红外在线监控系统

红外在线监控系统（共7篇）

红外在线监控系统 篇1

随着我国经济建设的不断发展, 用电需求也在日益增加, 同时对变电站运行安全性可靠性提出更高的要求。我们设计方案采用模块化集成的设计理念, 根据电力行业规程, 提出一揽子解决问题的方案, 不仅仅作为独立的红外热像在线监测系统, 而且作为一个信息化建设的组成部分具有与数据库系统的开放性接口, 具有很强的可拓展性, 可不断实现新技术、新设备扩展, 与其它系统有较强兼容性。

1 电气设备过温红外远程在线检测系统概述

红外成像在电力设备的运行状态检测方面, 利用电力设备热状态的分布范围, 作为诊断电气设备是否具有较好的运行状态的依据。

变电站监测系统是由监测器、监控工作站、网络集线器连接组成, 实现对变电站内的电气设备定时或时地进行测温检测, 并可实现全天候不间断的保安监视。监测中心通常由监测服务器、数据库、控制台、监视屏、海量数据存储器、打印机、网络集线器等组成, 系统的设备配置可根据需求增减。监测中心实现对所属变电站的电气设备和保安进行实时或定时监测。监测服务器用于采集各变电站的监测数据, 远程监控变电站工作站, 提供监测数据和报告。监测服务器可根据需求采用集群或双工配置。数据库记录所有区域变电站监测数据, 以便检索和查询;海量数据存储器保存历史监测数据;监控系统控制台对监控中心的运营监测任务进行管理;监视屏可实时或定时显示所有监测场景。

在线式红外监控系统采用先进的红外技术, 通过先进的红外技术对变电站现场各种设备 (主变压器、GIS组合电器、高压开关柜、主控室等) 表面辐射的红外光像进行非接触、远距离热成像检测, 不受电场干扰, 完全满足变电站电力设备监控和现场的无人值守。同时为变电站定期巡检、排查异常提供指导依据, 大大提高变电站巡检工作时效性, 节约成本, 是电力系统巡检技术发展趋势。

1.1 操作简单, 功能强大

功能强大的分析软件, 自动形成报告输出, 多种格式可选。

红外热像仪配有带预置位高速云台。通过控制云台可以使红外热像仪扫描整个变电站厂区的设备。显示器全屏幕任意点测温, 具有伪彩色显示, 用户可以自定义点、线、面实时显示温度及时间趋势图, 最高温自动跟踪, 并能设定温度报警。

安装有红外热像在线监测系统软件的监测客户终端能够通过局域网实现对前台红外监测系统的控制和检测功能, MIS网上任一用户可根据权限实现现场热像图谱的快速切换、实现远程网络控制, 自、手动实现视场内热故障搜寻。

1.2 结构紧凑、设计优良, 扩展性好

红外热像仪采用IR217型网络通讯接口, 可以电动调焦、自动环境温度补偿, 配有全密封外壳能防雨、防尘, 保证室外环境长期正常工作。

红外镜头焦距可根据现场环境和被检测设备距离、大小进行选择并具有电动调焦功能。系统开发软件采用VC6.0、PB7.0等流行语言, 网络基于TCP/IP协议, 可移植性强, 适应不同网络要求。该系统不仅仅作为独立的红外热像在线监测系统, 而且作为一个信息化建设的组成部分具有与数据库系统的开放性接口, 本系统具有很强的可拓展性。可不断实现新技术、新设备扩展, 与其它系统有较强兼容性。

1.3 卓越的图像传输和数据储存

温度信息的数据图像存储, 可以进行后期温度分析及报表生成提供设备温度信息。从监控点到主机的实时网络数字图像传输。图像信号不受现场电磁场干扰, 图像传送实时性、可靠性高。可视化界面, 操作控制一目了然。

2 过温红外远程在线检测系统在变电站的应用

目前, 变电站巡检人员采用红外测温技术进行巡检的设备主要有两类:一类是手持式红外热像仪;另一类则为远程在线式红外热像仪。传统手持式红外测温仪已远远不能满足需求现状。现在迫切需要这种远距离、可大面积快速扫描成像、能够兼容电力相关系统并可安全、可靠、准确而高效地发现电气设备热缺陷的智能在线监测系统。

红外热成像变电站监测系统采用了分级监测管理系统架构和模块化设计, 大大提高了系统的可靠性、实时性、扩展性、兼容性。变电站检测系统是由检测器、监控工作站、网络集线器连接组成, 实现对变电站设备定时或时地进行测温监测, 并可实现全天候不间断的保安监视。红外线成像仪对诊断电力设备的热故障隐患具有效率高、判断准确、图像直观、安全可靠、非接触测温、不受电磁干扰、探测距离远和监测速度快等特点, 克服了定期计划检修的盲目性, 具有很高的安全性与经济价值。

随着智能电网建设的不断推进, 这种智能的红外在线监测系统将逐渐替代手持式测温设备, 并最终应用到每一座无人值守变电站中。过温红外预警系统建成后, 实现了变电站一次设备温度情况自动巡检, 并按预先设定的预警值发出声音报警信号, 使运行人员或通过值班监控人员能及时采取相应的措施, 用减少负荷或改变系统运行方式等手段, 确保设备运行的安全, 提高运行人员对设备缺陷的识别能力和预见性。系统在完成除预先设计的自动巡检、自动预警、远程控制、远程监视以及告警等功能外, 更进一步提供了后续数据处理及分析的功能。

综上所述, 红外线成像仪对诊断电力设备的热故障隐患具有效率高、判断准确、图像直观、安全可靠、非接触测温、不受电磁干扰、探测距离远和监测速度快等特点, 克服了定期计划检修的盲目性, 具有很高的安全性与经济价值。变电站远程红外热成像及温度安全在线检测系统在电力行业的投入使用, 将变电站监测推向全面化, 使变电站无人值守成为了可能。

参考文献

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[2]邓国明.电气设备过温红外远程在线监测系统在变电站的应用[J.激光与红外, 2010 (11) .

红外在线监控系统 篇2

近些年来,全球气候的逐渐变暖对全世界的自然环境、社会经济和国家安全等方面产生了重大的影响。在这样的背景下,很多国家都在致力于研究如何度量气候变化对人类生存环境带来的这些影响。通过分析光经过红外傅里叶变换光谱仪产生的干涉条纹即可得到大气精细成分分析报告[1]。

摆臂控制系统作为红外光谱仪的核心部件,是实现红外干涉以及系统采样的关键所在,它根据系统光谱分辨率的要求,控制音圈电机带动摆臂在一定的角度内循环摆动,摆动过程中采集激光系统反馈的脉冲信号,构成闭环调节系统,使得光学系统的光程差达到匀速。摆臂受控运行的稳定性直接关系到光谱仪的最大分辨率,以及光谱的有效性。在系统初期的调试过程中,存在着如下困难:(1) 为了满足系统光谱分辨率的要求,下位机数据产生周期必须非常短(微秒级),导致通信时数据量很大,在没有专用软件的条件下,上位机无法实时显示,实时通信时会丢掉很大一部分数据;(2) 系统控制模式及参数配置等需全手动操作,使得参数镇定困难、效率低而且容易出错;(3) 关键性能指标(如系统稳定度)计算繁琐且不够直观等。

摆臂的在线实时监控系统正是为了解决上述问题而设计的,通过建立上位机与摆臂控制电路的通信链路,在上位机实现系统的实时监控:(1) 采用多线程的方法解决系统实时性及大量数据处理的相关问题;(2) 设计图形显示相关类来直观显示系统运行状况;(3) 将各种情况下的配置集成到系统中,方便人机交互;(4) 实时计算并显示系统关键性能指标等;(5) 系统还设计了相应的非实时模式,用来监视那些无法实时监控的数据。

