发电厂热力系统阀门实时监管系统设计与实现

倚天之阀

摘 要：对于发电厂热力系统阀门内漏的检测，传统上一般使用人工巡检法、超声检测技术和基于振动分析检测方法。本文基于传热学原理，研究了阀门内漏的计算方法，从而获得阀门内漏的相对程度。设计并开发了实时监管系统，实现了阀门内漏程度的在线监测。通过现场试验与实施，系统能够很好地进行阀门内漏的实时监测，并能完成泄露历史的查询和数据统计分析。

关键词：阀门；内漏；监管；电厂

中图分类号：TH 文献标识码：A 文章编号：1671-1041(2015)03-0084-03

0 前言

阀门是火电厂中使用特别广泛的热力设备，阀门的泄漏、故障等会直接影响到电厂的安全性和经济性。阀门泄露主要分为内漏和外漏两种情况，阀门内漏会造成一定量的作功损失，还会使凝汽器的热负荷增加，导致机组排汽真空降低，发电热耗量增加，内漏严重时甚至使机组带不上大负荷。阀门外漏既有热量损失也有工质损失，热量损失不仅会造成作功损失，而且危害电厂环境[1]。工质损失使机组的补水量增加，电厂发电成本相应增加。电厂中的阀门很多，泄漏对经济性影响的结果也不一样，主要考虑以下几种情况：

1）主汽、再热汽及各段抽汽管道的疏水阀门关闭不严密，使蒸汽漏入凝汽器或排入地沟。

2）加热器的危急放水门不严或直通凝汽器的阀门不严密，使加热器不能按正常的线路疏水，造成疏水泄漏；高加疏水漏入。

3）机组旁路系统不严，高压旁路阀不严密使主汽漏入冷再或低压旁路阀不严密使热再漏入凝汽器。

4）高加给水大旁路或小旁路阀漏，造成给水温度降低。为了减少因阀门内漏而导致安全性和经济性问题，有必要对热力系统阀门的内漏进行检测和管理。

1 阀门内漏检测方法

1.1 目前的检验方法

目前，国内外关于阀门内漏检验的方法主要有：人工巡检法、超声检测法、振动分析检测法等。

1）人工巡检法

靠人的感觉和经验，主要依据传热学原理和声学原理。

①传热学原理：泄漏工质通过管壁和保温层热交换，导致管壁温度升高；泄漏越多，温度越高。因此，根据阀门前后的温度或温差，人工判断阀门是否内漏。

②声学检测：阀门内漏是一喷流过程，伴随喷射噪音产生，因此可以在阀门听声音状态，人工判断阀门是否内漏[2]。

这两种人工检测方法具有检测方便的优点，在巡检中易于实现，但存在着不能在线监测、依赖个人经验等缺陷，内漏监测不及时。

2）超声检测法

基本原理：如果一个容器内充满气体，当其内部压强大于外部压强时，由于内外压差较大，一旦容器有漏孔，气体就会从漏孔冲出。当漏孔尺寸较小且雷诺数较高时，冲出气体就会形成湍流，湍流在漏孔附近会产生一定频率的声波。声波振动的频率与漏孔尺寸有关，漏孔较大时,人耳可听到漏气声：漏孔很小且声波频率大于20kHz时，人耳就听不到了，但它们能在空气中传播，被称作空载超声波。超声波是高频短波信号，其强度随着离开声源（漏孔）距离的增加而迅速衰减，因此超声波被认为是一种方向性很强的信号，用此信号判断泄漏位置非常简单而准确。

3）振动分析检测法

阀体振动信号幅值与阀门开度有很好的对应关系。在进行现场实际阀门泄漏程度分析诊断时，只要事先针对具体阀门测量不同开度下的振动幅值，对阀门开度与振动幅值进行标定，则可以在以后的系统运行过程中定期检测阀门振动状况，根据振动幅值的变化情况诊断阀门是否发生泄漏以及泄漏的程度，实现阀门泄漏的定量分析诊断。

超声波检测和振动分析检测法有其局限性——不能及时地发现泄漏，无法实现在线监测。

1.2 基于传热学的阀门内漏检测方法

对阀门内漏的判断，是阀门内漏实时监管的前提。如果阀门严密，阀前两个测点之间由于气体没有流动，因此只有热传导，没有热对流，温度相差很大，因此从理论上讲，可以通过阀前两个测点温度的差值来判断阀门的内漏情况，用此来判断阀门是否泄漏。

生产现场有些管道布置复杂，保温完善，要想准确测量阀门前两点温度比较困难，目前较好的办法是使用红外线测温仪或者加装测温元件测量阀体的温度。

传热机理如图1所示，热量由温度高的管内工质向外面的空气传递，主要包括管内工质与管内壁的对流换热Φ1，管内壁与管外壁的导热Φ2，保温层的导热Φ3，保温层外表面与环境的对流辐射换热Φ4过程。由于散热，沿管长方向工质和管壁温度逐渐降低，管壁沿管长方向也存在温度差，管壁内还存在沿管长方向的导热，但导热量相对较小，分析计算时可忽略。

