آشکارسازی نشت لوله بویلر در نیروگاه ها


در دسامبر 1992، گروه تحقيقاتي شركت PENELEC – GPU، سيستم مانيتورينگ صوتي AMS-1 را براي نصب در واحد 1 نيروگاه Conemough خريداري كرد. واحد1، داراي يك بويلر CE، 850 MW، 3675 psig است كه بهره برداري از آن از سال 1970 آغاز شده است.

در سيستم AMS از موجبرها و سنسورهاي نصب شده روي ديواره بويلر و لوله هاي نوع peg finned براي شنيدن صداهاي ناشي از نشت استفاده مي شود. در نزديكي محل هر موجبر يك تقويت كننده اوليه قرار دارد كه از طريق يك كابل كواكسيال بطول 1500 ft به كابين سيستم متصل مي شود. سيستم AMS در اتاق پخش كابل قرار داده مي شود. اين سيستم داراي يك مدار الكترونيكي براي تقويت و ********** كردن سيگنال هاي ورودي مي باشد و نرم افزاري براي محدود كردن سيگنال صوتي تقويت شده در باندهاي فركانسي 1.7 kHz تا 90 kHz و 20 Hz تا 1 kHz دارد. اگر انرژي صوتي ايجاد شده بوسيله نشت، از يك مقدار آستانه اي معين در يك مدت زمان معين فراتر رود، سيستم سيگنال هشدار توليد مي كند.
هدف پروژه، ارزيابي قابليت اطمينان، ميزان موثر بودن و هزينه سيستم آشكار سازي نشت مبتني بر فن آوري جديد موجبر فلز برد بود. در ماه مه 1994 بعنوان بخشي از پروژه، دو موجبر فلز برد در كنار دو موج بر هوا برد در بخش اكونومايزر قرار داده شد و مورد آزمايش قرار گرفت تا مقايسه اي ميان حساسيت اين دو فن آوري متفاوت انجام شود.
در طول اين پروژه پنج ساله، نشتهاي متعددي در واحد1 رخ داد كه سيستم AMS آنها را فقط بعنوان وجود مشكل در بويلر براي اپراتورها مشخص مي كرد. همچنين در طول مدت آزمايش موجبرهاي هوا برد و فلز برد در كنار هم، يك نشت در بخش اكونومايزر روي داد.

نتايج نشان داد كه موجبرهاي فلز برد بسيار حساس تر از موج برهاي هوا برد هستند. همچنين اثبات شد كه موجبرهاي فلز برد قابليت اطمينان بيشتري نسبت به موجبرهاي هوا برد دارند و هزينه نصب آنها كمتر از موجبرهاي هوا برد مي باشد. با توجه به اين كه براي نصب موجبرهاي فلز برد نياز به وجود روزنه در كوره نيست، كاربرد اين موجبرها در كوره پايين بسيار ارزشمند است.

بين سالهاي 1995 و 1997 اين سيستم به سيستم مانيتورينگ صوتي AMS-2 ارتقاء داده شد و ارتباط سريال DCS با اپراتور تكميل شد. هم اكنون، نيروگاه Conemough يك سيستم مانيتورينگ صوتي دارد كه بويلرهاي 1و 2 را نظارت مي كند. هر بويلر داراي هشت موجبر فلز برد همراه با شتاب سنج است.
برنامه هاي نيروگاه براي آينده، نصب سنسورهاي بيشتر به هر دو واحد با تعداد بهينه 28 است. با افزايش تعداد سنسور ها مي توان تمام بخشهاي هر دو واحد را تحت پوشش قرار داد . سيستم AMS-2 مي تواند حداكثر 192 ورودي را روي حداكثر 8 بويلر متفاوت نظارت كند.

تئوري آشكار سازي نشت :
اين سيستم براي آشكار سازي نشت هاي جزئي بخار در سيستمهاي تحت فشار نظير بويلر هاي قدرت، بويلر هاي بازيابي و هيتر ها طراحي شده است. اين سيستم، كار آشكارسازي را با اندازه گيري مداوم صداهاي داخلي بويلر با استفاده از سنسورهاي پيزو الكتريك انجام مي دهد. سنسور ها در تمام بخشهاي بويلر قرار داده مي شوند و تعداد آنها بسته به اندازه بويلر بين 12 تا 40 سنسور در هر بويلر مي باشد. ارتعاشات ايجاد شده بوسيله نشت لوله توسط سنسور به يك سيگنال ولتاژ تبديل مي شود و سيستم آن را ثبت مي نمايد.

