Obrazy termograficzne to narzędzie pomocne w dokładnych i niezawodnych pomiarach nieregularnych rozkładów i gradientów zmian temperatur w części obiektów przemysłowych.
Dokładny pomiar temperatury zawsze był bardzo ważnym i trudnym wyzwaniem. Dotyczy to w szczególności aplikacji przemysłowych, głównie wszelkiego rodzaju zbiorników, rurociągów, zaworów, reaktorów chemicznych itp. Ekstremalne wartości temperatur oraz niejednolite gradienty zmian temperatur w tego typu aplikacjach czynią praktycznie niemożliwym ich monitorowanie we wszystkich istotnych punktach, z wykorzystaniem tradycyjnych metod.
Jednocześnie bez dokładnego i wczesnego wykrycia zmian temperatury wzrasta prawdopodobieństwo uszkodzeń i awarii wpływających bezpośrednio na bezpieczeństwo i niezawodność procesów przemysłowych. Konsekwencje takich awarii mogą być bardzo poważne. Pęknięcia ścian zbiorników, reaktorów czy rurociągów mogą doprowadzić do utraty życia, znaczących strat materialnych, nieodwracalnych uszkodzeń sprzętu itp. Dlatego też wszystkie tego typu aplikacje wymagają prowadzenia bardzo dokładnego monitoringu wielopunktowego, a najlepiej płaszczyznowego, wszelkich zmian temperaturowych, nieregularności rozkładu temperatury itd., tak by użytkownik miał szansę na uniknięcie zagrożeń i ograniczenie dodatkowych kosztów związanych z usuwaniem awarii czy wymianą sprzętu.
Od wielu już lat pomiary takie organizowano w oparciu o elementy termopar i czujniki optyczne (światłowodowe). Jednakże oba ze wspomnianych wariantów nie zapewniają odpowiedniej niezawodności i są stosunkowo kosztowne (koszty instalacji i utrzymania). Zwykle korzystają one z połączeń przewodowych lub światłowodowych, pozwalając tylko na punktowy pomiar temperatury na zewnątrz zbiornika czy rury. Może to skutkować błędnym pomiarem ze względu na powierzchniowe gradienty temperatur. Ponadto dość częste uszkodzenia termopar powodują braki danych pomiarowych z konkretnych miejsc w strukturze całego systemu, uniemożliwiając dokładne oszacowanie rozkładów temperatur w okresach od uszkodzenia do wymiany czujnika. W konsekwencji prowadzi to do możliwości utworzenia niebezpiecznych miejsc wzrostu temperatury (niekontrolowanych), które mogą z kolei doprowadzić do uszkodzenia infrastruktury zbiorników, rurociągów itp.
Podstawowym problemem i źródłem błędów pomiarowych w tego typu tradycyjnych systemach jest fakt, że czujniki muszą być zamocowane na powierzchni płaszcza lub poszycia zbiornika, rury itp. Chropowatość powierzchni i wysokie temperatury otoczenia z czasem prowadzą do pogorszenia styku z czujnikiem, rozszczepienia warstw, oderwania od powierzchni i innych uszkodzeń, uniemożliwiających lub fałszujących pomiary. Oddziałujące dodatkowo czynniki pogodowe prowadzą do powolnej degradacji samych czujników i infrastruktury pomiarowej tak, że pracownicy odpowiedzialni za serwis, bezpieczeństwo urządzeń i procesów tracą zaufanie do wskazań przyrządów, tym samym nie mogąc zagwarantować odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa.
Z pomocą przychodzi jednak nowoczesna technologia obrazów termograficznych, która pomimo sporych kosztów inwestycyjnych staje się realną alternatywą dla opisanych wcześniej rozwiązań tradycyjnych. Najważniejszym elementem tej technologii jest brak konieczności bezpośredniego kontaktu detektora z obiektem podlegającym pomiarowi, dzięki czemu wzrasta niezawodność i łatwość prowadzenia nawet skomplikowanych, przestrzennych pomiarów. Detektory, kamery termowizyjne mogą być również dość łatwo integrowane za pomocą różnego typu interfejsów, z powszechnie stosowanymi systemami monitoringu i wizualizacji, archiwizacji danych oraz systemami SCADA. Wszystko to sprawia, że operatorzy i grupy serwisowe uzyskują znacznie łatwiejszy dostęp do istotnych danych, lepiej odwzorowujących stan procesu i poszczególnych elementów infrastruktury, co podnosi bezpieczeństwo pracy maszyn i ludzi.
Widzę, wiem, reaguję
Dominującym obecnie trendem w przemyśle chemicznym, rafineryjnym, przetwórczym jest wykorzystanie kamer i systemów wizualizacyjnych w coraz większej liczbie aplikacji, w tym również omawianym w niniejszym tekście monitoringu stanu infrastruktury zbiorników, reaktorów, rurociągów itp. Dzięki temu operatorzy obsługujący tego typu urządzenia i obiekty w zakładzie mogą na żywo, w czasie rzeczywistym, w kolorze, śledzić na nich zmiany i rozkład temperatur lub ciśnienia. Takie obserwacje nie były dotąd możliwe, nawet przy wykorzystaniu czujników i systemów światłowodowych, które pozwalały na dość dokładne i wczesne wykrycie sytuacji zagrożeń, awarii. Jednak systemy bazujące na technologii termowizyjnej idą znacznie dalej, umożliwiając obserwację kompletnych profili rozkładu i zmian temperatury na powierzchni i wewnątrz obiektów, wskazując jednoznacznie, wyraźnie miejsca potencjalnych zagrożeń. Pozwala to na wczesne wnioskowanie i zapobieganie ewentualnym uszkodzeniom.