图1中：h—对流换热系数；A—换热面积；tf—工质温度；tw—壁面温度；ta—环境温度；λ—导热系数；d1,d2,d3—管道直径；

图1 管道传热图

Fig.1 Pipe heat transfer figure

对于一段管道，根据能量平衡原理，工质温度降低放出的热量应等于管壁散失的热量。

式中，

Φ1—管内工质与管内壁的对流换热；

Φ2—管内壁与管外壁的导热；

Φ3—保温层的导热；

Φ4—保温层外表面与环境的对流辐射换热；

t'、t"分别为此段工质入口和出口温度；

qm—工质质量流量；

cp—工质比热。

当泄漏量恒定时，经过一段时间后，传热过程趋于稳定。即：Φ1=Φ2=Φ3=Φ4=Φ。此时可对全厂阀门泄漏的实时状况进行监测，管内工质和管壁温度分布保持不变，此时泄漏量与管内工质温度间存在函数关系[3]。利用此关系可以通过温度的测量来计算泄漏量，需要测量的温度包括阀前管内温度（或者管壁温度）、阀门前工质温度以及环境温度等。

2 系统设计与实现

2.1 新增测点

本系统在某电厂试验实施过程中，在5个阀门处新增了温度测点：#1主汽门疏水阀，#2主汽门疏水阀，主汽管道疏水阀，高旁减压阀前疏水阀、#3高加事故门疏水阀。温度测点采用K型热电偶（WRNK-131G φ6m）及相应的集热块于每个阀门前端两点处安装，采集阀前远端和近端的两点然后传输至系统后进行分析。

2.2 信号传递流程

整个热力系统阀门实时监管系统的信号传递流程见图2：阀前两点处的热电偶测温原件获取温度信号，通过补偿导线送入IDAS卡件，经模数变换后传输至原DCS（分散控制系统）中，然后送入原SIS（厂级监控系统）中，通过OPC服务协议，最终将新增温度测点数据送入阀门实时监管系统。采出DCS中的数据传至发电厂热力系统阀门实时监控系统，采用B/S方式在用户客户机上显示。

图2 程序流程图

Fig.2 Program flow chart

2.3 系统开发

监管系统采用典型3层B/S架构。这种架构的特点是，客户端无需安装任何软件，无需任何维护，只需对服务器端进行维护，操作者能够更快、更方便地上手使用[4]。基于浏览器的界面操作更加简单、方便，随时随地，只要能够联网，就可以使用本系统。

热力系统阀门实时监管系统的界面主要采用ASP.NET的开发程序编写，以网站的形式进行调用，整个监管系统的程序流程图如图2所示。

热力系统阀门监控系统界面中可即时地显示各被监控的阀门的泄漏状态，相应的报警情况和报警解除时间等，同时阀门出现较大泄漏时可报警通知运行人员，运行人员将进行相应的排查和处理。

对各台机组阀门的“正常、轻度泄漏、中度泄漏和严重泄漏”4种状态的阀门数量所占阀门总数的百分比进行统计分析，实际数量（比例）以棒状图（饼状图）表现。阀门实时监管系统可以实时统计全厂处于不同泄漏状态的阀门数量，以及各机组处于不同泄漏状态的阀门数量，帮助设备管理者更准确、快捷地了解阀门的状态，从而合理制定维修计划。

3 结论

基于传热学原理，通过热电偶测温原件测量温度并计算阀门检漏量的方法，可实现阀门泄漏量在线的定量计算，从而判断阀门泄漏状态并实施记录。当阀门产生泄漏时，则自动预警，提醒专工和点检人员等注意，为泄漏事故的及时检修提供方便，从而尽可能减少了经济损失和资源浪费，对避免环境污染和安全事故的发生具有重要的意义。因此，此方法可广泛推广于各电厂的热力系统阀门监测领域中。同时，以上的传热学推导过程仍需要进行进一步研究，该系统应更多地于现场进行长时间运行，从而发现相应的问题。

作者简介：

翟永杰，马博洋（华北电力大学 自动化系，河北 保定 071000）

翟永杰（1972-），男，河南漯河人，博士，副教授，研究方向：模式识别、计算机监测与控制。

参考文献：

【1】刘进.阀门常见故障原因及处理方法[J].科技创新导报,2011,21.

【2】高倩霞,李录平,饶洪德,等.阀门泄漏率的声发射测定技术研究[J].动力工程学报,2012,01.

【3】张洪明.传热学基本知识[J].太阳能,1999,03.

【4】谭会生,桂卫华,徐德智.论基于B/S的分布式系统中数据库访问接口[J].企业技术开发,2004,01.