史振中工程師 高海江 戴 嶺工程師

(常州港華燃?xì)庥邢薰?江蘇 常州 213000)

0 引言

蒸汽具有比容大、密度小的特點(diǎn),此外,蒸汽供熱系統(tǒng)的熱惰性小,供汽時(shí)熱得快,停汽時(shí)冷得也快,非常適宜用于間歇供熱的用戶,因此有許多城市選擇蒸汽供暖。隨著城市的發(fā)展,蒸汽管網(wǎng)也在不斷擴(kuò)大,但隨著蒸汽管網(wǎng)使用年限的增長(zhǎng)及其復(fù)雜的運(yùn)維情況[1],使得事故率居高不下,事故的發(fā)生往往伴隨著人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。同時(shí),對(duì)于埋地蒸汽管網(wǎng),管道泄漏不易發(fā)現(xiàn),泄漏的蒸汽長(zhǎng)期沖刷土壤,蒸汽凝結(jié)水會(huì)運(yùn)移土壤。在凝結(jié)水的長(zhǎng)期軟化和運(yùn)移作用下,地下易形成空洞,造成地面塌陷。蒸汽管網(wǎng)長(zhǎng)期熱損失,也會(huì)導(dǎo)致能源和水資源浪費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì),供熱管道的能源損耗達(dá)到總供熱能源27%以上[2],說明供熱管網(wǎng)的泄漏問題并未得到有效管控。

在國(guó)家的持續(xù)關(guān)注及行業(yè)的不斷努力下,蒸汽管網(wǎng)泄漏識(shí)別技術(shù)的研究取得較大進(jìn)展,例如,王云龍[3]、馬棟[4]分析蒸汽管網(wǎng)泄漏的原因并提出相應(yīng)對(duì)策;朱慧峰[5]基于對(duì)蒸汽管道泄漏時(shí)音頻特點(diǎn)的分析,構(gòu)建信息化的音頻控制系統(tǒng),旨在準(zhǔn)確定位泄漏位置;劉才等[6]通過建立蒸汽管道仿真模型,并基于壓力梯度法提出一種解直線方程組的方法定位蒸汽管網(wǎng)泄漏位置;黃贏[7]提出一種基于統(tǒng)計(jì)過程控制的數(shù)據(jù)監(jiān)控方法,以預(yù)警蒸汽管網(wǎng)的異常運(yùn)行狀態(tài);錢建康等[8]基于超聲波技術(shù)、溫度檢測(cè)技術(shù)及WirelessHAR協(xié)議研究設(shè)計(jì)了一套蒸汽泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng),用于識(shí)別蒸汽管網(wǎng)疏水閥上的泄漏?？v觀上述研究,盡管各個(gè)觀測(cè)指標(biāo)得到充分的關(guān)注并結(jié)合信息化手段實(shí)現(xiàn)可視化,但研究結(jié)果的可推廣性及工程實(shí)用性存在一定局限。

鑒于此,本文從識(shí)別蒸汽管網(wǎng)泄漏的角度出發(fā),著眼于蒸汽管道、排潮孔、疏水閥等具體構(gòu)件,選取傳感器對(duì)各構(gòu)件指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)集中展示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并搭建安全預(yù)警平臺(tái),以期全面掌握蒸汽管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)并及時(shí)、準(zhǔn)確地識(shí)別管網(wǎng)泄漏位置。

1 蒸汽管網(wǎng)泄漏識(shí)別方法

蒸汽管網(wǎng)泄漏,可以分為管件泄漏和管道泄漏[9],管件主要包括疏水閥、排潮孔等;管道泄漏部位主要是兩節(jié)管道焊接位置。疏水閥系統(tǒng)的作用是排出管道中的凝結(jié)水,凝結(jié)水不及時(shí)排出管道,就會(huì)被蒸汽帶著流動(dòng),形成喘振和水錘[10-11],影響蒸汽管網(wǎng)的正常運(yùn)行。正常工作的疏水閥只排出管道中的凝結(jié)水而不排出蒸汽,如果疏水閥失效,蒸汽會(huì)通過疏水閥泄漏出來。現(xiàn)有蒸汽管道多為鋼套鋼保溫管,排潮孔的設(shè)置是為了排出套管內(nèi)保溫層中的水蒸氣,防止保溫層有水腐蝕管道,同樣如果內(nèi)套管中蒸汽泄漏,首先進(jìn)入的就是保溫層,然后通過排潮孔排出。