在以PC机或者工控机为核心的监控系统中,串口通信是上位机与下位机常用的通信手段之一,它具有开发简单、通信可靠等优点。本文设计并实现了一种红外光谱仪摆臂的在线实时监控系统,重点介绍了在Win32环境下使用Visual C++多线程串口类开发相应上位机监控软件的设计及实现过程。

1监控系统总体设计

红外光谱仪摆臂的在线实时监控系统包括上位机和下位机两部分,其被控对象为一台固定在摆臂上的音圈电机。其系统结构示意图如图1所示。

上位机监视软件是一个在Windows环境下由Visual C++设计并实现的人机交互界面;下位机部分为摆臂系统主控电路板的一部分,它主要配合整个监控系统通过串口进行数据收发,其主控芯片为TI公司的TMS320LF2407;而系统被控对象为安置在摆臂上的音圈电机。

上位机监视软件为本监控系统的主体部分,它主要包括如下功能:(1) 与下位机进行通信功能:上位机向下位机配置各种控制模式及调节器参数等,下位机向上位机回送相应数据;(2) 信号的分析处理功能:分析采集到的数据,对几个关键的性能指标进行实时的分析;(3) 存储功能:可根据采集数据的不同类型存储相应的原始数据,也可存储界面上的波形图像;(4) 数据与图形显示功能:可以根据用户设置的显示类型,显示周期等能对系统几个关键的指标进行实时的监视。也能通过读取关键中间变量的数据并显示波形以帮助调试。

2监控系统的串口实时通信设计

监控系统通过串口进行上下位机之间的通信,上位机软件需要通过处理下位机上传的数据来实时监视系统的运行状况。

2.1Win32环境下串口通信多线程编程方法及设计

Windows环境下编程的一大特征是设备无关性,通过设备驱动程序可将Windows应用程序与不同的外部设备隔离。Win32中把其提供的串行口看作是由文件系统访问的设备,通过使用Win32中相应的文件I/O函数与通信函数,可以进行规范的串口通信编程[3]。

Win32环境下进行串口通信编程一般有三种方法[2,3]:(1) 采用ActiveX控件;(2) 采用Win32 API;(3) 采用第三方提供的类库函数。本上位机软件采用由Remon Spekreijse提供的串口类CSerialPort并进行了相应的改进,使用它可以很轻松地搭好串口通信框架,快速地进行串口通信编程。

在进行串口通信编程时,如果将串口通信部分与数据处理等部分划分在同一个线程中,当要传送或接收的数据量很大时,数据处理部分就会和通信部分抢占CPU时间,导致系统实时响应困难。使用多线程设计方法能解决这些冲突,保证系统的实时性。Win32支持多进程及多线程,CPU以线程为调度单位,不停地在线程之间切换,轮流执行。CSerialPort类正是基于多线程的,其提供的多线程环境为实现实时串口通信提供了一个很好的解决办法,该类具有简单的接口,使用重叠I/O方式实现,不会导致线程阻塞[4]。

为了保证串口通信的准确性、实时性以及系统时间的合理利用,根据系统功能及任务的划分,将本监控系统上位机软件分为三个线程:主线程、串口通信线程和数据处理线程。线程间的关系如图2所示。

其中,主线程主要完成主监视界面和调试界面的生成、数据校验及打包、人机交互等;串口通信线程主要完成串口数据的接收与发送;数据处理线程主要完成图形的绘制、数据的显示、性能参数的分析以及数据与图形的存储等。将耗时较高的两个任务放至两个辅助线程中,在主线程中调用这两个线程。其中,主线程到辅助线程的采用事件的通信方法,而辅助线程通过发送自定义的Windows消息的方法同主线程通信[5]。

多线程通信很重要的一个要求就是线程间的同步管理,Windows下提供了如下四种同步化机制:Critical Section、Semaphore、Event和Mutex。本上位机软件使用Critical Section变量来保证线程间的同步,以保护独占性的共享资源,保证对数据的读写不会冲突。

2.2监控系统下位机串口通信设计

下位机的串口通信主要分三大部分:串口数据接收、串口数据发送以及数据存储。将串口通信部分较为耗时的校验、解析与打包等部分放在主循环中,而发送与接收由中断处理,具体设计如下:

(1) 串口数据接收部分

接收中断及其相关中断服务程序、数据接收、数据校验、指令解析参数设置及状态设置。

(2) 串口数据发送部分

发送中断及其相关的中断服务程序、数据格式转换、数据校验、数据发送设置及数据发送。

(3) 控制系统数据存储部分

在控制算法一个调节周期结束后,对实时与非实时数据分别采取片内RAM存储与片外RAM存储。实时数据存储时,考虑到系统产生数据的速度相对于实时发送数据的速度要快许多,对该片内RAM开辟四个缓冲区,保证通信的实时性。

2.3通信实时性分析及通信协议的制定

使用RS232接口进行串口通信的最大波特率为115200bit/s,即每ms可以传输的数据大约为14个字节。而需要实时传输的速度、电流数据按ASCII码传输各占4个字节。由于下位机速度环每0.4ms产生一个新数据,单独传送速度或者电流,则每ms需传送10个字节。由上述分析可知,单独传输速度与电流数据能保证实时性。

为确保串口通信的可靠性,需要按照一定的通信协议对设备来进行编程。本调试系统在分析通信实时性的基础上制定了如下的帧格式。

(1) 典型通信包帧格式

系统上行和下行通信包帧格式可以统一为图3所示的典型通信包帧格式,它包括起始位、数据位、校验位和结束位。其中数据位根据不同帧类型具有不同的长度,起始位始终为0x24,结束位始终为0x0D。

下行通信包帧信息包括控制模式、调节器参数以及上行数据类型,比如控制模式帧数据位占三个字节,第一个字节表示控制模式的类型,而后两个字节则表示控制模式参数的大小。

上行通信包信息帧长度始终为52个字节,其中数据位占用48个字节(所有上行数据长度的最小公倍数),它根据上行数据类型的不同而不同,比如上行的数据为速度信息,则这48个字节代表每帧有12个速度数据,每个数据占用四个字节。

(2) 下位机校验结果回复帧格式

下位机校验结果回复帧包括下位机校验正确回复帧和下位机校验错误回复帧,每帧占两个字节。第一个字节为0x06(正确帧)或0x15(错误帧),第二个字节始终为0x0D。

3监控系统的实现

红外光谱仪摆臂的在线实时监控系统包括上位机和下位机两部分,上位机监视软件是在Windows环境下由Visual C++实现的人机交互界面,这是整个监控系统的主体部分;下位机部分主要配合整个监控系统通过串口进行数据收发,它通过对主控芯片TMS320LF2407进行汇编编程实现。

3.1系统实时监控界面

系统实时监视界面在上位机实现,主要包括下位机控制模式的配置、数据与图形的实时监视和性能指标的实时显示等功能。

从图4可以看出,本上位机监控界面实现了设计的所有功能:能直观显示系统的实时运行状况;能方便地对下位机进行相应配置;能实时显示系统关键性能指标;能对数据与图形进行实时保存;能对系统实时运行状况进行不同周期下的显示;能方便进行模式的切换等等。其中,设置两个监控界面的目的是为了对系统最为关键的两个指标(速度与电流)进行同时监控,方便实时了解系统运行状况。

另外,上位机监视软件还可运行在非实时模式,非实时模式在调试界面下实现。它可以配置下位机需要的调节器参数以及监视一些非实时的中间变量,同时,调试模式下还包括了相应的通用串口通信功能,方便系统调试。

