翟永杰，馬博洋

（華北電力大學(xué) 自動(dòng)化系，河北 保定 071000）

0 前言

閥門是火電廠中使用特別廣泛的熱力設(shè)備，閥門的泄漏、故障等會(huì)直接影響到電廠的安全性和經(jīng)濟(jì)性。閥門泄露主要分為內(nèi)漏和外漏兩種情況，閥門內(nèi)漏會(huì)造成一定量的作功損失，還會(huì)使凝汽器的熱負(fù)荷增加，導(dǎo)致機(jī)組排汽真空降低，發(fā)電熱耗量增加，內(nèi)漏嚴(yán)重時(shí)甚至使機(jī)組帶不上大負(fù)荷。閥門外漏既有熱量損失也有工質(zhì)損失，熱量損失不僅會(huì)造成作功損失，而且危害電廠環(huán)境[1]。工質(zhì)損失使機(jī)組的補(bǔ)水量增加，電廠發(fā)電成本相應(yīng)增加。

電廠中的閥門很多，泄漏對(duì)經(jīng)濟(jì)性影響的結(jié)果也不一樣，主要考慮以下幾種情況：

1）主汽、再熱汽及各段抽汽管道的疏水閥門關(guān)閉不嚴(yán)密，使蒸汽漏入凝汽器或排入地溝。

2）加熱器的危急放水門不嚴(yán)或直通凝汽器的閥門不嚴(yán)密，使加熱器不能按正常的線路疏水，造成疏水泄漏；高加疏水漏入。

3）機(jī)組旁路系統(tǒng)不嚴(yán)，高壓旁路閥不嚴(yán)密使主汽漏入冷再或低壓旁路閥不嚴(yán)密使熱再漏入凝汽器。

4）高加給水大旁路或小旁路閥漏，造成給水溫度降低。

為了減少因閥門內(nèi)漏而導(dǎo)致安全性和經(jīng)濟(jì)性問題，有必要對(duì)熱力系統(tǒng)閥門的內(nèi)漏進(jìn)行檢測(cè)和管理。

1 閥門內(nèi)漏檢測(cè)方法

1.1 目前的檢驗(yàn)方法

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于閥門內(nèi)漏檢驗(yàn)的方法主要有：人工巡檢法、超聲檢測(cè)法、振動(dòng)分析檢測(cè)法等。

1）人工巡檢法

靠人的感覺和經(jīng)驗(yàn)，主要依據(jù)傳熱學(xué)原理和聲學(xué)原理。

①傳熱學(xué)原理：泄漏工質(zhì)通過管壁和保溫層熱交換，導(dǎo)致管壁溫度升高；泄漏越多，溫度越高。因此，根據(jù)閥門前后的溫度或溫差，人工判斷閥門是否內(nèi)漏。

②聲學(xué)檢測(cè)：閥門內(nèi)漏是一噴流過程，伴隨噴射噪音產(chǎn)生，因此可以在閥門聽聲音狀態(tài)，人工判斷閥門是否內(nèi)漏[2]。

這兩種人工檢測(cè)方法具有檢測(cè)方便的優(yōu)點(diǎn)，在巡檢中易于實(shí)現(xiàn)，但存在著不能在線監(jiān)測(cè)、依賴個(gè)人經(jīng)驗(yàn)等缺陷，內(nèi)漏監(jiān)測(cè)不及時(shí)。

2）超聲檢測(cè)法

基本原理：如果一個(gè)容器內(nèi)充滿氣體，當(dāng)其內(nèi)部壓強(qiáng)大于外部壓強(qiáng)時(shí)，由于內(nèi)外壓差較大，一旦容器有漏孔，氣體就會(huì)從漏孔沖出。當(dāng)漏孔尺寸較小且雷諾數(shù)較高時(shí)，沖出氣體就會(huì)形成湍流，湍流在漏孔附近會(huì)產(chǎn)生一定頻率的聲波。聲波振動(dòng)的頻率與漏孔尺寸有關(guān)，漏孔較大時(shí),人耳可聽到漏氣聲：漏孔很小且聲波頻率大于20kHz時(shí)，人耳就聽不到了，但它們能在空氣中傳播，被稱作空載超聲波。超聲波是高頻短波信號(hào)，其強(qiáng)度隨著離開聲源（漏孔）距離的增加而迅速衰減，因此超聲波被認(rèn)為是一種方向性很強(qiáng)的信號(hào)，用此信號(hào)判斷泄漏位置非常簡(jiǎn)單而準(zhǔn)確。