سيگنال توليد شده بوسيله سنسور توسط يك مدار الكترونيكي در باند فر كانسي بين 1.7 kHz تا 11 kHz ********** و تقويت مي گردد. در باند فوق، بين سيگنال هاي ناشي از نشت و نويز عادي محيط بيشترين اختلاف وجود دارد. در نيروگاه Conemough علاوه بر باند فوق، باند فركانسي بين 20 Hz تا 1 kHz نيز براي تعيين حساسيت اين باند به نويزهاي نشت، نظارت مي شود. علاوه بر سيگنال صوتي هر سنسور، سيستم از پارامترهاي كمكي ديگري نيز همچون بار (MW)، فلوي گاز و فشار گرمكن مجدد استفاده مي نمايد. اين پارامترها براي تعيين تاثير شرايط كار عادي نيروگاه روي نويز محيطي عادي بويلر سودمند هستند. در نيروگاه Conemough، بهره بردار هم بصورت مستقيم و هم از طريق واسط سريال DCS ميتواند با سيستم AMS در ارتباط باشد.

در نيروگاه Conemough، سيستم AMS از موجبرهاي فلز برد براي انتقال نويزهاي ناشي از نشت به سنسورها استفاده مي كند. موجبر فلز برد يا Sounding Rod، يك ميله فولادي ضد زنگ به قطر 3/8 in و طول 12 in است كه به ديواره لوله هاي بويلر و بدنه بويلر جوش داده مي شود. يك سر اين موجبر، سوراخ است وسر ديگر آن به بويلر جوش داده مي شود كه براي سهولت جوشكاري همانند نوك اسكنه ساخته شده است. در سر سوراخ دار موجبر، سنسور مخصوص محيط هاي با دماي زياد نصب مي گردد. سنسور طوري طراحي شده است كه نويزهاي محيط خارجي بويلر كمترين تاثير را روي آن دارند. در بخشهايي از بويلر مانند اكونومايزر كه لوله هاي peg-finned وجود دراند، يك صفحه به 12inx12inx1/4in ابعاد نصب مي شود كه همانند يك صفحه جمع كننده صدا عمل مي نمايد. موجبر فلز برد به مركز صفحه متصل مي شود. نيروگاه Conemough اولين جايي بود كه اين روش تجربي را براي اتصال موجبر فلز برد استفاده نموده است.

نويزهاي ناشي از نشت بخار از طريق گازهاي داخل بويلر و از طريق مسيرهاي فلزي منتقل مي شوند. سيستم AMS از موجبرهاي فلز برد با سنسورهاي صوتي براي آشكارسازي ارتعاشات نشتهاي هوابرد و فلز برد استفاده ميكند. شكل بالا نحوه آشكارسازي نشتهاي هوابرد وفلز برد را بوسيله موجبرهاي فلز برد نشان مي دهد.
نشتهاي هوابرد: اگر نشتي در داخل بويلر مثلاً در ******** هيتر، ري هيتر يا اكونومايزر وجود داشته باشد، ارتعاشات ناشي از آن نشت، امواج صوتي توليد مي كند كه از گازهاي داخل بويلر عبور نموده و به ديواره بويلر يا صفحه موجبر برخورد مي كند. ديواره بويلر و يا صفحه متصل به موجبر همانند يك ديافراگم عمل مي نمايد و به ارتعاش در مي آيد و باعث ارتعاش سنسور و در نتيجه تغيير ولتاژ مي شود. اين ولتاژ توسط سيستم تقويت، ********** و تحليل مي شود و در صورتي كه سيگنال از يك مقدار آستانه اي معين براي مدتي بيش از يك تاخير زماني معين ***** نمايد، سيستم يك سيگنال هشدار توليد مي كند.

