電廠閥門內漏在線監測研究

吳丁飛等

摘要： 減少閥門內漏量是電廠重要的節能減耗手段.對閥門內漏在線監測及其經濟性分析研究，采用基于傳熱學原理的方法計算閥門內漏量，等效焓降法計算內漏量對于機組經濟性影響.對某一電廠300 MW機組閥門的內漏量進行監測，結果表明：該系統能定量計算閥門內漏量和對電廠煤耗的影響，具有非接觸、在線、實時測量等優勢，可以為電廠運行人員提供閥門檢修、檢漏的依據和參考.

關鍵詞：

閥門內漏量； 傳熱原理； 等效焓降法； 在線監測

中圖分類號： TK 268文獻標志碼： A

面對國家日益嚴格的節能減排要求，電力企業越來越關注發電機組的節能減耗和發電成本的降低.減少電廠閥門泄漏量是節能減耗的重要手段.

閥門是電廠廣泛使用的熱力設備，作為流體管路的控制裝置，其基本功能是接通或者切斷管路介質的流通，改變介質流動方向，調節介質的壓力和流量，保護管路和設備正常運行[1].對絕大多數閥門而言，泄漏是其最主要的破壞形式，也是影響閥門安全運行的首要問題.由于密封性能差或者密封壽命短而產生的流體外漏或內漏，不僅造成系統壓力損失，流體浪費，更會影響發電企業的經濟效益.閥門在電廠管道系統中所處的位置不同，其泄漏的幾率和對機組經濟性影響的大小也不同.汽輪機主蒸汽管道、高壓缸排汽管道、再熱段蒸汽管道、高壓缸本體等位置的疏水閥門，因工作環境惡劣，產生泄漏的可能性較大.據文獻[2]報道，在某300 MW機組旁路系統中針對閥門內漏對機組經濟性影響的計算結果表明，當高壓旁路門前疏水門、后疏水門、低壓旁路疏水門分別泄漏1 t·h-1時，機組供電煤耗分別升高0.42、0.30、0.37 g·（kW·h） -1.

閥門泄漏可分為內泄漏和外泄漏.對于閥門外漏，檢測技術和手段較為成熟，可采用人體感觀檢查、化學氣體檢查、質譜分析等多種檢測手段.閥門內漏一般較難發現，檢測也較為困難，目前閥門內漏檢測的主要方法有：壓力法、聲學法[3]和溫度檢測法[4].壓力檢測法的原理是在管道沿線和閥門處設置壓力傳感器，把采集到的壓力信號匯總后組成系統整體壓力分布圖，根據壓力曲線的變化特性確定泄漏位置和程度；聲學法的檢測原理是一旦閥門發生內漏，流體通過縫隙泄漏時會產生噴流噪聲，噴流噪聲通過閥門壁面傳播，利用傳感器可接收到這種應力波，再根據頻譜分析，確定閥門泄漏程度和流量；溫度檢測法主要用在被測流體溫度比環境溫度顯著高的場所，利用安裝在固定表面的熱電偶測量發生泄漏的閥門處溫度，從而計算泄漏流量.電廠各管道內大多數是高溫高壓蒸汽，溫度差異較大，所以較適合采用溫度檢測方法計算電廠閥門泄漏量.本文研究了基于傳熱學原理的閥門泄漏檢測方法以及經濟性影響計算方法，結合電廠現場測量實例，給出了一套適合電廠閥門內漏量檢測的在線系統.該系統能定量計算閥門內漏量以及內漏量對機組經濟性的影響.

1閥門內漏量計算原理

當電廠蒸汽管道旁路閥門或疏水閥門發生內漏時，管道內就有溫度高于周圍環境溫度的蒸汽或水流動.其傳熱過程如圖1所示，其中：t0、t1、t2、t3、ta分別為工質、管道內壁、管道外壁、保溫層外壁、周圍空氣的溫度.管道內流體通過管壁與管外保溫層向外散發熱量.若閥門內漏量不變時，傳熱過程趨于穩態，則散發熱量和管壁溫度維持在一定值.傳熱過程為：管道內流體通過對流換熱將熱量傳遞給管道內壁，再通過熱傳導從內壁傳遞至外壁，再以熱傳導方式由管道外壁傳遞至保溫層外壁，最后進行對流換熱，將熱量傳遞至周圍空氣.管道內工質通過管壁和保溫層依次以對流換熱-熱傳導-熱傳導-對流換熱向外傳熱，通常認為這四種方式傳遞的熱量Q相等[5].若t2、ta、管內流體壓力p和t0已知，則可計算因工質流動導致的散熱損失，從而計算出管道內流體的流速和流量，即得閥門的內漏量.下文將分別對以上四個傳熱過程進行分析，得出閥門內漏量的計算流程和方法.

式（1）、（5）、（6）、（7）、（8）中，t2、ta可通過熱電偶測量得到，其它相關參數可通過計算或者測量得到.通過計算最終得到的參數為Q、tc、V、t1、t3.

不同位置閥門的內漏量對機組經濟性的影響也不同.本文采用等效焓降法[7]計算不同閥門內漏量對機組經濟性的影響，主要分為兩個步驟：首先根據選取工況下熱力系統各部分的熱力參數計算出機組新蒸汽的變熱量等效焓降和各個級段的抽汽等效焓降，以及相應的抽汽效率；然后以第一步的計算結果為基礎參數，同時假定補水從凝汽器補入，求出各個負荷工況下，不同閥門泄漏點處，每內漏1 t·h-1工質使機組經濟性下降的相對變化量，最終可得到各個閥門熱經濟性相對變化量與負荷之間的相互關系.