3）振動(dòng)分析檢測(cè)法

閥體振動(dòng)信號(hào)幅值與閥門開度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際閥門泄漏程度分析診斷時(shí)，只要事先針對(duì)具體閥門測(cè)量不同開度下的振動(dòng)幅值，對(duì)閥門開度與振動(dòng)幅值進(jìn)行標(biāo)定，則可以在以后的系統(tǒng)運(yùn)行過程中定期檢測(cè)閥門振動(dòng)狀況，根據(jù)振動(dòng)幅值的變化情況診斷閥門是否發(fā)生泄漏以及泄漏的程度，實(shí)現(xiàn)閥門泄漏的定量分析診斷。

超聲波檢測(cè)和振動(dòng)分析檢測(cè)法有其局限性——不能及時(shí)地發(fā)現(xiàn)泄漏，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)。

1.2 基于傳熱學(xué)的閥門內(nèi)漏檢測(cè)方法

圖1 管道傳熱圖Fig.1 Pipe heat transfer figure

對(duì)閥門內(nèi)漏的判斷，是閥門內(nèi)漏實(shí)時(shí)監(jiān)管的前提。如果閥門嚴(yán)密，閥前兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間由于氣體沒有流動(dòng)，因此只有熱傳導(dǎo)，沒有熱對(duì)流，溫度相差很大，因此從理論上講，可以通過閥前兩個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度的差值來判斷閥門的內(nèi)漏情況，用此來判斷閥門是否泄漏。

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)有些管道布置復(fù)雜，保溫完善，要想準(zhǔn)確測(cè)量閥門前兩點(diǎn)溫度比較困難，目前較好的辦法是使用紅外線測(cè)溫儀或者加裝測(cè)溫元件測(cè)量閥體的溫度。

傳熱機(jī)理如圖1所示，熱量由溫度高的管內(nèi)工質(zhì)向外面的空氣傳遞，主要包括管內(nèi)工質(zhì)與管內(nèi)壁的對(duì)流換熱Φ1，管內(nèi)壁與管外壁的導(dǎo)熱Φ2，保溫層的導(dǎo)熱Φ3，保溫層外表面與環(huán)境的對(duì)流輻射換熱Φ4過程。由于散熱，沿管長(zhǎng)方向工質(zhì)和管壁溫度逐漸降低，管壁沿管長(zhǎng)方向也存在溫度差，管壁內(nèi)還存在沿管長(zhǎng)方向的導(dǎo)熱，但導(dǎo)熱量相對(duì)較小，分析計(jì)算時(shí)可忽略。

對(duì)于一段管道，根據(jù)能量平衡原理，工質(zhì)溫度降低放出的熱量應(yīng)等于管壁散失的熱量。

式中，

Φ1—管內(nèi)工質(zhì)與管內(nèi)壁的對(duì)流換熱；

Φ2—管內(nèi)壁與管外壁的導(dǎo)熱；

Φ3—保溫層的導(dǎo)熱；

Φ4—保溫層外表面與環(huán)境的對(duì)流輻射換熱；

t'、t"分別為此段工質(zhì)入口和出口溫度；

qm—工質(zhì)質(zhì)量流量；

cp—工質(zhì)比熱。

當(dāng)泄漏量恒定時(shí)，經(jīng)過一段時(shí)間后，傳熱過程趨于穩(wěn)定。即：Φ1=Φ2=Φ3=Φ4=Φ。此時(shí)可對(duì)全廠閥門泄漏的實(shí)時(shí)狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，管內(nèi)工質(zhì)和管壁溫度分布保持不變，此時(shí)泄漏量與管內(nèi)工質(zhì)溫度間存在函數(shù)關(guān)系[3]。利用此關(guān)系可以通過溫度的測(cè)量來計(jì)算泄漏量，需要測(cè)量的溫度包括閥前管內(nèi)溫度（或者管壁溫度）、閥門前工質(zhì)溫度以及環(huán)境溫度等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 新增測(cè)點(diǎn)

本系統(tǒng)在某電廠試驗(yàn)實(shí)施過程中，在5個(gè)閥門處新增了溫度測(cè)點(diǎn)：#1主汽門疏水閥，#2主汽門疏水閥，主汽管道疏水閥，高旁減壓閥前疏水閥、#3高加事故門疏水閥。溫度測(cè)點(diǎn)采用K型熱電偶（WRNK-131G φ6m）及相應(yīng)的集熱塊于每個(gè)閥門前端兩點(diǎn)處安裝，采集閥前遠(yuǎn)端和近端的兩點(diǎn)然后傳輸至系統(tǒng)后進(jìn)行分析。

