發電廠熱力系統閥門實時監管系統設計與實現

翟永杰，馬博洋

（華北電力大學 自動化系，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備，閥門的泄漏、故障等會直接影響到電廠的安全性和經濟性。閥門泄露主要分為內漏和外漏兩種情況，閥門內漏會造成一定量的作功損失，還會使凝汽器的熱負荷增加，導致機組排汽真空降低，發電熱耗量增加，內漏嚴重時甚至使機組帶不上大負荷。閥門外漏既有熱量損失也有工質損失，熱量損失不僅會造成作功損失，而且危害電廠環境[1]。工質損失使機組的補水量增加，電廠發電成本相應增加。

電廠中的閥門很多，泄漏對經濟性影響的結果也不一樣，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閉不嚴密，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或直通凝汽器的閥門不嚴密，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）機組旁路系統不嚴，高壓旁路閥不嚴密使主汽漏入冷再或低壓旁路閥不嚴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。

為了減少因閥門內漏而導致安全性和經濟性問題，有必要對熱力系統閥門的內漏進行檢測和管理。

1 閥門內漏檢測方法

1.1 目前的檢驗方法

目前，國內外關于閥門內漏檢驗的方法主要有：人工巡檢法、超聲檢測法、振動分析檢測法等。

1）人工巡檢法

靠人的感覺和經驗，主要依據傳熱學原理和聲學原理。

①傳熱學原理：泄漏工質通過管壁和保溫層熱交換，導致管壁溫度升高；泄漏越多，溫度越高。因此，根據閥門前后的溫度或溫差，人工判斷閥門是否內漏。

②聲學檢測：閥門內漏是一噴流過程，伴隨噴射噪音產生，因此可以在閥門聽聲音狀態，人工判斷閥門是否內漏[2]。

這兩種人工檢測方法具有檢測方便的優點，在巡檢中易于實現，但存在著不能在線監測、依賴個人經驗等缺陷，內漏監測不及時。

2）超聲檢測法

基本原理：如果一個容器內充滿氣體，當其內部壓強大于外部壓強時，由于內外壓差較大，一旦容器有漏孔，氣體就會從漏孔沖出。當漏孔尺寸較小且雷諾數較高時，沖出氣體就會形成湍流，湍流在漏孔附近會產生一定頻率的聲波。聲波振動的頻率與漏孔尺寸有關，漏孔較大時,人耳可聽到漏氣聲：漏孔很小且聲波頻率大于20kHz時，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，其強度隨著離開聲源（漏孔）距離的增加而迅速衰減，因此超聲波被認為是一種方向性很強的信號，用此信號判斷泄漏位置非常簡單而準確。

3）振動分析檢測法

閥體振動信號幅值與閥門開度有很好的對應關系。在進行現場實際閥門泄漏程度分析診斷時，只要事先針對具體閥門測量不同開度下的振動幅值，對閥門開度與振動幅值進行標定，則可以在以后的系統運行過程中定期檢測閥門振動狀況，根據振動幅值的變化情況診斷閥門是否發生泄漏以及泄漏的程度，實現閥門泄漏的定量分析診斷。

超聲波檢測和振動分析檢測法有其局限性——不能及時地發現泄漏，無法實現在線監測。

1.2 基于傳熱學的閥門內漏檢測方法

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

對閥門內漏的判斷，是閥門內漏實時監管的前提。如果閥門嚴密，閥前兩個測點之間由于氣體沒有流動，因此只有熱傳導，沒有熱對流，溫度相差很大，因此從理論上講，可以通過閥前兩個測點溫度的差值來判斷閥門的內漏情況，用此來判斷閥門是否泄漏。

生產現場有些管道布置復雜，保溫完善，要想準確測量閥門前兩點溫度比較困難，目前較好的辦法是使用紅外線測溫儀或者加裝測溫元件測量閥體的溫度。

傳熱機理如圖1所示，熱量由溫度高的管內工質向外面的空氣傳遞，主要包括管內工質與管內壁的對流換熱Φ1，管內壁與管外壁的導熱Φ2，保溫層的導熱Φ3，保溫層外表面與環境的對流輻射換熱Φ4過程。由于散熱，沿管長方向工質和管壁溫度逐漸降低，管壁沿管長方向也存在溫度差，管壁內還存在沿管長方向的導熱，但導熱量相對較小，分析計算時可忽略。