1.1 疏水閥故障判斷

疏水閥是供熱管網(wǎng)的附屬設(shè)施,壓力傳感器安裝在疏水閥前端(如圖1),與供熱管網(wǎng)相通,可以監(jiān)測(cè)供熱管網(wǎng)的壓力,其壓力的大小主要與補(bǔ)水泵揚(yáng)程、循環(huán)泵揚(yáng)程、管網(wǎng)的布置形式和管網(wǎng)材質(zhì)等因素有關(guān)。本文主要通過壓力傳感器監(jiān)測(cè)管網(wǎng)壓力,分析管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 疏水閥系統(tǒng)及其傳感器位置Fig.1 Drain valve system and its sensor location

疏水閥工作原理為主要通過進(jìn)、出口壓力差控制閥口啟閉,從而實(shí)現(xiàn)排出凝結(jié)水而阻止蒸汽流出,疏水閥排出凝結(jié)水為一個(gè)周期性的動(dòng)作,一個(gè)動(dòng)作周期為一個(gè)疏水頻次,可通過疏水頻次異常來判斷疏水閥的工作狀態(tài)。

(1)理論疏水頻次計(jì)算方法。管道散熱損失受土壤、周圍環(huán)境及保溫層等因素的影響,通過計(jì)算熱損失,結(jié)合蒸汽焓值,可以計(jì)算得到管道正常運(yùn)行的理論疏水量。

(1)

(2)

(3)

式中:

α—鋼套管整體散熱系數(shù);

Q—正常情況下熱損失,W/m;

Ta—2個(gè)疏水裝置上游溫度,℃;

Tb—2個(gè)疏水裝置下游溫度,℃;

L—2個(gè)疏水裝置之間的距離,m;

Da—鋼套管內(nèi)徑,m;

Db—鋼套管外徑,m;

Do—與土壤接觸的管道外徑,m;

h—管道埋深(管道中心至地表面的距離),m;

λ—保溫層導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);

λt—土壤的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);

N—正常情況下,單位時(shí)間內(nèi)的疏水次數(shù);

hg—過熱水蒸氣的焓值;

hs—飽和水的焓值;

m—正常情況下,一次疏水的質(zhì)量,kg。

通過式(1)～(3)可知,疏水閥的疏水頻次,與2個(gè)疏水閥之間的距離,管道的散熱系數(shù)和管徑相關(guān),因此當(dāng)蒸汽管道確定后,其管徑和散熱系數(shù)為已知參數(shù),只要確定疏水閥位置后,疏水的頻次即可確定,通過記錄疏水閥疏水頻次、疏水時(shí)間,對(duì)比每個(gè)時(shí)間段疏水閥排水頻次和相鄰2次排水時(shí)間差,從而判斷疏水閥運(yùn)行狀態(tài)。

(2)疏水頻次記錄。溫度傳感器設(shè)置在出口位置,當(dāng)疏水閥不排水時(shí),傳感器監(jiān)測(cè)的溫度為環(huán)境溫度;當(dāng)疏水閥排水時(shí),傳感器監(jiān)測(cè)的溫度為排出水溫度。通過溫度變化可以監(jiān)測(cè)疏水閥的疏水頻次,每疏水一次,排水口的溫度傳感器會(huì)記錄一次溫度驟然變化的過程,即記錄一次疏水過程。將單位時(shí)間內(nèi)的疏水次數(shù)記錄下來,即為實(shí)際疏水頻率。