Monitoring termowizyjny w akcji
Przykładem aplikacji systemu termowizyjnego jest instalacja składająca się z 14 kamer podczerwieni, monitorujących od ośmiu lat gazogenerator pracujący w procesie produkcji gazu Chevron-Texaco (USA). Jak twierdzą sami pracownicy zakładów, istniejący wcześniej system pomiarowy, bazujący na sieci czujników-termopar, ulegał stopniowej degradacji już od momentu jego instalacji, ze względu na montaż czujników na powierzchni osłony gazogeneratora. W trakcie eksploatacji czujniki zaczęły różnie reagować na zmiany temperatur i pracownicy stracili zaufanie do danych dostarczanych przez system. Ponadto stary system dawał tylko ogólny pogląd, gdzie i kiedy mogą wystąpić problemy, uniemożliwiając operatorom sprawne i skuteczne prowadzenie prac serwisowych. Ponadto elementy systemu musiały być każdorazowo demontowane, przy prowadzeniu jakichkolwiek prac serwisowych na powierzchni monitorowanych urządzeń infrastruktury lub w ich wnętrzu. To znacznie wydłużało czas niezbędny do ich przeprowadzenia oraz zagrażało potencjalnie integralności systemu monitorującego.
Po wprowadzeniu systemu opartego na technologii termowizyjnej operatorzy szybko dostrzegli jego korzyści. Pierwszą z nich była możliwość bardzo łatwego zintegrowania nowego systemu z istniejącą infrastrukturą sieci sterowania i monitoringu oraz połączenie z modułami akwizycji danych. Od momentu wdrożenia nowej technologii pracownicy grup serwisowych nie muszą już reagować na niebezpieczne zdarzenia dopiero po ich wystąpieniu, mają bowiem narzędzie, które umożliwia im ich predykcję. Jest ona możliwa dzięki prowadzeniu ciągłych pomiarów na całej interesującej obsługę powierzchni, wraz z obserwacją gradientów zmian temperatur w czasie, dzięki czemu pracownicy obsługi i serwisu, analizując te parametry, mogą odpowiednio wcześnie dostrzec symptomy ewentualnych zagrożeń czy uszkodzeń.
Co więcej, możliwe jest rejestrowanie np. cotygodniowych obrazów termograficznych, przechowywanie ich i porównywanie z obrazami archiwalnymi oraz zarejestrowanymi w kolejnych cyklach czasowych, w celu wychwycenia różnic lub zmian. Po ewentualnym remoncie pieca czy reaktora i obłożeniu go nową warstwą okładziny ogniotrwałej możliwe jest ustalenie dla systemu monitorującego tzw. stref zagrożonych, w których konieczne jest szczególnie szybkie wychwycenie niekorzystnych zmian. Takie działania pozwalają na lepsze zrozumienie przyczyn degradacji warstw ochronnych w miejscach poddawanych działaniu wysokich temperatur lub dużych zmian temperatury w krótkim czasie itp.
W nowym systemie pracownicy obsługi otrzymują niezbędne informacje szybko, co ważne nie tylko w formie podstawowej, ale również zaawansowanej ? np. histogramy, porównania, analizy. W krótkim czasie przekonują się również, że system pomiaru i monitoringu funkcjonuje niezawodnie, w związku z czym nabierają do niego zaufania i podejmują ewentualne decyzje, zawierzając jego wskazaniom i wynikom analiz. Na przykład przy rozruchu jednostki gazogeneratora operatorzy zauważyli obszar o podwyższonej temperaturze, pojawiający się przy połączeniu dyszy wylotowej, który nigdy nie został zarejestrowany w poprzednim systemie, bazującym na termoparach. System termowizyjny umożliwił im ponadto dalsze obserwowanie tego miejsca i jego zmian termicznych, w efekcie których stwierdzono, że nie są one na tyle znaczące, by wywoływać alarm. Pracownicy dokonali oceny zjawiska, przeprowadzili jego analizę, szacując ryzyko pojawienia się potencjalnych uszkodzeń i ustalili konieczność jego monitorowania, bez podejmowania w danym momencie żadnych działań interwencyjnych.
Zwiększone bezpieczeństwo
Krótszy czas reakcji na alarm, zwiększone możliwości w zakresie predykcji zdarzeń oraz ulepszone narzędzia przekazu i wizualizacji informacji to trzy podstawowe zalety wykorzystania technologii termowizji w monitoringu rozkładu temperatur infrastruktury pieców, reaktorów, rurociągów. Jak już wspomniano, operatorzy mogą bardzo łatwo zintegrować elementy nowego systemu z infrastrukturą sieciowych systemów automatyki i akwizycji danych, analizować trendy zmian i uzyskiwać informacje niezbędne do prowadzenia sprawnego serwisu i utrzymania ruchu. Ciągły strumień danych, pozyskiwanych w czasie rzeczywistym pozwala na śledzenie zachowania i kolejnych etapów pracy monitorowanych urządzeń, wychwycenie symptomów zagrożeń i obserwację zmian po ewentualnej interwencji. Dzięki temu możliwe jest ograniczenie lub całkowite wyeliminowanie nieprzewidzianych przestojów maszyn i procesów przemysłowych oraz śledzenie zmian temperatur w miejscach, gdzie dotychczas było to utrudnione lub wręcz niemożliwe.
Instalację systemów termowizyjnych podjęło już wiele zakładów przemysłowych. Pozwala im ona bowiem na precyzyjne monitorowanie parametrów istotnych z punktu widzenia bezpieczeństwa i ciągłości produkcji, gwarantując niezawodność, łatwość integracji i obsługi.
Lenny Shaver, dział rozwoju, firma LumaSense Technologies, Inc.
Opracował dr inż. Andrzej Ożadowicz, AGH Kraków
CE