對于一段管道，根據能量平衡原理，工質溫度降低放出的熱量應等于管壁散失的熱量。

式中，

Φ1—管內工質與管內壁的對流換熱；

Φ2—管內壁與管外壁的導熱；

Φ3—保溫層的導熱；

Φ4—保溫層外表面與環境的對流輻射換熱；

t'、t"分別為此段工質入口和出口溫度；

qm—工質質量流量；

cp—工質比熱。

當泄漏量恒定時，經過一段時間后，傳熱過程趨于穩定。即：Φ1=Φ2=Φ3=Φ4=Φ。此時可對全廠閥門泄漏的實時狀況進行監測，管內工質和管壁溫度分布保持不變，此時泄漏量與管內工質溫度間存在函數關系[3]。利用此關系可以通過溫度的測量來計算泄漏量，需要測量的溫度包括閥前管內溫度（或者管壁溫度）、閥門前工質溫度以及環境溫度等。

2 系統設計與實現

2.1 新增測點

本系統在某電廠試驗實施過程中，在5個閥門處新增了溫度測點：#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。溫度測點采用K型熱電偶（WRNK-131G φ6m）及相應的集熱塊于每個閥門前端兩點處安裝，采集閥前遠端和近端的兩點然后傳輸至系統后進行分析。

圖2 程序流程圖Fig.2 Program flow chart

2.2 信號傳遞流程

整個熱力系統閥門實時監管系統的信號傳遞流程見圖2：閥前兩點處的熱電偶測溫原件獲取溫度信號，通過補償導線送入IDAS卡件，經模數變換后傳輸至原DCS（分散控制系統）中，然后送入原SIS（廠級監控系統）中，通過OPC服務協議，最終將新增溫度測點數據送入閥門實時監管系統。采出DCS中的數據傳至發電廠熱力系統閥門實時監控系統，采用B/S方式在用戶客戶機上顯示。

2.3 系統開發

監管系統采用典型3層B/S架構。這種架構的特點是，客戶端無需安裝任何軟件，無需任何維護，只需對服務器端進行維護，操作者能夠更快、更方便地上手使用[4]。基于瀏覽器的界面操作更加簡單、方便，隨時隨地，只要能夠聯網，就可以使用本系統。

熱力系統閥門實時監管系統的界面主要采用ASP.NET的開發程序編寫，以網站的形式進行調用，整個監管系統的程序流程圖如圖2所示。

熱力系統閥門監控系統界面中可即時地顯示各被監控的閥門的泄漏狀態，相應的報警情況和報警解除時間等，同時閥門出現較大泄漏時可報警通知運行人員，運行人員將進行相應的排查和處理。

對各臺機組閥門的“正常、輕度泄漏、中度泄漏和嚴重泄漏”4種狀態的閥門數量所占閥門總數的百分比進行統計分析，實際數量（比例）以棒狀圖（餅狀圖）表現。閥門實時監管系統可以實時統計全廠處于不同泄漏狀態的閥門數量，以及各機組處于不同泄漏狀態的閥門數量，幫助設備管理者更準確、快捷地了解閥門的狀態，從而合理制定維修計劃。

3 結論

基于傳熱學原理，通過熱電偶測溫原件測量溫度并計算閥門檢漏量的方法，可實現閥門泄漏量在線的定量計算，從而判斷閥門泄漏狀態并實施記錄。當閥門產生泄漏時，則自動預警，提醒專工和點檢人員等注意，為泄漏事故的及時檢修提供方便，從而盡可能減少了經濟損失和資源浪費，對避免環境污染和安全事故的發生具有重要的意義。因此，此方法可廣泛推廣于各電廠的熱力系統閥門監測領域中。同時，以上的傳熱學推導過程仍需要進行進一步研究，該系統應更多地于現場進行長時間運行，從而發現相應的問題。

[1]劉進.閥門常見故障原因及處理方法[J].科技創新導報,2011,21.

[2]高倩霞,李錄平,饒洪德,等.閥門泄漏率的聲發射測定技術研究[J].動力工程學報,2012,01.

[3]張洪明.傳熱學基本知識[J].太陽能,1999,03.

[4]譚會生,桂衛華,徐德智.論基于B/S的分布式系統中數據庫訪問接口[J].企業技術開發,2004,01.