نشت هاي فلزبرد: اگر نشتي در ديواره آب، چه در داخل و چه در خارج بويلر وجود داشته باشد، اين نشت ارتعاشاتي توليد مي كند كه از لوله ها و ديواره ها مي گذرند و به سنسور مي رسند. سنسور اين ارتعاشات را به يك سيگنال ولتاژ تبديل مي كند كه سيستم آن را تقويت، ********** و تحليل مي نمايد. اگر سيگنال از يك مقدار آستانه اي معين براي مدت زماني بيش از يك مقدار معين ***** كند سيستم يك سيگنال هشدار توليد مي نمايد.

نحوه مقابله با تاثير صداي دمنده دوده: نويز توليد شده توسط دمنده هاي دوده بسيار شبيه نويز ايجاد شده بوسيله نشت بخار است. سيستم AMS از تاخير زماني براي تفكيك نويزهاي ناشي از نشت بخار از نويزهاي توليد شده بوسيله دمنده هاي دوده استفاده مي كند. در نيروگاه Conemough، تاخير زماني براي هر سنسور روي 30 دقيقه تنظيم شده است.
هنگامي كه يك دمنده دوده در حال كار است و يك سنسور به نويز آن پاسخ مي دهد، كلاك تاخير زماني براي آن سنسور شروع به شمارش مي نمايد. وقتي كه دمنده دوده خاموش مي شود، نويز محيطي در بويلر به حالت عادي باز مي گردد (با فرض اين كه هيچ نشتي در بويلر وجود ندارد) و كلاك تاخير زماني صفر يا بازنشاني مي شود. هنگامي كه دمنده دودة بعدي شروع به كار مي كند، كلاك تاخير زماني 30 دقيقه اي سنسوري كه صداي دمنده دوده را دريافت مي كند، شمارش را مجددا آغاز مي نمايد. در صورتي كه تاخير زماني از 30 دقيقه بگذرد، سيستم يك سيگنال هشدار توليد مي كند. اين وضعيت تنها در صورتي رخ مي دهد كه يك نويز غير عادي مداوم در بويلر وجود داشته باشد مانند نشت بخار يا نقص فني دمنده دوده.
فن آوريهاي موجبر :
» مقايسه موجبرهاي هوابرد و فلزبرد: در نخستين سيستمهاي AMS كه صنايع Triple 5 براي بويلرهاي قدرت ساخت از فن آوري موجبر هوابرد استفاده شده بود. موجبر هوابرد معمولاً يك لوله ضد زنگ به قطر 1 يا 2 اينچ و تقريباً بطول 18 in مي باشد كه داراي يك خميدگي 90 درجه است. يك سر لوله روي ديواره بويلر در جاهاي بازي مثل در بازرسي بويلر يا در ورود و خروج پرسنل نصب مي شود و سر ديگر موجبر به سنسور متصل مي گردد.
موج صوتي ايجاد شده بوسيله نشت از طريق موج بر به سنسور منتقل مي شود. مشكل ذاتي اين تكنيك، تجمع خاكستر در درون لوله و مسدود شدن مسير صوتي از موجبر به سنسور است كه باعث كاهش حساسيت سيستم مي گردد. بنابراين پرسنل تعميرات و نگهداري بويلر بايد بصورت دوره اي لوله ها را پاك كنند.
با توجه به اين مشكلات، صنايع Triple 5 به دنبال راهي براي آشكار سازي بدون استفاده از موجبرهاي هوابرد بود.در سال 1989، اين شركت يك موجبر فلز برد را به ديواره آب يك بويلر بازيابي متصل كرد و مورد آزمايش قرار داد. آزمايش موفقيت آميز اين موج بر باعث شد كه در اوائل سال 1993، موجبرهاي فلز برد روي واحد 1 نيروگاه Conemough نصب شوند.

كارهاي تحقيقاتي در Conemough:
صنايع Triple 5 آزمايشهاي متعددي را روي بويلرهاي بازيابي و قدرت در حال كار، براي ارزيابي حساسيت و قابليت اطمينان موجبرهاي فلزبرد انجام داده است. با استفاده از دمنده هاي دوده بعنوان شبيه ساز نشت، پاسخ موجبرهاي فلز برد و هوا برد كه در كنار يكديگر نصب شده بودند با يكديگر مقايسه شد. شكل 3 پاسخ ولتاژ به نويز ايجاد شده توسط 17 زوج دمنده دوده را براي موجبر فلز برد شماره 8 در مقايسه با موجبر هوا برد شماره 17 نشان مي دهد.

