基于紅外熱成像技術實現(xiàn)電廠設備故障診斷系統(tǒng)研究

姚榮財，常福杰

（1.神華國華壽光發(fā)電有限責任公司，山東 濰坊 262714；2.北京電科智擎科技有限公司，北京 100000）

電廠設備往往處于高壓、強磁場環(huán)境中。傳統(tǒng)的接觸式測量會給工作人員帶來很大的安全隱患。當前，紅外熱成像技術被廣泛用于電廠設備故障診斷與檢修，通過檢測電廠設備和布線中的熱缺陷可以快速發(fā)現(xiàn)故障隱患，有效預防重大事故。紅外熱成像技術是電廠設備預防性維護領域最有效的檢測工具。為了保證電廠設備的可靠運行，運維人員可以用便攜式紅外熱成像儀定期對設備進行紅外掃描，確保設備處于常溫下運行。但是，這種檢測方法不是實時的，無法在設備運行狀態(tài)發(fā)生變化后及時檢測到設備的溫度變化，而通過在線遠程紅外攝像頭可以實時監(jiān)測關鍵設備溫度，解決無法及時發(fā)現(xiàn)設備過熱的問題。

1 電廠設備過熱故障常見原因

電廠設備故障的風險等級從設備跳閘一直延伸到設備起火或損壞。電廠設備的早期異常往往伴隨著明顯的溫度變化跡象，尤其是在導電且絕緣不良的情況下。此外，設備設計不合理、制造工藝標準低、安裝、操作和維護不當也會造成電氣或動機設備過熱。過熱是設備故障的主要癥狀，也是事故的先兆，而設備過熱的常見原因主要包括：

（1）接觸電阻超標：主要是因為螺絲或滑動按鈕松動、氧化、接觸不良或接觸面積不足。

（2）漏電或放電：設備絕緣性能低，如表面污染、高濕度、絕緣劣化、間隙不足或過電壓導致設備絕緣性能降低，進而發(fā)生漏電或放電。

（3）設備過載：由于設備設計或選型不合理、保護裝置工作不正常、超負荷等原因?qū)е码姀S電器設備發(fā)生過載，導致其溫度上升。

（4）渦流：由于設備設計、安裝不合理引發(fā)的渦流感應導致的設備過熱在實踐中很常見。

（5）設備散熱性能差：主要原因是設備工作環(huán)境溫度過高導致過熱、機柜通風不暢、降溫設備運行異常等。

（6）雷暴、大風、冰雪災害、外力等因素也可能導致電廠設備過熱。

2 電廠設備故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)

在電廠設備所在區(qū)域安裝具有紅外測溫功能的遠程控制云臺攝像機，將紅外熱成像儀安裝在云臺上，不僅可以進行遠程視頻監(jiān)控，還可以通過云臺實現(xiàn)快速平移/傾斜移動，方便檢測設備各個角度的溫度變化。系統(tǒng)可以自動檢查設備各個位置的溫度，并通過網(wǎng)絡將紅外熱像和溫度數(shù)據(jù)實時發(fā)送到監(jiān)控中心，以便進行故障診斷分析。系統(tǒng)可以設置溫度和溫度限制以捕獲特定位置的溫度。系統(tǒng)可以自動保存每條測溫記錄并同時錄制視頻。當系統(tǒng)檢測到溫度異常（即超過設定的高低溫范圍）時，監(jiān)控屏閃爍并發(fā)出蜂鳴警報聲，提醒監(jiān)控人員設備出現(xiàn)異常。電廠設備故障診斷系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 電廠設備故障診斷系統(tǒng)框架

系統(tǒng)可以自動或手動設定巡視檢查路線，實時捕捉設備指定部位的實時視頻、紅外圖像和溫度數(shù)據(jù)，并在3D場景中測量設備信息和PI測點信息。系統(tǒng)還可以在巡視檢查期間接收設備當前運行狀態(tài)的信息。通過對采集到的設備溫度信息和運行狀態(tài)信息進行對比分析，判斷是否存在異常，并在第一時間顯示報警信息時通知值班人員。在每次巡視檢查結(jié)束時，系統(tǒng)會自動創(chuàng)建檢查日志、檢查報告和告警記錄。

3 電廠設備故障診斷系統(tǒng)典型應用

（1）溫度異常檢測利用紅外攝像頭或者機器人從現(xiàn)場采集到設備溫度信號，通過智能分析系統(tǒng)確定設備溫度，超過限值則發(fā)出報警。具體算法類型和邏輯解釋：利用紅外熱成像技術，基于熱感應溫度測量原理。在自然界中，除了人眼可見的光（俗稱可見光）外，還有紫外線、紅外線等不可見光。自然界中溫度高于絕對零度的每個物體都會始終發(fā)出電磁波（紅外輻射線）。因此，紅外線是自然界最常見的電磁波，而且紅外熱輻射不會被大氣煙霧吸收。隨著科學技術的飛速發(fā)展，利用紅外線的特性，將電子技術與計算機軟件相結(jié)合，利用紅外線檢測技術對熱輻射進行檢測和測量。熱傳感器接收物體表面發(fā)出的熱量差，通過電子技術和軟件處理，呈現(xiàn)出不同亮度或色差的圖像，我們通常稱為紅外熱成像。通過熱輻射算法轉(zhuǎn)換熱量后，在熱圖像和溫度之間轉(zhuǎn)換。

（2）磨煤機除粉器頂部堆積的粉體自燃監(jiān)測。利用紅外攝像頭可以實時檢測除粉器頂部的粉末堆積溫度，如果堆積溫度過高則發(fā)出報警（如圖2）。溫度測量時，應該為每個被檢測設備選擇不同的環(huán)境溫度參考體以及正確的目標發(fā)射率。比較同類設備時，確保測溫設備與各對應點的距離不變，方向不變；針對最熱點的溫度需要從多方面進行測量；記錄異常設備的實際負載電流和加熱相、正常相、環(huán)境溫度參考體的溫度值。

圖2 磨煤機除粉器頂部的粉管溫度監(jiān)測

（3）電廠各種動機表面管溫度監(jiān)測。利用紅外攝像頭，基于紅外熱成像原理，精確確定設備在運行過程中的表面溫度。同時，后臺監(jiān)控界面會準確顯示設備當前的工作溫度，如果溫度超過設定的閾值就會報警。

4 結(jié)語

綜上所述，電廠設備的故障會導致設備跳閘和損壞。在嚴重的情況下將導致電廠意外關閉，造成重大損失。大多與設備故障的發(fā)生和發(fā)展過程與設備散熱和溫度的升高密切相關。基于紅外熱成像技術的電廠設備故障診斷系統(tǒng)典型應用包括溫度異常檢測、溫度異常報警，支持顯示報警圖像和視頻，磨煤機除粉器頂部堆積的粉體自燃監(jiān)測、磨煤機除粉器頂部的粉管溫度監(jiān)測，可以統(tǒng)計分析所有測溫點的溫度信息，支持查詢測溫點一年內(nèi)的溫度統(tǒng)計信息。通過紅外熱成像、非接觸式溫度傳感以及紅外測溫技術可以遠程監(jiān)測設備運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)設備異常，直觀準確地發(fā)現(xiàn)和評估設備的過熱故障，方便運維人員迅速采取措施有效預防事故發(fā)生。