3.2监控系统上位机实现

本上位机监视软件是Visual C++ 6.0环境下基于对话框实现的界面程序,它可分为串口通信、数据处理、主监控与调试四个模块。根据各模块来进行上位机软件程序设计,其关键技术主要包括实时通信与数据处理,系统软件流程图如图5所示。

3.2.1 串口通信的实时性实现

(1) 通信协议相关实现

通信数据的主体部分为上行的数据包,主线程中先对上行的数据包进行校验,校验错误则丢弃相应数据包。而如果校验正确,则根据上行数据类型的不同,在上位机定义相应的结构进行接收。例如,对速度或电流数据,定义了如下结构:

主线程将接收到的上行数据打包进入RECDATA结构中,作为链表的一个节点进行后续数据处理操作。

(2) 多线程实现

从前文可知系统划分为三个线程:主线程、串口通信线程以及数据处理线程。串口通信线程包括串口发送、串口接收和串口关闭这三个事件,其中,串口发送与关闭事件在主线程中通过相应按钮动作进行触发;串口接收则通过相应通信事件进行触发。数据处理线程包括启动数据处理和关闭数据处理这两个事件,其中启动数据处理事件在主线程数据预处理完成后相应触发。

主线程到辅助线程的采用事件的通信方法,而辅助线程通过自定义消息同主线程通信。辅助线程在创建时即被挂起,等待相应事件的触发,此时它不消耗CPU任何时间。

串口通信线程的优先级要高于数据处理线程,以保证数据通信的实时性。而数据处理部分在满足通信实时性的前提下,通过链表会有一个相应的缓冲,这就在保证实时性的同时又保证了数据的准确性。

3.2.2 数据处理部分的相关实现

数据处理又包括数据显示、图形显示以及数据存储等部分。监控系统上位机软件顶层数据流图如图6所示。

上行数据在经过主线程的校验、打包等预处理后存入链表中,然后触发相应数据处理事件,使得挂起的数据处理线程开始动作。数据处理时,依次读取链表节点,进行相应数据与图形显示,数据存储以及相应系统关键性能指标的计算与显示。

(1) 过程曲线显示实现

过程曲线的显示通过编写相应绘图类实现。绘图时采用双缓冲方法,把要显示的图形先在内存中绘制好,然后再一次性的将内存中的图形覆盖到屏幕上,这样可以防止屏幕闪烁。其中,使用失效矩形方法使相应区域失效,并对界面进行定时刷新。另外,绘图类基于系统实时显示的要求设计了多种显示周期,对于需要看细节的,在界面上显示每一个数据点;而对于要求看整体的,则采取多个数据中取一个数据进行显示。这样既保证了数据的准确性,又保证了系统的实时响应速度

(2) 数据显示实现

在监视界面编辑框上显示相应数据,每显示完一屏数据立即清除,重新开始显示。

(3) 数据储存相关实现

数据处理线程将接收到的原始数据以文件形式存储在上位机PC中,存储时以数据类型加存储起始时间为文件名进行追加存储,可以通过监视界面上相应复选框来选择是否要进行数据的存储。

3.3监控系统下位机串口通信实现

监控系统下位机采用TI公司提供的CCS编译器对主控芯片TMS320LF2407进行汇编编程。程序实现时首先在主循环内判断是否接收完一帧数据,从而确定程序是否进入数据校验与解析分支;接着判断发送缓冲区中数据是否发送完成,决定是否进入数据发送打包分支。而接收与发送则由SCI中断处理,每次处理一个字节。

数据接收通过接收中断实现,当接收到帧头时,复位接收缓冲区指针和数据接收计数器,并存储数据值至接收缓冲区;接着每接收一个字节数据,接收缓冲区指针和数据接收计数器值自动加1;当接收到帧尾时,接收缓冲区指针和数据接收计数器不再自加,完成一帧数据的接收,此时,置相应标志并复位接收缓冲区指针。

数据发送通过发送中断实现,在主循环中循环判断发送缓冲区中的数据是否发送完成,一旦发送完,根据发送标志值的不同,从不同的数据源读取相应数据经格式转换后计算相应校验和并进行打包,同时初始化要发送的数据长度,触发发送中断进行逐个字节循环发送。

4结语

本文针对红外光谱仪摆臂系统调试中遇到的各种困难以及控制系统实时性对实时性及大量数据处理的相关要求,设计并实现了一种摆臂系统的在线实时监控系统,并重点介绍了在Win32环境下使用多线程串口类实现的上位机监视软件。该系统很好地满足了控制系统的监控与调试要求并且已经成功地应用于摆臂控制系统的调试,同时,上位机监控部分各模块具有很强的通用性,可方便地移植到其他系统。

参考文献

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[4]龙飞,李晓帆,蔡志开,等.一个利用多线程及重叠I/O实现的串口通信类[J].微机发展,2004,14(3):50-51.

红外在线监控系统 篇3

随着智能电网技术的普及与发展,对红外热成像在线监测的技术要求也越来越高,目前,电力系统大都以遥测、遥信、遥控、遥调、遥视等技术为基础,对系统运行状况进行监测与控制[1,2,3,4,5,6],而“遥视”功能的实现基本上以可见光监控为主,只能起到安防和环境监控的目的,无法“遥视”到直接反映运行设备温度及温度分布的情况。随着红外热成像技术的发展与设备的国产化,针对电力运行设备常见的电流致热、电压致热等故障,利用红外热成像技术,结合计算机网络智能技术,即可实现在线网络智能监控。

1 红外在线监控技术简介

1.1 红外测温原理

红外线电磁波处于无线电波与可见光之间,其波长在0.76~100μm之间,按波长的范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外4类。温度在绝对零度以上的物体,都会因自身的分子运动而辐射出红外线,通过红外探测器将被检测对象辐射的功率信号转换成电信号后,成像装置的输出信号就可以一一对应地模拟被扫描对像以及被检测对象表面温度的空间分布,并经电子系统处理后传至显示屏上,得到与被检测对象表面热分布相应的热像图,即可实现对被检测对象的远距离测温及分析。该方法能检测出被检测对象热状态的细微变化,准确地反映被检测对象的发热情况,测试效果直观,灵敏度和可靠性高,可及时、有效地发现被检测对象的隐患[7]。

1.2 红外测温方法

目前,国内采用的红外在线监控技术大致有以下2种:

(1)红外点测温仪技术。不形成整体红外图像,而是将监测设备分为若干部分,并定时对各部分进行巡检,当检测到超温点时,则发出超温告警信号。由于该测温方式只测温不成像,监测的范围有限,仅适用于单一设备的定点红外测温。

(2)红外热成像仪测温技术。形成整体红外图像并测温,若在红外成像仪监测的区域内发现超温点,则发出超温告警信号,并将相关异常红外图像保存并上传。由于该测温技术是靠温度来成像,其显示原理与CCD成像一样,能监测到开关场等较大的区域,所以适用范围更广。

2 智能型红外在线监控系统

传统的红外监控系统通常采用串行通讯口RS232/RS485传输温度数据,或通过标准视频系统传输图像信号,但串行通讯口传输方式由于受传输速率或距离的限制,不能实现实时或远程监控,且其布线复杂、成本较高;标准的模拟视频红外图像信号(PAL)因不包括温度信息,故不能进行温度图像分析与处理,且所记录的信号不能进行回放分析。智能型红外在线监控系统采用红外热成像测温方式,应用计算机网络智能技术对电网设备进行在线实时监控,采用计算机压缩技术与网络传输技术,通过RJ45标准以太网通讯接口实现远端控制中心对监控现场的动态红外图像及温度数据的实时传输、记录与分析处理,完成对红外测温监控探头各种数据的在线设定、故障自动报警以及对监控目标的实时监测和实时控制等操作。