موجبرهاي شماره 8 و 17 در كنار يكديگر روي ديواره جلويي يك بويلر بازيابي B&W، 700 tons/day، 1400 psig نصب شده بودند. پاسخ موجبر فلز برد در بعضي موارد، 10 برابر پاسخ موجبر هوابرد بود. محور افقي، شماره دمنده دوده (IK) و همچنين فاصله بين دمنده دوده و موجبرهاي 8 و 17 را بر حسب فوت نشان مي دهد. آزمايش موفقيت آميز موجبرهاي فلزبرد روي بويلرهاي بازيابي باعث شد اين روش روي بويلرهاي قدرت نيز آزمايش شود. در نيروگاه Conemough نيز همان مقايسه هاي قبلي انجام شد و خوشبختانه يك نشت اكونومايزر در واحد 1 در 28 مه 1994 آشكارسازي شد. شكل زیر، دامنه سيگنال ولتاژ در طول 5/2 ساعت را براي موجبرهاي هوابرد و فلزبرد كه اين نشت را آشكار كردند نشان مي دهد.

مزاياي موجبرهاي فلز برد:
موجبرهاي فلز برد مزاياي متعددي نسبت به موجبرهاي هوابرد دارند.
1- حساسيت موجبرهاي فلز برد به نويزهاي بخار بين يك تا سه برابر بيشتر از موجبرهاي هوا برد است.
2- موجبرهاي فلز برد نصب شده روي ديواره هاي آب مي توانند نشتهاي لوله در داخل و خارج كوره را آشكار كنند.
3- موجبرهاي فلز برد را تقريباً در هر جايي از بويلر مي توان نصب كرد و محدود به مكانهاي باز بويلر نيستند. اين موجبرها مي توانند نشتهاي لوله در ديواره هاي كوره پايين را آشكار كنند.
4- موجبرهاي فلز برد مي توانند هم نويزهاي نشت منتقل شده از طريق گازهاي موجود در بويلر و هم نويزهاي منتقل شده از طريق مسيرهاي فلزي را آشكار كنند.
5- هزينه هاي خريد اري و نصب موجبرهاي فلز برد كمتر است.
6- موجبرهاي فلز برد هزينه هاي تعمير و نگهداري سيستم را كاهش مي دهند.
تكامل سيستم AMS در نيروگاه Conemough.

در اكتبر 1992 تعدادي موجبر فلز برد براي نيروگاه خريداري و در زماني كه واحد شماره 1 خارج بود بر روي آن نصب گرديدند (18 موجبر فلزبرد در واحد 1). در ماه دسامبر، صنايع Triple 5 سيستم مانيتورينگ صوتي AMS -1 رابهمراه سخت افزار مورد نياز براي نظارت بر چها ر قسمت نصب كرد. پهناي باند ********** فركانس پايين بين 1.7 kHz تا kHz 13 و براي ********** فركانس بالا روي 35 kHz تا 180 kHz تنظيم شد. در دسامبر سال بعد، Triple 5 سخت افزار مورد نياز براي كنترل چهار نقطه ديگر را نيز اضافه كرد و نيروگاه دو موجبر هوابرد و دو موجبر فلز برد را بمنظور مقايسه، كنار يكديگر نصب كرد. در دسامبر 1994، نيروگاه سيستم را گسترش داد و هشت سنسور به واحد 2 افزود.

صنايع Triple 5 به توسعه سيستم AMS-1ادامه داد و در ژوئيه 1995 سيستم را به سيستم مانيتورينگ 2AMS- ارتقا داد. در AMS-2 بهره و تاخير زماني بصورت نرم افزاري كنترل مي شوند و نرم افزار مورد نياز براي ارتباط سريال با DCSاضافه شده است. همچنين ********** هاي بالا گذر به يك ********** تجربي سري در باند20 Hz تا 1 kHz تغيير داده شده است.
اين باند گذر بسيار باريكتر از باندهاي گذر پيشين به كار رفته براي آشكار سازي نشت است اما آزمايش اوليه Triple 5 نشان داد كه حساسيت در اين محدوده بسيار بالا ست و لذا نيروگاه براي اجازه آزمايش اين باند فركانسي را در نيروگاه داد. در ژوئيه 1996، صنايع Triple 5 كلاسهاي آموزشي براي اپراتورها بر گزار كرد. دراين كلاسها، تئوري آشكار سازي نشت و خصوصيات سيستم AMS تشريح شد و اپراتور ها را تشويق به بازرسي روزانه اطلاعات ثبت شده بوسيله سيستم و جستجوي مقاديري كه افزايش تدريجي داشتند و در نتيجه مبين وجود نشت جزئي رو به گسترش بودند كردند.