圖2 程序流程圖Fig.2 Program flow chart

2.2 信號(hào)傳遞流程

整個(gè)熱力系統(tǒng)閥門實(shí)時(shí)監(jiān)管系統(tǒng)的信號(hào)傳遞流程見圖2：閥前兩點(diǎn)處的熱電偶測(cè)溫原件獲取溫度信號(hào)，通過補(bǔ)償導(dǎo)線送入IDAS卡件，經(jīng)模數(shù)變換后傳輸至原DCS（分散控制系統(tǒng)）中，然后送入原SIS（廠級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)）中，通過OPC服務(wù)協(xié)議，最終將新增溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)送入閥門實(shí)時(shí)監(jiān)管系統(tǒng)。采出DCS中的數(shù)據(jù)傳至發(fā)電廠熱力系統(tǒng)閥門實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，采用B/S方式在用戶客戶機(jī)上顯示。

2.3 系統(tǒng)開發(fā)

監(jiān)管系統(tǒng)采用典型3層B/S架構(gòu)。這種架構(gòu)的特點(diǎn)是，客戶端無(wú)需安裝任何軟件，無(wú)需任何維護(hù)，只需對(duì)服務(wù)器端進(jìn)行維護(hù)，操作者能夠更快、更方便地上手使用[4]?；跒g覽器的界面操作更加簡(jiǎn)單、方便，隨時(shí)隨地，只要能夠聯(lián)網(wǎng)，就可以使用本系統(tǒng)。

熱力系統(tǒng)閥門實(shí)時(shí)監(jiān)管系統(tǒng)的界面主要采用ASP.NET的開發(fā)程序編寫，以網(wǎng)站的形式進(jìn)行調(diào)用，整個(gè)監(jiān)管系統(tǒng)的程序流程圖如圖2所示。

熱力系統(tǒng)閥門監(jiān)控系統(tǒng)界面中可即時(shí)地顯示各被監(jiān)控的閥門的泄漏狀態(tài)，相應(yīng)的報(bào)警情況和報(bào)警解除時(shí)間等，同時(shí)閥門出現(xiàn)較大泄漏時(shí)可報(bào)警通知運(yùn)行人員，運(yùn)行人員將進(jìn)行相應(yīng)的排查和處理。

對(duì)各臺(tái)機(jī)組閥門的“正常、輕度泄漏、中度泄漏和嚴(yán)重泄漏”4種狀態(tài)的閥門數(shù)量所占閥門總數(shù)的百分比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)際數(shù)量（比例）以棒狀圖（餅狀圖）表現(xiàn)。閥門實(shí)時(shí)監(jiān)管系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)全廠處于不同泄漏狀態(tài)的閥門數(shù)量，以及各機(jī)組處于不同泄漏狀態(tài)的閥門數(shù)量，幫助設(shè)備管理者更準(zhǔn)確、快捷地了解閥門的狀態(tài)，從而合理制定維修計(jì)劃。

3 結(jié)論

基于傳熱學(xué)原理，通過熱電偶測(cè)溫原件測(cè)量溫度并計(jì)算閥門檢漏量的方法，可實(shí)現(xiàn)閥門泄漏量在線的定量計(jì)算，從而判斷閥門泄漏狀態(tài)并實(shí)施記錄。當(dāng)閥門產(chǎn)生泄漏時(shí)，則自動(dòng)預(yù)警，提醒專工和點(diǎn)檢人員等注意，為泄漏事故的及時(shí)檢修提供方便，從而盡可能減少了經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)，對(duì)避免環(huán)境污染和安全事故的發(fā)生具有重要的意義。因此，此方法可廣泛推廣于各電廠的熱力系統(tǒng)閥門監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中。同時(shí)，以上的傳熱學(xué)推導(dǎo)過程仍需要進(jìn)行進(jìn)一步研究，該系統(tǒng)應(yīng)更多地于現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，從而發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的問題。

[1]劉進(jìn).閥門常見故障原因及處理方法[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2011,21.

[2]高倩霞,李錄平,饒洪德,等.閥門泄漏率的聲發(fā)射測(cè)定技術(shù)研究[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào),2012,01.

[3]張洪明.傳熱學(xué)基本知識(shí)[J].太陽(yáng)能,1999,03.

[4]譚會(huì)生,桂衛(wèi)華,徐德智.論基于B/S的分布式系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫(kù)訪問接口[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2004,01.