2.1 系统组成

智能型红外在线监控系统主要由探头、网络传输系统及监控管理系统3部分组成,如图1所示。其中,前端的探头系统包括红外热成像与CCD可见光探头、变电站云台、供电系统、室外防护系统;中间的网络传输系统由网络光缆、网络光缆转换器组成;后端的监控管理系统由服务器(计算机)、网络交换机和屏幕显示系统等组成。计算机通过专业的监控软件,对监控目标进行实时监测、实时分析、实时超温自动报警、自动生成报告、自动生成温度趋势变化曲线、实时控制等操作管理。

2.2 系统功能

智能型红外在线监控系统的功能如下:

(1)可实现温度、图像实时监测数据的多通道实时传输与监控,通过网络对监测器进行遥控调焦、测温校正、测温档切换、云台移动等,实现红外图像和可见光图像同步监视和实时图像识别。通过可见光图像与热图像实时融合识别热故障部件。

(2)可对点、线、区域及全图设定报警温度阀值或温升值,当温度超出报警值时,通过声、光、抓拍、录像等方式自动报警;可实时录像、定时录像、报警录像,录像回放剪辑和离线温度分析,并可实时捕捉报警信号,自动生成报警报告。

(3)可对指定温度段的温度分布进行统计分析、对区域间温差(如:温升)进行分析。

(4)可通过可见光图像与热图像的全图或局部融合,实现热图物体识别,并可自动或手动调节热图像对比度,增强局部图像的清晰度。

(5)可对区域或全图分别设置伪彩,以凸显温度范围的表达形式。

(6)具备一帧红外图像数据的回传,可实现二次分析处理。

(7)可生成标准格式(如:JPG,BMP,AVI)热图像,对热图进行信息记录和存档,并可被其他系统(如:Web服务等)直接使用。

(8)支持32个以上视频窗口的实时视频监控及分析处理,可实时捕捉最高点温度、多点温度及区域温度,实现最高温点报警、多点报警、区域温度平均值报警和延时报警。

(9)可自动生成带温度的任务日志,具备历史数据曲线生成和查询,自动管理对应温度的曲线及报告生成。

(10)系统具备数据库备份和恢复功能。

3 智能型红外在线监控系统在无人值守变电站中的应用

将智能型红外在线监控系统应用于智能电网无人值守变电站时,变电站一般需要安装摄像机、微音探头、数字/模拟环境变量采集模块、门禁、周界报警等设备,其中的音频、视频、环境变量数据、出入口控制等信息接入前端综合监控主机,其数字化资料被实时记录存储;管理中心管理所有的前端综合监控主机,实时监看前端的图像、环境数据、门禁信息等,并对前端的所有突发情况做出高效、及时的处理。无人值守变电站红外在线监控实景图如图2所示。

红外在线监控系统通过定时定点对变电站自动进行温度与图像的扫描,对站内设备表面温度进行实时监测,通过网络将各点温度及图像信息实时上传并储存于监控主机内,当温度超越设定的阀值时完成自动报警、自动录像、报告生成。将红外在线监控系统应用于智能电网无人值守变电站,可提高变电站设备温度、图像监测的智能化、信息化、网络化水平。

3.1 监控点设置

红外在线监控系统对每个监控探头最多可预设80个监控位置,系统软件按预设位置的顺序周而复始地对变电站内设备进行自动巡检、定点监控,并在数据库中建立每个预设位置所对应的电力设备历史监控信息的档案资料,以便对设备的运行情况进行实时跟踪和快速检索。

3.2 多屏显示

将红外在线监控系统应用于无人值守变电站,可实现变电站多监控点同屏监测、多屏显示(多探头集群监控),标准版软件系统可同时监控16路双视(即红外热成像加CCD视频),高级专业版软件系统可同时监控多达数百路双视,其软件系统对组合监控视频图像调节简便。

3.3 系统自动生成超温预警报告

红外在线监控系统在运行过程中,如果遇有超温报警情况时,系统将自动生成报告,报告自动关联监控点名称、描述、超温截图及处理意见等信息,可供用户存储、打印、输出。用户只需点击软件的报告信息菜单任务栏,即可出现超温报警时间、报告存储路径等信息,点击某一时间信息后,就能在软件界面自动弹出对应的超温报告,以供用户浏览分析。

3.4 系统自动生成工作日志报告

红外在线监控系统在每次巡检工作结束后,会自动生成预设位置日志报告,该报告记录每个预设位置的名称及温度信息,并根据预设的巡检和监控任务自动生成任务日志报告,通过鼠标点击屏幕右下角的报告信息菜单,选择需要浏览的日志及相应的时间,即可在软件界面自动弹出相关的日志报告供用户浏览、存储、打印、分析。

3.5 系统自动生成温度变化趋势曲线报告

红外在线监控系统可自动记录每个预设位置每次巡检的最高温度,并随时间推移自动生成预设位置的温度趋势曲线报告,用户可点击系统控制菜单中历史信息按钮,按时间段进行温度趋势曲线查询,系统自动弹出温度曲线记录画面,按任务设定和时间段选取用户所需温度记录,供用户浏览、存档、打印等。

3.6 电子地图查询、快速识别与定位

红外在线监控系统具有电子地图查询、地理位置快速识别与定位功能,对于多探头、多地区监控探头所在地点的地理位置,红外在线监控系统可将预先下载好的该地区卫星地图融合在软件系统中,并将监控探头图标置于地图中的该位置点,当系统发生报警时,地图中的监控图标会马上变为红色,并显示报警位置对应区域的地理位置信息,点击该图标,会显示报警位置的实时监控图像,如图3所示。

4 结语

将智能型红外在线监控系统应用于智能电网无人值守变电站,可通过对物体表面温度的实时监测及时发现设备异常运行情况、确定故障部位和故障状况,使与温度密切相关的设备维护从预防性人工检修提升到预知性无损检测,可减轻运行维护人员的工作强度,节约设备维护成本,提高设备运行异常的排除和处理速度,保证系统重要设备的安全可靠运行,提高电网运行的可靠性和智能化水平。

参考文献

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红外在线监控系统 篇4

1 在线红外分析仪的测量原理*

红外光源发出一定波长的红外光,经滤光和切光系统后分成对称的两束光,一束通过参比池,另一束通过测量池,接着进入光电检测器。当红外光通过测量池和参比池时红外光能被气体吸收,光能减弱,光电检测器检测辐射强度I,并将其转换为电信号,用于指示CO和CO2的浓度。

依据朗伯- 比尔吸收定律:

I = I0e－ kcl

式中c ———被测组分的摩尔分数;

I———经被测组分吸收后的光强度;

I0———射入被测组分的光强度;

k ———被测组分对光能的吸收系数;

l ———光线通过被测组分的长度,即气室长度。

2 应用中出现的问题与处理办法

TELEDYNE 7600 在线红外分析仪在制氢装置中应用时,出现了一些测量不准的问题,仪表维护人员在分析具体的故障现象之后,给出了改造方案,现汇总如下:

a. 样气含水。水分在1. 00 ~ 9. 00μm波长范围内几乎都有连续的吸收带,其吸收带恰好与CO( 4. 50 ~ 4. 70μm) 和CO2( 2. 75 ~ 2. 80μm) 的特征吸收波带重叠。这样水分会吸收红外辐射,从而干扰红外分析仪的精确测量。同样,当水分冷凝在晶片上时,也会致使红外分析仪产生较大的测量误差。为此,技术人员在预处理系统中加入脱脂棉脱液罐,通过此脱水装置后样品气中的水分被充分分离,这样就解决了样气含水而影响仪表精确测量的问题。

b. 样气含杂质。如果有杂质进入分析系统,就会吸收或折射部分红外光,这样检测器吸收的光强就会减弱,使得分析结果有较大偏差。为此,技术人员将原一级过滤改造为二级过滤,同时提高了过滤器的过滤等级,提升其过滤效果,避免了杂质对测量结果的影响。

c. 样气流速变化。当红外分析仪工作时,如果样气流速不稳,气室中的气体密度就会发生变化,这对仪表的测量精度有较大影响。为此,技术人员在仪表出口设置了背压调节阀,用来提高气室背压,减少流速对测量的影响,有效提高了仪器的测量精度和灵敏度。