هم اكنون، در نيروگاه Conemough هشت موجبر روي هر يك از واحدها نصب شده است. برنامه آينده شامل توسعه سيستم تا تعداد حدود 24 سنسور روي هر واحد مي باشد. افزايش تعداد سنسورها به آشكار سازي نشتهاي كوچك كمك مي كند و جايابي نشتها را با دقت بيشتري امكان پذير مي نمايد.

نشتهاي رخ داده در نيروگاه Conemough:
نشتهاي ذيل در واحد هاي 1و 2 در نيروگاه Conemough رخ داده است:
نشت 1: در اواسط آوريل 1994 نشتي در لوله هاي كوره پايين واحد 1 رخ داد. در آن موقع، نيروگاه يك كوره پايين جديد نصب كرده بود و كاركنان مشغول جستجو و رفع نقايص احتمالي مربوط به مراحل جوشكاري بودند. هنگام بررسي داده ها ي دريافت شده از طريق مودم متصل به سيستم، مهندسين Triple 5 متوجه افزايش مداوم در مقادير ثبت شده مربوط به باند فركانس پايين و مقادير ثبت شده فركانس بالاي سنسور شماره 9 شدند. سنسور در كوره پايين قرار داشت و مقادير ثبت شده براي حدود دو هفته در حال افزايش بود. پرسنل نيروگاه تمام دمنده هاي دوده را خاموش كردند و درهاي بازرسي را براي پيدا كردن منبع صدا باز كردند. نشت در زير slope رخ داده بود و با فلوي حدود 2 يا 3 گالن بر دقيقه به سمت پايين پخش مي شد . در زمان خاموشي كامل، سرعت نشت حدود 60 تا 70 گالن بر دقيقه بود.

نشت 2: نشت لوله در اكونومايزر بالايي واحد 1 در طول مدتي كه موجبرهاي فلز برد و هوابرد در كنار هم آزمايش مي شدند رخ داد. شكل بالا نشان مي دهد كه آغاز نشت در ساعت 19:10 روز 28 ماه مه 1994 بوده است. موجبر فلزبرد و سنسور مربوطه بصورت افزايش مقدار ولتاژ موثر (RMS) از 0.05 V به 0.175 V به نشت پاسخ دادند. پاسخ موجبر هوابرد و سنسور مربوطه بسيار ضعيف و بصورت افزايش ولتاژ موثر از 0.05 V به 0.09 V بود. سيگنال هشدار موجبر هوابرد حدود 3 ساعت بعد از هشدار موجبر فلز برد بود.
در ساعت 40: 19 روز سي ام ماه مه 1994، واحد براي تعمير از مدار خارج شد زيرا دو نشت هر يك به قطر 3/8 in و به فاصله 27 ft از سنسور رخ داده بود. يكي از نشتها روي اكوونومايزر و ديگري روي ديواره خنك شونده با بخار قرار داشت.

آشكار سازي اين نشتها به دو دليل منحصر به فرد بود . يكي اين كه، اين نشتها در بخشي از بويلر روي داده بود كه براي مقايسه موجبرهاي فلز برد و هوابرد انتخاب شده بود. در نتيجه اطلاعات به دست آمده، حساسيت بالاي موجبرهاي فلز برد را تاييد مي كرد. دوم اين كه ، اين اولين نشتي بود كه تا آن زمان بوسيله يك موجبر فلز برد آشكار مي شد.