疏水閥異常狀態(tài)識(shí)別方法:當(dāng)實(shí)際疏水頻率n不在理論疏水頻次N的區(qū)間范圍內(nèi),間接證明疏水閥的工作狀態(tài)異常。

1.2 蒸汽管道泄漏識(shí)別

正常工作情況下,蒸汽管道的壓力值在一定范圍內(nèi)波動(dòng),并且壓力為連續(xù)波動(dòng)。當(dāng)蒸汽管道運(yùn)行異常時(shí),監(jiān)測(cè)壓力值波動(dòng)異常且不連續(xù)。因此,可以采用統(tǒng)計(jì)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)差的3σ法則來篩選異常數(shù)據(jù),正常管道壓力值的標(biāo)準(zhǔn)差分布在正常標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi),當(dāng)有一個(gè)數(shù)據(jù)落在均值±3σ外時(shí),可以初步看作異常數(shù)據(jù),“3σ準(zhǔn)則”雖然簡(jiǎn)單,卻可以檢測(cè)異常數(shù)據(jù)。

平均值與標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算,利用以下公式:

國(guó)外科研工作者Asiful H. Seikh[2]等研究了高速鋼X65低溫下在硫酸溶液中浸泡的腐蝕特性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明浸泡時(shí)間增加，提高了陰陽(yáng)極電流和腐蝕電流密度，從而加劇了腐蝕；溫度的增加則通過加快金屬表面反應(yīng)、提高溶解速度從而加劇了腐蝕。

(4)

(5)

式中:

Pj—j時(shí)刻的壓力平均值,MPa;

σj—在j時(shí)刻的標(biāo)準(zhǔn)差;

Pi,j—從i時(shí)刻到j(luò)時(shí)刻的壓力,MPa;

n—從i時(shí)刻到j(luò)時(shí)刻采集數(shù)值的次數(shù)。

正態(tài)分布99%數(shù)據(jù)都分布在3σ區(qū)間內(nèi),對(duì)于分布在± 3σ區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)記作0,不在該區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)記為1。壓力異常值A(chǔ)的判斷公式如下:

(6)

通過判斷壓力是否在范圍內(nèi)波動(dòng)來分辨管道的運(yùn)行狀態(tài),這樣的分辨方式,會(huì)忽略在范圍內(nèi)的壓力突降點(diǎn),因此可以通過2個(gè)相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)壓力差的波動(dòng)范圍,分辨出異常瞬間突降的壓力值,通過確定壓降的合理區(qū)間,進(jìn)一步篩選異常壓力值。同樣,對(duì)于分布在± 3σ區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)記作0,不在該區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)記為1。公式如下:

(7)

式中:

B—任意2個(gè)相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)間壓力差異常值判斷參數(shù);

ΔPj—j時(shí)刻相鄰2個(gè)點(diǎn)的壓力差,MPa。

為盡可能減少誤判的情況發(fā)生,將壓力范圍和壓降范圍同時(shí)納入管道泄漏檢測(cè)的判斷標(biāo)準(zhǔn)之中,令:

C=A+B

(8)

式中:

C—管道泄漏風(fēng)險(xiǎn)判斷參數(shù)。

只有當(dāng)單個(gè)測(cè)壓點(diǎn)在某一時(shí)刻C=2的時(shí)候,即壓力和壓降同時(shí)越界,才認(rèn)定蒸汽管道存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)。但是,如果存在相鄰測(cè)壓點(diǎn)聯(lián)動(dòng)異常的情況,即某一時(shí)刻2個(gè)或更多測(cè)壓點(diǎn)出現(xiàn)C=1,認(rèn)定為蒸汽管道存在異常的誤判概率較低,同樣需要被認(rèn)定是有嚴(yán)重的爆管風(fēng)險(xiǎn)。判斷結(jié)果,見表1。

表1 事故的基本判斷標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Basic judgment standards for accidents

1.3 排潮孔溫度監(jiān)測(cè)