TELEDYNE 7600 在线红外分析仪的精度小于1% FS,但在CO的误差值大于0. 001 00‰,CO2的误差值大于0. 000 20‰的情况下,该仪表不符合测量精度要求。为了检验上述改造方案实施后的效果,将2013 年4 月份记录的红外分析仪在改造前、后通入标准气进行验证的数据列于表1、2。表中,标有下划线的数据为超标数据。其中CO / CO2零点气的标气值为0. 000 00‰/0. 000 00‰,CO / CO2量程气的标气值为0. 080 00‰ /0. 016 00‰。

‰

由表1 中的数据可以看出,红外分析仪在受到水分、杂质及样气流速等因素的影响时,仪表指示数据与标样数据出现了很大的误差,超出了仪表的测量精度要求,导致仪表指示不准确。

‰

可以很明显地看出,在对TELEDYNE 7600 在线红外分析仪系统进行相关的技术改造之后,排除了水分、杂质及样气流速等因素对其测量精度的影响,仪表的指示值与标样值误差减小,说明改造方案提高了仪表的分析精度,使得仪表对样品气分析的准确性有所提高,保证了仪表的长周期、稳定、精确运行。

3 结束语

红外在线监控系统 篇5

绝缘子是电网中尤其是输电线路的主要绝缘部件, 是保障电气性能的重要部件。国内外学者提出了多种针对故障绝缘子的检测方法, 都是利用表征绝缘子状态的一个或几个特征量进行故障早期预报, 主要有分布电压法、敏感绝缘子法、脉冲电晕电流法、泄漏电流法、电场法、超声波测量法、绝缘电阻测定法等[1]。但这些方法检测精度较低, 易受电磁干扰, 安全隐患大、检测成本高的同时劳动强度大, 并且缺少对设备外绝缘性能实时信息的获取, 不能做到及时准确地判断。为此, 亟需一种安全准确、经济高效的故障绝缘子检测方法, 以实现输电线路由定期检修到状态检修的转变。

通过红外测温技术研究故障绝缘子的检测方法具有比较明显的技术优势和使用便利性, 将在电力系统运行和维护中发挥重要作用, 具有较大的使用价值和广阔的应用前景, 目前国内外有较多学者做了相应研究[2~4]。该技术在绝缘子检测方面的广泛应用仍有待于红外热成像设备分辨率的进一步提高。文献[5]在劣化绝缘子发热机理和热像特征方面做了有益的理论研究, 但没有现场实际的红外热像特征图谱, 对绝缘子电阻劣化机理方面也未做更深入的探讨。近几年红外热像仪的温度分辨率和空间分辨率较以前有了较大提高, 这为进一步深入研究绝缘子的发热机制及其红外测温提供了保障。

本文对故障绝缘子发热机理进行了详细分析, 通过试验模拟采用红外测温技术分别对零值绝缘子和污秽绝缘子进行快速在线检测辨别, 以验证该方法的有效性和实用性。

1 检测原理

1.1 绝缘子分布电压

由于绝缘子的钢脚/钢帽等金具部分、接地的杆塔和带电的输电线路之间都存在杂散电容, 因此绝缘子串的电压分布不均匀。随着绝缘子串长度的增加, 电压分布不均的现象更为显著。

正常情况下, 绝缘子串中绝缘子的电容C为40~60pF, 绝缘子对杆塔的杂散电容CE为4~5pF, 而绝缘子对导线的杂散电容CL为0.5~1pF, 由此可知CE的影响比CL大, 即绝缘子串中电压分配不均, 靠近导线的绝缘子承担的电压降较大, 靠近杆塔的绝缘子承担的电压降较小, 整串绝缘子的电压分布呈不对称的马鞍形[2]。绝缘子串各绝缘子承受的电压如图1所示。

1.2 绝缘子发热机理

绝缘子的发热由三部分组成[2,3]。一是在交变电场作用下电介质的极化效应引起的发热, 其发热功率可表示为:

式中, Ud为绝缘子的分布电压;ω为角频率;C0为绝缘子的极间电容 (约40~60pF) ;tanδ为绝缘子介质损耗角的正切值。

二是内部穿透性泄漏电流所引起的发热, 其发热功率可表示为:

式中, Ip为贯穿绝缘子的泄漏电流;Rp为绝缘子劣化后穿透性泄漏电流损耗的等值电阻。

三是绝缘子表面污秽产生的表面爬电泄漏电流所引起的发热, 其发热功率可表示为:

式中, Ic为绝缘子爬电泄漏电流;Rc是绝缘子表面污秽层泄漏电流损耗的等值电阻。

绝缘子串的电压分布呈不对称的马鞍形, 靠近导线的绝缘子的分布电压相对较高, 中间绝缘子承受的电压则低一些, 而靠近横担分布电压又有所回升。绝缘子的发热功率与分布电压的平方成正比, 正常绝缘子串的热像分布规律同电压分布规律相对应, 即呈不对称的马鞍形。

图2是绝缘子的并联等效电路, C0为极间电容, 通常约为40~60pF, 对应工频电压下容抗约为79.6~53.1MΩ;Rm为介质极化损耗等效电阻;Rp为内部穿透性泄漏电流损耗等效电阻, 其值取决于绝缘子内部劣化情况, 正常绝缘子为无穷大;Rc为表面泄漏电流损耗等效电阻, 其值与绝缘子表面清洁程度和气象条件有关, 正常情况下认为趋于无穷大。

绝缘子的等效电阻满足:

绝缘子总发热功率为:

式中, XD为等效容抗。显然P与RE呈非线性关系, 与分布电压Ud的平方成正比, 因此若零值绝缘子出现在不同位置, 则发热功率也不同。用求函数极值的方法求出其最大发热时的电阻值, 即:

由此可知, 故障绝缘子 (零值绝缘子或严重污秽绝缘子) 的发热功率只有一个极大值, 当绝缘子的绝缘电阻降到等效容抗XD值时, 绝缘子的发热功率最大。此时绝缘电阻称为最大发热电阻, 其值决定于绝缘子的极间电容值C0和绝缘子串的片数。

对于一个正常绝缘子来说, Rp和Rc均明显大于Rm, 故RE≈Rm, 此时的发热功率P值很小, 与分布电压的平方成正比。绝缘子发生劣化时, Rp值开始变小, 当小于300MΩ时, RE≈Rp, 此时发热功率集中在钢帽内部, 钢帽温度明显升高;当Rp继续下降且明显小于XD时, 尽管流过Rp的电流随Rp的下降而增大, 但其发热功率呈下降趋势;当Rp降至5MΩ以下时, 发热功率小于正常值, 理论上零值绝缘子的发热功率接近于零。相同电压下积污越严重, 绝缘子发热量就越大。

1.3 红外测温法

红外测温技术能够实现远距离、大面积快速扫描, 进而快速成像, 工作效率高。使用红外热像仪检测能够以图像的形式直观地显示、记录绝缘子的运行状态[6], 只要在适当位置用红外热像仪扫描绝缘子, 就可初步找出故障绝缘子。另外, 红外热像仪的响应速度快、数据采集速度高, 可批量检测绝缘子运行状况, 与以往人工徒步观测和登塔检测方法相比, 不仅大幅提高了工作效率, 降低了劳动强度, 同时还保障了工作人员的人身安全。

