光声光谱可行性研究报告.docx

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光声光谱可行性研究报告

附件2：

申请编号

XXXX有限责任公司科技项目

可行性研究报告

项目名称：

光声光谱技术绝缘油在线监测分析系统

申请单位：

起止时间：

项目负责人：

联系电话：

通信地址：

申请日期：

2011年01月20日

一、目的和意义

该研究项目是在线式光声光谱油中溶解气体分析系统的应用研究科技项目，将采用比较和实证的研究方法，为在线式光声光谱技术油中溶解气体分析系统项目的可靠性分析并提出可操作性的指导意见或方案。

由于在电力系统中普遍实行的定期检修制度已不能适应电力系统改革发展的需要和电力用户对供电可靠性的要求，推行在国际上更先进的状态检修已成为电力企业的迫切要求，即根据设备的运行状态确定是否需要维修和如何维修，而在线监测是对高压电气设备实行状态维修的必须和有效手段。

油中溶解气体分析（DGA）是业内公认的预防充油电气设备故障最为有效的方法之一，分为离线和在线测试两种。

传统油中溶解气体的分析方法是采用离线式气相色谱法，一直以来，被国内各大、中、小型变电站普遍使用。

离线式气相色谱分析法具有选择性好、分离性能高、分离时间快、灵敏度高、适用范围广和技术成熟等优点，但也存在其固有的原理缺陷，例如，脱气作业存在人为误差，监测曲线的人工修正也会加大误差；从取油样到油气分离再到实验室分析，作业程序复杂，花费时间长；另外，绝缘劣化的发展有快有慢，预防性试验不能实时地发现故障，对电力变压器中气体含量实施在线监测已成为迫切的需要。

在线式的气相色谱监测系统很好的解决了离线式色谱仪的检测周期长、分析时间长等缺点。

但是，目前所使用的在线式色谱分析系统都是采用气相色谱技术原理，即将实验室仪器简单地进行小型化改造，从目前使用中的在线式气相色谱分析系统的实测情况来看，主要有如下几个缺点：

1、检测精度不够，重复性差，不能满足实际工作需要；

2、需要标气、载气等，后期维护量大，长期运行费用高；

3、气相色谱技术管路复杂、组件多，仪器长期运行的稳定性和可靠性不够。

而光声光谱技术在线式油中溶解气体分析系统能有效的避免以上不足，能为电网公司创造巨大的直接经济效益。

二、项目研究的背景

1、项目研究的背景

电网是经济社会发展的基础设施和重要的公用事业，是现代化建设的基本保障，关系国家能源安全和国计民生。

建设坚强智能电网，充分发挥电网在资源优化配置、全面服务国民经济发展中的作用，对我国经济社会全面、协调、可持续发展具有十分重要的现实意义。

2008年国家为扩大内需，提出了加快建设智能电网的要求，各级电力公司纷纷提出建设规划和实施纲要，大大加快了智能电网的建设步伐。

智能电网从技术层分析，它是以物理电网为基础，将现代先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网。

而本系统是集成先进传感器技术、通讯技术、控制技术、计算机及数据处理技术的综合系统，是建设智能电网的基础。

随着电力工业的迅速发展和技术进步，大容量、高压发供电用油设备逐渐增多，电力设备中的变压器、互感器、汽轮机等维护及监督的重要手段依然是电力用油的监督和分析。

电力用油技术监督已经成为各发供电单位的一项重要技术监督工作，它对保障电力生产安全、经济运行有重要作用。

在众多高压电力设备事故原因追踪分析中，绝缘油的测量、分析较其他试验方法更灵敏、量化、准确。

因此，对简单、快速、便捷而又准确的分析仪器或系统的需求越来越迫切。

检测充油电气设备特别是电力变压器内部早期故障，确保设备运行的安全可靠，实现将设备的定期维护方式转变为实时监测和预防性检测或维修，有利于减少重大电力事故的发生。

2、国内外的研究情况

光声效应最早是由A.G.贝尔于1880年发现。

光声光谱的理论研究在20世纪70年代前后已相当成熟和完善，但受当时半导体制造技术的限制，一直到20实际70年代末期，随着微信号检测技术的发展，高灵敏微音器和压电陶瓷传声器的问世以及强光源（激光器等）的出现，其特定领域的应用研究才得到的飞跃发展。