排潮孔主要作用為排出鋼套管保溫層中的水分,首先,蒸汽管道施工時(shí),因?yàn)樘鞖夂褪┕す芾硪蛩?導(dǎo)致套管保溫層內(nèi)進(jìn)水,當(dāng)蒸汽管道運(yùn)行時(shí),保溫層內(nèi)的水會(huì)被加熱成水蒸氣,壓力升高,如果沒有排潮孔,保溫層內(nèi)的水蒸氣無法排出,水分會(huì)腐蝕鋼管,保溫層壓力升高也存在風(fēng)險(xiǎn),因此設(shè)置排潮孔可以排出保溫層中水蒸氣;其次,排潮孔可以作為判斷管道泄漏的信號(hào)孔,正常運(yùn)行的管道排潮孔不會(huì)連續(xù)排出蒸汽,只有當(dāng)管道發(fā)生泄漏時(shí),才有大量蒸汽通過排潮孔,排潮孔溫度將和管道內(nèi)溫度一樣,并且溫度連續(xù)發(fā)生變化,即:在排潮孔設(shè)置溫度傳感器,同樣可以通過監(jiān)測(cè)溫度的變化識(shí)別蒸汽管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。

1.3 蒸汽管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

蒸汽管網(wǎng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)和數(shù)據(jù)分析過程,如圖2。通過在疏水閥出口設(shè)置溫度傳感器、進(jìn)口設(shè)置壓力傳感器,排潮孔出口設(shè)置溫度傳感器,以及在熱源站和換熱站設(shè)置壓力和溫度傳感器,同時(shí)運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)將所有數(shù)據(jù)傳輸至處理器。通過對(duì)管網(wǎng)和環(huán)境進(jìn)行建模,利用大數(shù)據(jù)可以對(duì)管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和健康情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析;可以對(duì)不同工況下的管網(wǎng)運(yùn)行情況進(jìn)行模擬;還可以對(duì)管網(wǎng)突發(fā)故障和事故時(shí)的應(yīng)急搶修進(jìn)行模擬。

圖2 蒸汽管網(wǎng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)和分析Fig.2 Monitoring indicators and analysis of the steam pipeline network

蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)判斷流程,如圖3。疏水閥主要是將蒸汽管道內(nèi)的凝結(jié)水排出管道,而凝結(jié)水的溫度為100℃,當(dāng)疏水閥出口監(jiān)測(cè)溫度大于100℃時(shí),則表明蒸汽通過疏水閥被排了出來;疏水閥工作為規(guī)律性排水,通過溫度傳感器可以監(jiān)測(cè)疏水閥的疏水頻次,間接判斷疏水閥的工作狀態(tài);在非施工及異常天氣時(shí),正常運(yùn)行的管道排潮孔不排出蒸汽,當(dāng)管道泄漏時(shí),排潮孔會(huì)持續(xù)排出蒸汽,其溫度和蒸汽管道內(nèi)溫度一致,通過監(jiān)測(cè)排潮孔溫度的變化可以判斷蒸汽管道是否泄漏;管道壓力則可以直觀反映管道的運(yùn)行狀態(tài),正常運(yùn)行的蒸汽管道壓力變化為連續(xù)、規(guī)律的波動(dòng),當(dāng)壓力出現(xiàn)跳躍性變化,則表明管道運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變,結(jié)合熱源廠壓力的變化,可以對(duì)管道狀況進(jìn)行判斷。

圖3 蒸汽管網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)判斷流程Fig.3 Process for judging the operating status of the steam pipeline network

1.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的選擇

蒸汽管道作為城市供熱配套工程,分布在城市的各個(gè)角落,疏水閥和排潮孔等管件數(shù)量成千上萬,如果不對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行篩選,那么監(jiān)測(cè)設(shè)備的投入必將非常巨大,因此考慮到投入及實(shí)際效果,需要對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行篩選,使投入與監(jiān)測(cè)效果達(dá)到最佳平衡點(diǎn),對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的布置可以從以下幾個(gè)方面考慮。