零值绝缘子是指绝缘子绝缘特性完全丧失, 其绝缘电阻为零或极低。理论上零值绝缘子不会发热, 其温度与环境温度一致, 因此通过红外测温法的特征图谱判别法可快速检测出绝缘子串中的零值绝缘子。

2 模拟试验与结果分析

2.1 试验方法

采用盘形悬式陶瓷绝缘子串进行模拟试验, 共4串绝缘子串, 每个绝缘子串从上到下分别标记为第1到第8片, 试验电压为65kV, 且上端为高压端。

首先对清洁绝缘子串与污秽绝缘子串进行对比试验, 4串依次为清洁串、污秽串、污秽串、清洁串, 污秽为硅藻土与氯化钠的混合物。人工均匀涂刷第2和第3串绝缘子串各绝缘子, 各绝缘子等值附盐密度均为0.15mg/cm2。上电工作30min后每隔10min利用红外热像仪得到污秽串和清洁串的红外图谱;然后对绝缘子串含有1个零值绝缘子的情况进行带电试验, 第2串绝缘子串中第2片绝缘子被短接, 为零值绝缘子, 第3串绝缘子串中第4片绝缘子为零值绝缘子, 第4串绝缘子串中第7片绝缘子为零值绝缘子。同样加压30min后每隔10min用红外热像仪得到零值绝缘子在不同位置时的红外图谱。通过以上两组试验以验证红外测温技术在故障绝缘子检测中的效果。

2.2 试验结果分析

图3 (a) 、 (b) 分别为清洁串绝缘子与污秽串绝缘子的红外热像图及其对应的温度曲线图。通过对比可知, 图3 (a) 的温度曲线较为平缓, 而图3 (b) 的温度曲线突变较多, 绝缘子串间温差较显著。污秽绝缘子的发热比正常绝缘子大, 因此与正常清洁绝缘子相比, 污秽绝缘子的热像表征图像会有明显的突变, 可通过精度较高的红外热像仪对不同污秽程度的绝缘子红外图像进行辨别。同时可发现靠近两端的两片绝缘子发热较大, 这主要是由于该处绝缘子承受的电压较高。

图4 (a) 、 (b) 、 (c) 分别为第2、4、7片为零值绝缘子的绝缘子串的红外热像图及其对应的温度曲线图。

零值绝缘子的位置对红外检测有一定的影响。零值绝缘子处于高压端与低压端时, 与相邻正常绝缘子平均温差较大;零值绝缘子处于绝缘子串中部时, 相对温差较小。因此, 靠近高压端与低压端的零值绝缘子易于被红外测温法检测, 中部零值绝缘子次之。

2.3 试验结论

通过对故障绝缘子的发热机理进行探讨分析, 以及基于红外测温的故障绝缘子快速在线检测模拟试验, 可得到以下结论。

(1) 污秽绝缘子发热比正常绝缘子大, 理论上零值绝缘子发热功率很低甚至为零, 其温度与环境温度接近;污秽绝缘子和零值绝缘子与相邻正常绝缘子温度变化大, 故当绝缘子有严重污秽或零值绝缘子存在时, 其热像表征图像会有明显的突变发生。

(2) 当零值绝缘子位于串中靠近高压端或低压端时, 其热像图像显示零值绝缘子与相邻正常绝缘子平均温差较大, 位于中部时与相邻正常绝缘子平均温差较小。

(3) 利用精度较高的红外热像仪基于红外测温法可对不同污秽程度的绝缘子进行辨别;靠近高压端与低压端的零值绝缘子易于被红外测温法检测, 中部次之。

3 结束语

本文通过试验验证了红外测温法在故障绝缘子在线检测中的有效性。该方法通过遥测绝缘子串温度分布来检测零值和污秽绝缘子, 不需要进行人工爬塔检测, 工作量小、工作效率高、安全性高且检测速度快。

摘要：分析故障绝缘子发热机理和红外测温法的原理, 采用红外热像仪对盘形悬式陶瓷绝缘子串进行模拟试验, 验证了红外测温法在故障绝缘子在线检测中的有效性。

关键词：红外测温法,在线检测,零值绝缘子,污秽绝缘子

参考文献

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红外在线监控系统 篇6

关键词：石脑油,在线NIR分析技术,分析系统,分析模型

乙烯是最大宗的石化产品之一, 其生产水平成为衡量一个国家或地区石油化工发展的主要标志[1]。在乙烯生产过程中, 准确实时测定原料的组成和性质, 通过先进控制系统优化裂解条件, 对提高乙烯收率、延长裂解炉管除焦时间, 降低能耗、保证装置高负荷平稳运行具有重要作用[2]。目前传统的分析技术分析频次低, 化验时间长, 已经不能满足装置优化运行对原料分析所提出的要求。因此, 选择一种可行的技术手段, 实现对裂解原料组成及性质的在线快速监测, 对提高乙烯工业的技术水平和经济效益具有重要意义。

在线近红外光谱 (NIR) 分析技术作为光谱测量技术、计算机技术、化学计量学技术和基础分析技术的有机结合, 已成为20世纪90年代以来发展最快的分析技术之一。NIR分析技术具有分析速度快、可同时测量多种样品指标、测试过程中不破坏和消耗样品等特点, 是典型的绿色测试技术[3], 目前, 已被广泛应用于主要的石化工艺过程, 如原油蒸馏、催化裂化、催化重整、油品调合和烷基化等的在线控制和优化[4]。本文主要介绍在线NIR技术在兰州石化公司乙烯装置的应用。

1 在线NIR分析系统

在线近红外分析系统流程如图1所示, 石脑油从石脑油原料罐采样口进入在线分析小屋, 由在线近红外分析仪预测其性质, 并将预测结果反映给装置工艺人员, 工艺人员根据原料性质的变化优化生产工艺条件。

本分析系统是在在线近红外分析仪基础上, 针对兰州石化乙烯装置的要求, 设计了样品预处理系统, 在现场实施安装和调试, 并实现了裂解原料石脑油的性质 (包括PONA值, 镏程, 密度等) 在线检测, 这些参数都是乙烯装置优化控制所需的关键参数。

在线近红外分析系统由以下几个部分组成:

1) NIR分析仪主机:测量样品的近红外光谱。

2) 样品预处理系统:对样品进行处理, 为精确、快速测量光谱提供必要处理条件。

3) 防爆系统和分析小屋:为现场工作提供必要的环境条件。

4) 公用工程:为分析系统提供所需的水、电和气等。

5) 近红外分析模型:建立石脑油各种性质与光谱之间的定量关系。

2 在线NIR分析模型

2.1 石脑油光谱采集

样品为兰州石化公司乙烯装置石脑油原料。在实验室, 在近红外光谱仪上, 采用光路参比测量光谱的方式, 将样品温度恒定在30℃, 放入检测池中采集光谱, 波长选为1000～1800nm。石脑油部分样品吸光度谱图如图2所示。

2.2 基础数据测定

建立模型的基础数据是采用标准方法测得的, 石脑油中族组成由SH/T 0714-2002测得;液体产品的密度测定法按照GB/T 1884-2000;馏程按照GB/T 6536-1997测定。