نشت 3: نشت لوله در كوره پايين واحد2 كه فقط داراي چهار سنسور و موجبر فلز برد بود رخ داد. نشت ناشي از يك ترك خوردگي شعاعي بطول 1 inدر سر پاييني ديواره جداسازي بود. ترك خوردگي حدود 46 ft از سنسور فلز برد شماره 9 فاصله داشت. ارتعاشات ناشي از نشت، عرض لوله ها و بدنه لوله ها تا سنسور نصب شده روي موجبر فلز برد را طي مي كرد. اپراتورها در آن موقع هنوز براي استفاده از سيستم AMSآموزش نديده بودند زيرا بعنوان بخشي از پروژه تحقيقاتي، مهندسين Triple 5 سيستم را از طريق مودم نظارت مي كردند. صبح روز دوازدهم نوامبر سال 1994، يكي از مهندسين Triple 5 پرسنل نيروگاه را از احتمال وجود يك نشت باخبر كرد. با بررسي بيشتر،وجود نشت در بويلر تاييد شد. خاموشي براي عصر همان روز برنامه ريزي گرديد. با آشكارسازي زودهنگام نشت، مهندسين Conemough تخمين زدند كه حدود 125000دلار بخاطركاهش زمان خارج ازمدار بودن واحد و جلوگيري از صدمات ثانويه، صرفه جويي شده است.

ثبت اطلاعات 10 روزه براي سنسور شماره 9: افزايش در نويز صوتي در اين شكل مشهود است. سنسور شماره 8 كه حدود 55 ft از نشت فاصله دارد نيز سيگنال هشدار توليد مي كند.
نشت 4: نشت لوله در كوره پايين واحد1 در نوامبر 1996 يك روز قبل از روز تعطيل Thanksgiving اتفاق افتاد كه زماني نامناسب براي نشت لوله محسوب مي شد. رئيس گروه (Dennis shavlis) جهشي را در پاسخ ولتاژ سنسورهاي 3 و 4 مشاهده كرد. با باز كردن يكي از درهاي بازرسي، صداي نشت شنيده مي شد.او اپراتورها را كه فكر مي كردند توليد واحد، عادي و حدود 20 گالن بر دقيقه است با خبر كرد. هيچ آلارم ديگري بجز سيگنال هشدار سيستم AMS دال بر وجود نشت لوله وجود نداشت. گروه تصميم گرفت كه واحد در روز تعطيل به كار ادامه دهد.

روز جمعه، توليد واحد حدود 50 گالن بر دقيقه بود. واحد از خط خارج شد و پرسنل، روي توربين قطرات آب پيدا كردند. نشت اوليه به فاصله 30 فوت از سنسور 4 روي Slope درست در نقطه برخورد با ديواره قرار داشت. سنسور 3 حدود 40 فوت دورتر قرار داشت.
از نقطه نظر ابزاري، مهمترين بخش اين واقعه پاسخ **********هاي سري تجربي بود. پاسخ سيگنال ********** شده سري هر دو سنسور به وضعيت نشت بزرگتر از پاسخ ********** فركانس پايين استاندارد بود. بخصوص پاسخ ********** سري سنسور 3 حدود 6 dB بيشتر از پاسخ ********** فركانس پايين استاندارد بود.

ثبت اطلاعات 30 روزه براي سنسور شماره 3: **********هاي فركانس پايين و ********** سري تجربي

نتيجه گيري: نشت لوله مهمترين دليل خروجهاي اجباري بويلر هاي قدرت مي باشد. در نيروگاه Conemough، آشكار سازي سريع نشتهاي جزئي لوله ها، زمان لازم براي برنامه ريزي خروج واحد را در طول دوره هاي زماني كه تقاضا پايين است فراهم مي نمايد. قابليت ثبت اطلاعات سيستم آشكار سازي نشت، امكان مشاهده و نظارت وقوع و گسترش نشتها را فراهم مي كند. همچنين فن آوري موجبر فلز برد بسيار موثر، قابل اطمينان ، حساس و تقريباً بدون نياز به تعمير و نگهداري مي باشد.
در طول پنج سال كار، با استفاده از سيستم AMS حدود 24 نشت بسرعت آشكار شد و در نتيجه زمان خروج و خسارتهاي ثانويه كاهش يافت و منجر به هزاران دلار صرفه جويي در هزينه ها شد.