(1)高泄漏風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。根據(jù)管網(wǎng)運(yùn)行檢修數(shù)據(jù),通過管材、運(yùn)行年限及規(guī)范要求,對(duì)管網(wǎng)安全性進(jìn)行全面評(píng)估,劃分管網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),對(duì)處于高風(fēng)險(xiǎn)和高泄漏區(qū)域的管道進(jìn)行篩選,優(yōu)先選擇易發(fā)生泄漏或異常事故的管道區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(2)人口密集區(qū)域。對(duì)于人口密集區(qū)域,人口、基礎(chǔ)設(shè)施和公共服務(wù)機(jī)構(gòu)較多。若發(fā)生泄漏,帶來的次生、衍生災(zāi)害多,影響范圍廣,因此,需對(duì)該區(qū)域的蒸汽管道進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(3)敏感區(qū)域。政府機(jī)關(guān)、醫(yī)院、學(xué)校等需要穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)營(yíng)的單位,屬于重要服務(wù)單位且需要強(qiáng)大的后勤保障,因此,需要對(duì)以上部門周圍的蒸汽管網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè),確保該區(qū)域周圍管網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

(4)面臨威脅較大區(qū)域。如位于主干道路面下的管道,因受地面交通壓力影響而易受到損壞;酸堿腐蝕性強(qiáng)的土壤環(huán)境對(duì)碳鋼材質(zhì)管道影響較大,需設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2 案例分析

2021年12月23日20點(diǎn)15分,某蒸汽管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示P00135、P00136、P00137和P00138壓力監(jiān)測(cè)器發(fā)出報(bào)警信息,P00136壓力監(jiān)測(cè)值突然下降,在10min內(nèi)壓力從0.75MPa下降至0MPa,如圖4。系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信息,經(jīng)分析該監(jiān)測(cè)點(diǎn)位壓力異常,并且附近監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的壓力也出現(xiàn)了不同程度的下降。其附近的排潮孔溫度傳感器(T0013)也發(fā)出了報(bào)警信息,溫度接近175℃,和管網(wǎng)運(yùn)行溫度一致,經(jīng)巡檢人員現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核,距該監(jiān)測(cè)點(diǎn)位100多米處有一施工單位將管道挖破導(dǎo)致蒸汽泄漏(如圖5),搶修部門經(jīng)過2個(gè)多小時(shí)的緊急搶修,管道恢復(fù)正常供氣。

圖4 監(jiān)測(cè)壓力曲線Fig.4 Monitoring pressure curve

2021年11月30日13點(diǎn),疏水閥上出口溫度傳感器T00256發(fā)出了報(bào)警信息,溫度值一直處于165℃,經(jīng)判斷該疏水閥一直在排放蒸汽,該疏水閥工作狀態(tài)異常。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察,該疏水閥排出大量蒸汽,溫度特別高,如圖6。經(jīng)過維修人員拆開疏水閥后發(fā)現(xiàn)疏水閥的閥墊損壞導(dǎo)致漏氣。

圖5 泄漏現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 Leakage scene

圖6 疏水閥異常Fig.6 Abnormal drain valve

3 結(jié)論

(1)本文在分析計(jì)算蒸汽管道溫度和壓力相關(guān)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,形成疏水閥故障判斷和蒸汽管道泄漏識(shí)別方法,通過構(gòu)建蒸汽管網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),利用大數(shù)據(jù)分析,設(shè)置報(bào)警閾值,可實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)測(cè)蒸汽管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)24h不間斷監(jiān)測(cè)及預(yù)警,系統(tǒng)對(duì)泄漏識(shí)別準(zhǔn)確率高,預(yù)警信息推送及時(shí),可靈活調(diào)度人員對(duì)發(fā)現(xiàn)的故障進(jìn)行維修。

(2)蒸汽管網(wǎng)泄漏識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用案例分析顯示該系統(tǒng)可以掌握蒸汽管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài),并及時(shí)、準(zhǔn)確地識(shí)別管網(wǎng)泄漏位置,具有一定的工程實(shí)用性,可為蒸汽管網(wǎng)行業(yè)的運(yùn)維提供參考和借鑒。