2.3 在线分析模型的建立

采用在线近红外光谱仪配套的化学计量学软件建立分析模型。光谱预处理方法根据具体性质决定, 经均值中心化和Savitzky-Golay导数处理, 与性质数据间通过偏最小二乘法回归 (简称PLS) , 采用交互验证法预测残差平方和 (PRESS) 确定主因子, 共建立了21个校正模型, 表1为21个模型具体的交互验证结果及外部预测结果, 模型统计参数中决定系数RC越接近于1, 说明近红外技术与标准方法越有一致性;SEC与SEP越小, 则模型的校正和预测结果越接近标准方法所测结果。

3 分析模型验证

3.1 准确性验证

为了验证所建校正模型的准确性和可靠性, 我们从2012年3月从装置上采样, 用实验室方法测定其基础数据, 并与在线测定结果进行对比, 石脑油原料与标准方法测得的性质残差 (预测值与真实值之差) 统计结果见表2。

由表2可以看出, 石脑油族组成和碳数分布及密度的性质残差较小, 满足相应标准方法的准确性要求。对于镏程, 近红外预测的性质残差较大, 这可能与基础数据准确性及样品集数据分布不均匀有关, 需要进一步收集数据, 完善校正模型。

3.2 重复性验证

为了考察分析系统的重复性, 选定装置运行处于平稳的某一段时间, 假定石脑油原料组成不发生变化, 通过对现场在线仪器运行2h内取得的数据进行重复性试验, 测试结果见表3。

由表3可以看出, 21个性质模型测量得到的标准偏差满足标准方法测定的重复性范围之内, 表明在线近红外分析系统及校正模型的稳定性和重复性满足要求。

4 运行效果

在线近红外分析系统自从2012年1月份开始投用到兰州石化公司乙烯装置以后, 经过这3个月的调试和试运行, 对预处理系统和分析模型进行了必要的改进和完善, 到4月份, 近红外分析仪已经提供较为准确及时的在线测试数据。后期需要继续优化分析系统工艺条件, 完善分析模型, 进一步提高结果的准确性。

5 结束语

本项目将在线NIR分析技术应用于兰州石化公司乙烯装置, 可实时、准确为生产装置提供所需要的分析数据, 对实现装置平稳、优化生产、提高产品收率、降低能耗, 最终提高经济效益将会有比较好的效果。

参考文献

[1]杨尔辅, 胡益锋.乙烯生产过程建模及控制盒优化技术综述[J].石油化工自动化, 2002, 18 (2) :16-17.

[2]徐广通.近红外光谱在线分析技术将优化乙烯生产工艺[J].国内外新技术, 2001, 11 (1) :22-23.

[3]徐广通, 袁洪福.近红外光谱定量校正模型适用性研究[J].光谱学与光谱分析, 2001, 21 (4) :458-460.

红外在线监控系统 篇7

随着我国人民生活水平的不断提高,人们对环境保护的意识也逐渐增强,在油品工业日新月异的今天,在汽油经历了含铅、低铅、无铅、高辛烷值的几个发展过程后,进入了清洁汽油的时代,欧、美、日等国家已进入新配方汽油阶段,新配方汽油主要限制硫、苯、芳烃和烯烃含量。从世界燃油发展趋势要求看,对汽油中有害组分含量的限制是汽油配方发展的必然趋势。降低汽油中有害物质的含量,有利于保护生态环境,提高社会环境和人类生活质量。目前,我国汽油结构突出的问题是烯烃含量高,由于我国汽油主要组份是催化裂化汽油,故烯烃含量一般在35%～60%之间,个别的可能更高。因此,为满足汽油达标要求,必须在采取降低催化汽油烯烃技术的条件下,利用重整生成油、烷基化汽油、MTBE、芳烃抽余油(直馏汽油)等组分进行优化调合,才能最大限度的利用现有组分生产出满足标准要求的清洁汽油产品。我公司的汽油生产必须在满足辛烷值的同时,降低成品油中的烯烃含量,以适应市场需求。而利用在线调合技术,合理优化调合组分,是生产清洁汽油的有效手段。按照公司汽油优化调合的要求,本试验研究在实验室调合测试的基础上,利用在线近红外光谱仪测定汽油组分及车用汽油辛烷值、烯烃含量、苯含量、芳烃含量等关键性质量指标,为进行在线汽油调合提供技术依据。

我国现有的汽油生产是泵循环罐式调合法,不仅需要昂贵的调合罐投资,而且调合时间长。一般调合一罐油先要循环1～2 h,做空白分析;之后根据分析数据加入各种添加剂再循环1～2 h,分析合格后出厂。这样调合不但时间长,而且调合油品损耗大,能源消耗多。同时由于人工操作不能对调合比例进行精确控制,调合作业必须分批进行,一次调合合格率低,调合成本高。汽油管道自动优化调合技术是为适应市场经济、合理配置资源、挖潜增效应运而生的一项高科技项目。它充分体现了企业在采用高新技术、降低成本、提高效益方面所见的成效。它不仅可实现质量跟踪控制、优化操作、降低质量过剩,又克服了传统泵循环罐式调合所带来的倒罐频繁、指标过剩、能耗加大、工人劳动强度大等不利因素。

应用在线近红外分析技术为车用汽油管道优化调合的实现提供了有效的质量控制手段。近红外型分析仪是近年来世界上新兴起的一门技术含量比较高的高科技产品, 它不但采用了当今先进的计算机技术和先进的光纤传导技术,而且应用了新兴起的边缘学科——化学计量学。不但可以分析汽油的辛烷值、馏程、比重、芳烃含量等,还可以分析柴油的十六烷值、比重、凝固点。具有在线分析时间短、精度高、维护量小的特点。

2 测试原理

2.1 基本光学原理

仪表采用的光学原理为朗伯-比尔定律。

2.2 近红外技术原理

近红外光谱来源于红外区的一部分,介于可见光与中红外之间,其波长为800～2 500 nm。它的光谱来源于振动能级跃迁所产生的泛频吸收,物质的近红外区光谱是其中各基因团泛频吸收叠加的结果。尽管朗伯-比尔定律适合每个基团的吸收强度与其含量之间的定量关系,但对于一个吸收峰高度叠加的定量分析简单的应用朗伯-比尔定律显然是不适用的。1990年美国发展了多元线性回归模型,用部分最小二乘法成功地进行了近红外光谱区的定量分析。理论是:物质中某一化学成分的含量与近红外区内多个不同的波长点吸收峰呈线性关系。公式如下:

Yi=B0+b1x1+b2x2+…+bixi

式中:B0,b1,b2,…,bi——回归系数;x1,x2,…,xi——第n个波长点的吸收峰;Yi——近红外光谱分析的某个化学成分含量。

通过对一批已知其化学成分含量的近红外光谱校正,可获得n个波长点的回归系数,再用这个被确定的模型来预测未知样品中该化学成分的含量。以化学计量学建立的测量关联图如图1所示。

2.3 化学计量学原理

化学计量学是化学、计算机技术与数学相互结合形成的一门崭新的边缘学科。现代分析化学计量学已发展成数理统计、数据处理、分类、解析、实验设计最优化、最大限度地获取有关物质系统化学信息等的有效方法。其特征之一是进行多点、多维分析信号测试,进行多组份同时测定。由于采用了计算机技术,通过解析化学数据获得物质的有关化学信息,利用数学模型和数学方法描述,消除基质和干扰组份的影响,从而对复杂样品不经预处理直接进行多组份分析。该仪表应用化学计量学原理完成近红外谱图解析,消除基质和干扰组份的影响。

3 分析仪升级改造

我公司原安装的在线近红外分析仪Model310于1997年购置,操作系统为DOS界面,操作命令多且比较复杂,不能满足多个组分多探头测量的调合要求及多指标模型开发的需要,为满足生产清洁汽油的要求,对汽油调合优化系统进行了全面改造,同时对近红外分析仪主板CPU、 NIR 光纤输出模块(包含八根双光束光纤的集合器以及检测器)、SpectronTM操作系统、稳定性监视系统进行升级。现场的分析探头和光纤全部进行了保护拆除和重新安装。