近几年，在电力行业绝缘油中溶解气体分析中也得以应用。

国外已有部分厂家在电力行业应用该技术检测油中溶解气体的分析，但是受到技术和研究人员的限制，其产品并不能满足国内市场需要。

色谱技术最早由"色谱学之父"俄国植物学家Tswett于1901年开始研究，两年后他发表了他的研究成果"一种新型吸附现象及其在生化分析上的应用“，提出了应用吸附原理分离植物色素的新方法。

1904年，他将这种方法命名为色谱法（Chromatography）。

自1952年世界上第一次创建实用气液色谱法以来，在短短几十年间，气相色谱仪作为现代分析检测仪器的代表，已发展成为一个有相当生产规模的产业，并形成了具有相当丰富的检测技术知识的学料。

采用气相色谱技术对绝缘油中溶解气体进行分析和诊断的应用已经超过30年的历史。

在线式分析系统，目前主要是气相色谱技术和化学分子膜技术。

气相色谱法的原理决定了设备在现场需要有标气和载气等耗材，它需要定期维护或更换，色谱柱由于使用寿命的限制需要定期更换；高压气瓶的运输和存储存在一定的危险，气相色谱技术的分析系统不仅增加了使用成本，而且对设备和人身安全都构成了威胁。

对于化学分子膜技术，虽然其测量原理不需要附带标气载气，但是其传感器关键部件使用寿命短，正常的化学分子模式传感器使用寿命一般为2年，并且，传感器之间的测量干扰较大，测量时需要的气样也较多，其准确性和效率低，不太适合普遍推广。

而光声光谱技术的快速、准确、无需耗材、能同时测量绝缘油中溶解的多种气体及微水含量等诸多优点，为在线监测系统提供了一种崭新的测量技术和手段。

光声光谱技术有其他检测技术不具有的优点。

例如，不消耗被测样品，不需要消耗性载气，不需要标准样气，各部件使用寿命长，气路简单，容易控制，测量时间短，灵敏度高，制造成本低等等。

这些优点被越来越多的专业人士接受并认同，很多国外大公司对此已研究多年，尤其是2008年通用电气公司收购英国一家光声光谱专业公司后，将此技术整合到其智能电网产品业务组合。

为该技术在全球范围内的推广和应有提供了良好的基础。

3、研究的技术关键与难点。

在光声光谱技术应用于油中溶解气体及微水分析的过程中，我们发现由于溶解气体的分子结构相差性不大，各分子吸收的波段有很多的重叠，这个对光源的稳定性有很高的要求，所以稳定的宽光源和合适的计算方式是该技术的关键，难点在于如何做到低成本制造，如何提高脱气效率，如何解决在不同使用条件下的电磁兼容及稳定性问题等。

三、项目申请单位具备的研究基础和条件

1、项目负责人的情况介绍，专业、特长、工作量和在本项目中的作用；

项目负责人黎卫文于1995年参加工作，电气工程硕士，电气工程高级工程师。

在变电运行、检修、试验、继电保护等方面的管理及技术应用有较为深入的研究。

2006年－2007年主持完成了110kV变电站高压设备状态检修与信息管理技术的综合应用的科技项目，2007年－2008年主持完成了35kV简易变电站远程监控实现的科技项目。

项目负责人具有较高的专业技术和管理水平，在本项目中起主导作用，总体规划并对最终成果把关。

2、项目申请单位在相关研究领域曾开展的工作、曾取得的科研成果、曾获得的荣誉；

甲单位供电局自2008年以来在500kV砚都站#2、#3主变、220kV端州站#1主变、220kV四会站#1主变及高要八个110kV站安装了油在线监测装置，积累了大量的基础数据，为该项目的研究提供了基础。

2009年通过了“110kV变电站高压设备状态检修与信息管理技术综合应用”科技项目的验收工作，并得到了省内专家的肯定。

光声光谱技术的应用研究是广东威恒电力技术有限公司的主要课题，也是该公司的发展方向。

该公司现在与德国MUT公司合作，共同研制出了光声光谱技术的绝缘油的油中溶解气体及微水分析仪及系统。

MUT公司使用光声光谱技术作为气体的微量分析早在20世纪70年代就开始应用于血液的分析，于2003年已把光声光谱技术应用于变压器油的溶解气体及微水分析，只是应用于便携式。