2監測系統硬件布置與軟件連接

被監測閥門一般為高溫高壓閥門，主要為主蒸汽管道、再熱冷段蒸汽管道、汽機高低壓旁路等關聯的疏、放水閥門，隔離閥門等，選取的閥門因工作條件惡劣，內漏的可能性較大，對機組經濟性影響也較大.按照理論計算的要求，需在選取的監測閥門上游安裝兩個壁溫測點，下游安裝一個壁溫測點，閥門附近安裝一個環境溫度測點，通過電纜將信號與布置在控制室的計算機進行數據通訊，同時需要將相關運行壓力、溫度數據通過數據接口接入計算機.具體數據采集流程圖如圖2所示.

數據采集包括閥門各處溫度采集和機組運行參數采集.被監測閥門上、下游安裝的熱電偶穿過保溫層焊接在管道外壁，熱電偶信號就地采集，通過網線將數據送入位于集控室的工控機中.由于各電廠的實時數據庫類型各不相同，因此利用應用于過程控制的對象連接與嵌入技術（簡稱OPC）對電廠實時數據庫運行數據進行采集.

3試驗結果分析

為了驗證閥門內漏在線監測系統的準確性和可靠性，在上海某電廠300 MW機組上安裝了該系統.在電廠配合下進行了一次對比驗證試驗.試驗從被監測的24個閥門中選取了熱段A疏、抽一逆前疏、抽一逆后疏閥門，在機組穩定工況下，對應其關閉和開啟狀態，分別測定機組熱力系統熱耗率以及影響煤耗情況，進而和利用閥門內漏在線監測系統得到的經濟性計算及影響煤耗情況進行對比驗證.

一般情況下，試驗閥門打開時，很難通過某種測量儀器或手段直接測得蒸汽流量，因此將測量得到的閥門內漏量與該監測裝置測量結果直接進行對比存在困難.但是閥門內漏量直接影響機組經濟性和煤耗情況，所以可以通過兩者經濟性的比較驗證閥門內漏量在線測試系統的計算準確性.

試驗過程分三段：第一階段為電廠常規運行，時間為9：30～10：35，機組平均負荷為280.057 MW；第二階段打開熱段A疏疏水閥門，時間為10：40～11：00，機組平均負荷為276.347 MW；第三階段再打開抽一逆前疏和后疏閥門，時間為11：05～11：25，機組平均負荷為275.198 MW.表1給出了對比試驗的數據.

圖3分別給出了開啟閥門期間，熱段A疏、抽一逆前、后疏閥前、后溫度隨時間的變化.隨著閥門開度的增加，閥前、后溫度不斷上升，最終隨著閥門內漏量逐漸穩定，閥前、后溫度趨于穩定，并且兩者的差值亦趨于穩定.熱段A疏閥前溫度穩定在490 ℃附近，閥后溫度穩定在464 ℃附近，兩者差值穩定在26 ℃.抽一逆前、后疏閥前溫度分別穩定在300、340 ℃，閥后溫度分別穩定在287、328 ℃，兩者之間相差13 ℃和12 ℃.

將測量到的溫度和采集得到的實時數據輸入內漏量計算模型，得到該閥門處的內漏量，并通過等效焓降法計算該內漏量對于機組經濟性的影響，最終得到發電煤耗影響水平.表2給出閥門內漏在線監測系統與熱耗試驗數據對比計算結果.

4結論

本文對電廠閥門內漏監測技術進行了研究，從計算原理和軟硬件設備上介紹了閥門內漏在線監測系統，主要結論如下：

（1） 基于傳熱學原理的閥門內漏檢測技術可以定量計算閥門內漏量，并可利用等效焓降法計算內漏量對于機組經濟性影響.

（2） 閥門內漏在線監測系統包括數據采集硬件和數據處理軟件系統，其中數據采集系統包括閥前、后溫度采集和電廠實時運行參數采集.

（3） 基于傳熱學原理的閥門內漏在線檢測系統具有非接觸式、在線、實時測量等優勢，計算得出的閥門內漏量值可以為電廠運行人員提供檢修、檢漏的依據和參考.

參考文獻：

[1]王超.基于DSP的無線閥門泄漏檢測裝置的研究[M].上海：華東理工大學，2011.

[2]李江海，崔培強.國產引進型300MW機組旁路系統閥門內漏對機組經濟性的影響[J].華中電力，2003，16（4）：49-53.

[3]張穎，戴光，趙俊茹，等.阻塞流下閥門內漏率的聲學檢測與計算[J].化工機械，2006，33（5）：296-299.

[4]孫寶芝，姜任秋，姚熊亮，等.基于傳熱原理的高溫蒸汽流量測量研究[J].計量學報，2005，26（4）：326-328.

[5]袁鎮福，吳驊鳴，浦興國，等.基于傳熱原理的電廠閥門泄漏量計算方法[J].動力工程，2004，24（5）：725-728.

[6]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，2006.

[7]林萬超.火電廠熱系統節能理論[M].西安：西安交通大學出版社，1994.