4 在线近红外分析仪的系统构成

图2是在线近红外分析仪系统的结构图,它主要包括以下组成部分:近红外分析仪、光纤、探头、工作站、Spectron控制分析操作软件。

5 模型的开发和应用

根据汽油在线调合优化系统原则工艺流程图及汽油调合配方优化原则,以90#汽油调合为例说明模型的开发和应用过程。

5.1 调合系统原则工艺流程图

图3是汽油在线调合系统原则工艺流程图。

5.2 汽油调合配方优化原则

(1)汽油调合组分共有八个,分别为催化汽油、MTBE、异辛烷、生成油、重芳烃、非芳烃、甲苯和二甲苯。

(2) 汽油调合尽可能不用或少用甲苯和二甲苯组分。

(3)催化汽油、重芳烃、MTBE和异辛烷全部用于汽油调合。

(4)非芳烃尽可能不用或少用。

(5)汽油调合尽可能少用生成油组分。

(6)尽量降低低牌号汽油的产量,尤其是90#汽油产量。

(7)重芳烃的调入比例不宜大。一方面影响汽油的芳烃含量,另一方面影响汽油的馏程。

(8)对MTBE的最大调入量进行控制, 以保证汽油的氧含量合格。

对90#汽油调合,调合的主要任务是保证汽油的烯烃含量合格,尽量少用生成油和非芳烃,尽可能降低90#汽油的总产量。90#汽油的调合组分为催化汽油、重芳烃、异辛烷、非芳烃和生成油。

5.3 分析仪静态模型建立

(1)采样。

化验室配置每种类型油品样品至少40个,样品要有代表性,应包含各种正常工艺条件下的样品,现场样品必须在采样的同时利用Spectron软件采集近红外光谱。

(2)进行光谱分析。

谱图扫描:对每个样品进行扫描,将光谱图存盘,然后运行基线校正程序处理光谱,将光谱的图形文件转换为数据文件。 汽油的近红外谱图如图4所示。

(3)实验室分析:按照要求在实验室对所有样品进行相关项目研究法辛烷值、马达法辛烷值、芳烃含量、烯烃含量及苯含量基本含量的常规分析。再将实验室分析值输入到界面软件的分析项目数据栏。

(4)利用Model Studio软件对光谱图进行基线校正及波长范围的选择处理,波长范围过大带入的干扰因素增多直接影响建立数学模型分析精度。基线校正及波长选择后的光谱图如图5所示。

(5)利用近红外模型建立软件进行离线建模工作。建立数学模型的过程尤为重要,在建立模型过程中,首先在模型计算过程中删除与数学模型关联性差的界外点样品,要反复计算,删除偏离太大的界外点。这些界外点产生的原因包括:扫描的光谱图与同类样品的光谱图差别很大;样品不纯或工艺变化;调合配方中个别组分比例变化范围大;或化验室分析数据误差太大。删除界外点样品要考虑因素很多,要综合对比分析软件中的各个因素分析。其次要考虑主因子数的选取,主因子数太大影响数学模型的分析准确度,选取合适的主因子数使数学模型包含预处理后光谱含有的信息。最后保存模型图,预测建立的数学模型,进行偏差、标准方差及平均误差的分析并将数学模型导出到操作界面。

(6)以90研究法数学模型举例说明。模型统计参数如表1所示, 90#汽油研究法模型参数相关图如图6所示。

通过预测和实际测量的斜率、截距及相关性的符合程度来判断建立数学模型的适用性,符合性越好,建立的模型适用性越好。从表1数学模型统计参数斜率、截距及相关系数可以看出,仪表模型参数基本满足生产需要。

(7)运行Spectron软件将以上建立的90#数学模型安装到近红外分析仪的Spectron界面软件里。再次修改Spectron界面软件相应的系统设置参数。

(8)采用最简单的模型评价方法:采样与化验室对比验证建立数学模型的适用性。

5.4 动态模型的建立

离线模型应用到在线分析后,考虑管道液体流量、压力、温度等因素的影响,需要对模型的准确性进行验证和校正。在调合过程中,对组份和调合成品进行采样分析,对不理想的近红外模型加以校正和完善,建立动态模型。2006年仪表调试完成,在线汽油管道优化调合进入工业试生产阶段,分三个阶段对数学模型进行动态校正。根据汽油成品指标要求、调合系统优化目标和控制目标的要求,需要对90#、93#、97#成品及催化汽油、直馏汽油、生成油、异辛烷五个组分的数学模型扩充完善和建立非芳烃的模型。每个成品及组分分析汽油研究法辛烷值、马达法辛烷值、芳烃含量、烯烃含量、苯含量五个质量指标,每个质量指标必须建立一个数学模型,共建立40个动态数学模型。

第一阶段:进行单管道走油过程。对催化汽油、直馏汽油、生成油、异辛烷、非芳烃五个组分的动态样品扫描,收集光谱图,建立动态数学模型。辛烷值校证前后误差分析如表2所示。

第二阶段:比例调合。主要是对催化汽油、90#、93#、97#模型的校正。数学模型在没有校正之前误差比较大,催化汽油在模型校正后,调合时直径不同的输转线混合,两套催化装置的催化汽油品质有较大差别,有时在催化汽油中掺入碳四,使得分析误差增大,只有模型再一次校正,校正前后误差分析如表3所示。

第三阶段:优化控制。 90#、93#、97#车用汽油模型调整后,研究法辛烷值(RON)在线分析和化验室分析对比数据误差没有超过0.3,满足生产需要。建立的各组分和90#、93#、97#汽油的烯烃含量、芳烃含量、苯含量能指导生产。

5.5 分析仪开发建立的数学模型运行情况

2007年汽油在线调合使用率达到70.65%,一次合格率由原来的75%提高到94.5%,起到了增加调合生产能力、减少调合质量过剩和重新调合次数的作用。

(1)提高一次调合合格率。

从表4数据可以看出,利用在线调合系统,90# 、93#、97#数学模型满足生产需要,一次调合合格率远远高于75﹪的指标。

(2)调合结果化验室实测值与在线调合目标值之间的误差情况。

分析模型误差为0.3个辛烷值,属于国内领先水平,兰州石化汽油调合组分五个,成品三个牌号。车用汽油优化调合系统投用后,根据储运厂2007年抽取75罐次90#车用汽油,121罐次93#车用汽油,48罐次97#车用汽油调合结果化验室实测值与在线调合目标值之间的误差情况如表5所示。由表中知在线调合90# 、93#、97#的辛烷值数学模型满足生产需要。

5.6 模型维护

所有建立的模型都不是一成不变的,因生产方案、原油品质变化等因素,模型需要不断在线校正,也需要化验室不断配合对样品进行分析,以不断扩充完善,这是一个长期的工作,随着调合项目的深入,模型会越来越完善,能够为在线调合提供可靠的支持。

6 效益分析

由于在线近红外分析仪能及时准确地反映油品在调合过程中瞬间质量变化情况,所以应用近红外分析仪实时监测汽油调合质量,在合理利用组分、优化调合比例、提高产品质量、增产高牌号清洁车用汽油方面效益显著,按原油加工1×107 t/a的处理量计算,仅优化组分增产高牌号汽油一项每年创造的效益在五千万元以上。其它如提高一次调合合格率,在线汽油管道调合代替了传统的罐式调合,减少罐式调合中的设备占用率,降低设备损耗及人工劳动强度,合理利用组分卡边,减少质量过剩,减少汽油耗损等,可产生巨大的社会效益。

7 结 论