目前，我们都是采用色谱在线监测系统或者是传感器方式的在线监测系统，偶尔有误报警，且测量数据与实验室的分析结果往往有一定的偏差。

希望使用光声光谱技术的油在线分析系统会解决这些问题，而且还可以减少一个油微水的在线监测系统，该分析系统的硬件设备体积小，从设计上看，一个进油口、一个出油口及主机部分，中间的连接部件比较少，不需要气相色谱技术的标气和载气，整个系统简单而且方便，能减轻现场维护工作量。

如果该技术得到广泛的推广和使用，那么在今后的工作当中，我们的人员可以减少，附属设备可以精简，这是一个人力物力都能得到极大优化的方案。

光声光谱技术在绝缘油油中溶解气体及微水的在线监测系统的应用，主要是用在变压器油的在线分析，随着生产成本的降低，产品性能的提升，将会逐步发展并应用到其他的充油设备上。

2、研究基础及条件

（1）制造能力和设备

威恒开发公司主要致力于向全球电力系统提供世界先进的测试仪器和优秀的技术服务，生产面积近2000平方米，拥有生产组装车间、产品测试车间、五金加工车间等。

公司委托德国MUTGroup—德国上市公司—定制光声光谱传感器模块。

该公司建筑面积2800平方米，主要从事光学传感器，实验室自动化，航空，火灾探测等领域的研发和产品生产。

光声光谱模块年生产能力超过1500套。

公司拥有强大的生产和装配能力的同时，拥有多款检测和实验设备，安捷伦色谱仪，高低温恒温实验装置，振动实验台，USON公司气密性检测设备，电磁干扰模拟发生装置等。

公司视产品的品质为企业的生命，严格按ISO9001：

2000质量管理体系对产品品质、生产管理、市场营销、售后服务等全方位程序控制，实施国际先进的ERP（制造资源计划）管理系统对产品质量实行全面管理。

（2）设计能力与条件

公司拥有研发人员15人，其中德国研发工程师3人，有博士学位1人，本科及本科以上学位人员12人。

研发团队由光学、化学、通讯、软件等多学科人员组成。

在工程安装及施工方面有3名通讯工程和机械工程方面的经验丰富的作为设计和施工指导。

光声光谱检测模块在德国制造，深圳工厂组装和调试。

德国研发人员有超过10年光谱研究经验，曾参与多项该领域的国际合作开发，为奥林巴斯，欧洲空客等多家500强公司提供精密气体传感器或测试仪器。

公司在线式产品采用光声光谱原理，它是利用一束强度可调制的单色光照射到密封于光声池中的样品上，样品吸收光能，并立即以释放热能的方式退激。

释放的热能使样品和周围介质按光的调制频率产生周期性加热，从而导致介质产生周期性压力波动，这种压力波动可用高灵敏的微音拾音器和压电陶瓷传声器检测，并通过放大得到光声信号。

