зоной прокалки. Однако ситуация осложняется наличием пламени между камерой и наблюдаемой зоной. Визуально оператор ничего не увидит, кроме того, измерение температуры также будет неточным.

Это обстоятельство можно обойти с помощью использования матричных приемников, работающих на определенной длине волны и специальных инфракрасных фильтров, рассчитанных на характерный спектр поглощения топочных газов. Окно прозрачности в данном случае находится на длине волны 3,9 µm, что видно на рис. 2.

Рис. 2. Внешний вид установленного тепловизора
Рис. 2. Внешний вид установленного тепловизора

Таким образом, у нас появляется нужный инструмент – специализированный тепловизор для внутрипечного мониторинга с функцией отсечки пламени. Для работы в условиях высоких температур тепловизионный модуль помещается в оболочку с водяным и воздушным охлаждением. Внешний вид такого тепловизора показан на рис. 3.

Рис. 3. Анализ термоизображения
Рис. 3. Анализ термоизображения

Характеристики внутрипечного тепловизора

Спектральный диапазон, мкм 3,9
Диапазон измерений, °С 400…1250
Матрица 2D микроболометра с датчиком 640×480 пикселей
Поле зрения объектива (FOV) От 28° × 21° до 75° × 54°
Расстояние измерения, м > 1×
Погрешность измерения, % 2
Температурный дрейф, % 0,1
Разность температур, эквивалентная шуму, К < 1 (1 000°C, 25 Гц)
Частота кадров, Гц 50
Время отклика, мс 40
Интерфейс Ethernet,
Масса, кг ~10
Питание От 12 В до 36 DC
Степень защиты IP65
Рабочая температура камеры, °C От –25 до +150 с водяным охлаждением)
Рабочая температура системного кабеля, °C От –25 до +80
Условия хранения, °C от –20 до 70

Выходной сигнал тепловизора представляет собой, с одной стороны, поток радиометрических данных (фактически каждая точка видимого изображения становится «виртуальным термометром»), а с другой – очищенное от влияния пламени видеоизображения, которое можно вывести на монитор оператора для визуального контроля. Поток данных после калибровки становится входным сигналом для системы автоматического управления, задача которой – удержание зоны с определенной температурной уставкой в нужном месте. Если прогретая до нужной температуры точка смещается в сторону холодного обреза, система уменьшит интенсивность поступления газа в форсунку, если смещение пойдет в сторону горячего обреза, подача газа будет увеличена.

Возвращаясь к поставленным в начале статьи типовым проблемам эксплуатации вращающихся печей, логично дополнить систему и средствами контроля состояния футеровки. Для этого можно использовать тепловизоры внешней установки без рубашки охлаждения, контролирующие всю длину печи.

Рис. 4. Тепловизионный комплекс для контроля футеровки
Рис. 4. Тепловизионный комплекс для контроля футеровки

Полученные с такого тепловизионного комплекса (рис. 4) данные позволяют обнаружить проблемные зоны, в которых футеровка начинает разрушаться, по температурным трендам в автоматическом режиме, подавать сигналы тревоги, вести архивацию событий в журнале, строить графики изменения температуры в произвольно выбранной зоне за любой промежуток времени. Благодаря тому, что печь вращается в процессе работы, нетрудно построить по серии замеров и ее термографическую 3D модель (рис.5).

Рис. 5. Термограмма вращающейся печи при внешнем контроле
Рис. 5. Термограмма вращающейся печи при внешнем контроле

Построенный таким образом тепловизионный комплекс решает одновременно две проблемы эксплуатации вращающихся печей (управление зоной прокалки и контроль футеровки), позволяет устранить человеческий фактор и сэкономить средства клиента за счет уменьшения потерь, связанных с простоем и ремонтом технологического оборудования.

Группа компаний «ИНТРАТУЛ» с 2013 года разрабатывает и внедряет системы инфракрасного мониторинга технологических процессов, предоставляя своим клиентам самые современные цифровые решения. Накопленный опыт и успешно проведенные опытно-промышленные испытания позволяют уверенно реализовывать проекты в различных отраслях промышленности.