由于每种化合物都有其特有的红外光谱（通常指吸收光谱），若入射单色光波长可变，则可检测到随波长变化的光声信号图谱从而实现对被测物的结构鉴定与定性定量分析。

（3）关键制造工艺

主要应用的制造工艺有精密微音器和精密光学玻璃加工、精密五金加工、焊接连接等；

（4）质量控制

公司视产品的品质为企业的生命，严格按ISO9001：

2000质量管理体系对产品品质、生产管理、市场营销、售后服务等全方位程序控制，实施国际先进的ERP（制造资源计划）管理系统进行全面质量管理。

（5）试验室

电气测试仪器：

示波器、2M通讯测试仪、精密万用表、电磁干扰模拟发生器等；

化学测试仪器：

安捷伦色谱仪、LCMS-IT-TOF质谱仪、USON气密性测试仪、压力表、各种浓度校验瓶等试验仪器及设备；

机械性能测试：

振动测试台，高低温测试机、跌落试验机等。

四、项目研究内容、技术路线与实施方案

1、项目研究内容

A、顶空动态平衡脱气与实验室振动脱气比较研究；

主要采用对比实验研究，定量分析。

B、光声光谱技术与实验室气相色谱仪及在线式油色谱的比较研究；

将采用对比实验，通过收集一定时间段内的所有测试数据，对数据进行分析比较研究。

C、在线式光声光谱技术油中溶解气体测试系统再设计与优化；

通过对实验数据的分析，查找偏差原因，对系统油路和气路系统再设计，减少因硬件原因的误差。

D、数据分析软件开发与数据远程传送；

结合计算机技术和通讯技术，将传感器采集到的信息采用有线和无线的方式传送到控制终端，属于工程开发项目。

2、项目研究的技术路线

该项目的技术路线如下图：

3、项目实施方案

准备阶段：

（1）选择合适的被测对象，安排合适人员；

（2）制定相应的工作计划；

（3）安装、调试测试仪器；

（4）安装调试通讯硬件及软件系统；

数据采集阶段：

在线式测试仪器每天定时采集数据，时间间隔为2小时；

实验室测试第一个10天每2天采集油样并实验室分析，以后6-8个月内，每周采集油样并实验室分析；

数据分析阶段：

对采集的数据进行整理分析，对于出现的问题及时分析原因，调整测试系统。

项目结题阶段

对全部工作进行总结，对测试系统进行评估，撰写相应论文等。

对实际实施过程中的各种问题，提出建设性意见，并制定相应实施或工作手册。

五、预期目标和成果形式

1、预期目标

（1）光声光谱技术的可行性论证；

（2）光声光谱技术与气相色谱技术的测试数据比较；

（3）光声光谱技术的可靠性论证

2、成果形式

《光声光谱技术与气相色谱技术的对比分析研究报告》

《顶空动态平衡法脱气效率研究报告》

《光声光谱技术油中气体分析实施意见及操作指导》

数据库及系统软件，1套；

在线式光声光谱油中溶解气体分析系统，1套

六、依托工程单位落实情况

结合甲单位供电局油色谱在线工程，完成和检验本课题的研究内容和研究成果。

七、项目的进度安排

任务名称

开始时间

完成时间

主要内容及交付项

立项

2011年1月

2011年9月

项目立项

采购

2011年9月

2011年12月

外协的确定，实验平台建设，设备的订购

安装调试

2012年1月

2012年3月

设备的安装和软件调试

硬件调试

2012年3月

2012年4月

在线式油中溶解气体监测系统硬件结构完成

软件调试

2012年3月

2012年4月

在线式油中溶解气体监测系统软件结构完成

系统测试

2012年5月

2012年10月

光声光谱技术油中溶解气体监测系统稳定性及可靠性验证

对比分析

2012年10月

2012年11月

光声光谱技术与其他相关技术的对比分析报告

推广应用

2012年11月

2012年12月

设备长期运行的可全面持续推广报告。

八、项目经费预算　　　　　　　　　　单位：

万元

合　计

2011年

2012年

技术开发费

120

120

0

资本性支出

30

30

0

项目总经费

150

预算支出科目

金额（万元）

计算根据及理由

1.

技术开发费

1、设备费

60

（1）购置设备费

38

购置多波段红外光谱仪、质谱仪等。

（2）试制设备费

5

试制气密性测试仪等。

（3）设备改造与租赁费

7

（4）软件购置费

10

购置多波段红外光谱仪的数据库软件。

2、材料费

10

购置进口脱气装置、阀门、管道等。

3、测试化验加工费

4

4、燃料动力费

2

5、差旅费

10

20人次，每人次5000元，共10万元。

6、会议费

8

会议费、评审费等

7、国际合作与交流费

4

与MUT公司专家的交流等费用。

8、出版印刷/文献/信息传播/知识产权事务费

6

资料、打印、复印、检索查新、知识产权事务费等费用。

9、技术培训费

2

10、专家咨询费

4

11、外委技术开发费

10

20（人月）0.5（万元/人月）=10万元

技术开发费合计

壹佰贰拾万元整

2.

资本性支出

设备费

10

定制MUT光声光谱传感器模块

设备运输费

2

材料费

4

购置进口脱气装置、阀门、管道等

试验、调试费

12

实验室测试第一个10天每2天采集油样并实验室分析，以后6-8个月内，每周采集油样并实验室分析。

其他（资料会议费）

2

资本性支出合计

叁拾万元整