基于無(wú)線ZigBee技術(shù)的電廠疏水閥門(mén)內(nèi)漏在線監(jiān)測(cè)

馬軍衡+薛明華+戴坤鵬

摘要：開(kāi)發(fā)了基于無(wú)線ZigBee技術(shù)的電廠疏水閥門(mén)內(nèi)漏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng).利用傳熱原理，建立了電廠閥門(mén)泄漏量定量計(jì)算方法，搭建了一套基于Zigbee技術(shù)的熱電偶溫度采集裝置，實(shí)現(xiàn)了疏水閥前、后溫度無(wú)線數(shù)據(jù)采集.該系統(tǒng)能直觀方便地顯示出機(jī)組運(yùn)行中疏水閥前、后溫度變化及各個(gè)閥門(mén)泄漏量數(shù)據(jù).該閥門(mén)內(nèi)漏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有施工成本較低、在線實(shí)時(shí)測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，可以為電廠運(yùn)行人員提供疏水閥門(mén)檢修、檢漏的依據(jù)和參考.

關(guān)鍵詞：疏水閥門(mén)； 內(nèi)漏； 在線監(jiān)測(cè)； 無(wú)線采集

中圖分類(lèi)號(hào)： TK 268 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Abstract：Online monitoring system of the trap internal leakage in the power plant based on wireless ZigBee technology was developed.In this paper，trap leakage was calculated according to heat transfer theory.In order to reach the goal of wireless temperature acquisition before and after the traps，thermocouple system was setup based on wireless ZigBee technology.The temperature and trap leakage would be displayed with the advantages of noninvasion，online，realtime，lowcost.The trap leakage monitoring system presented in this paper could provide the references of trap checking for the operators in the power plant.

Keywords：trap； internal leakage； online monitoring； wireless acquisition

疏水閥門(mén)是電廠中不可缺少的流體控制設(shè)備，其作用是排除蒸汽管道中的蒸汽凝結(jié)水. 疏水閥門(mén)內(nèi)漏不僅造成電廠汽水損失，增加了發(fā)電成本，而且會(huì)給電廠運(yùn)行帶來(lái)安全隱患.文獻(xiàn)[1]中顯示，對(duì)于300 MW機(jī)組，當(dāng)高壓旁路前疏水門(mén)泄漏1 t·h-1時(shí)，機(jī)組供電煤耗上升0.42 g·（kW·h）-1.

綜合以往經(jīng)驗(yàn)與文獻(xiàn)[2-3]，電廠疏水閥門(mén)內(nèi)漏的原因可能有：① 疏水閥門(mén)存在質(zhì)量問(wèn)題：隨著電廠蒸汽參數(shù)（溫度、壓力）的不斷提高，疏水閥門(mén)的溫度、壓力耐受性能也要隨之加強(qiáng).倘若閥門(mén)存在材質(zhì)較差、熱處理較低等質(zhì)量問(wèn)題，一旦面臨高溫高壓介質(zhì)的沖擊，極易產(chǎn)生內(nèi)漏.② 疏水閥門(mén)關(guān)閉不及時(shí)：汽機(jī)啟動(dòng)時(shí)，沒(méi)有及時(shí)關(guān)閉疏水閥門(mén)，高溫高壓蒸汽沖擊疏水閥門(mén)密封面，使得密封面產(chǎn)生磨損，同時(shí)介質(zhì)通過(guò)閥門(mén)時(shí)產(chǎn)生汽蝕，同樣可對(duì)閥門(mén)造成危害.③ 疏水閥門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)猛或者關(guān)閉不到位：開(kāi)關(guān)過(guò)猛會(huì)導(dǎo)致閥桿和閥瓣出現(xiàn)松動(dòng)和脫落，引起疏水閥門(mén)內(nèi)漏.④ 機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程中管道存在雜質(zhì)：對(duì)管道進(jìn)行沖洗時(shí)，雜質(zhì)會(huì)造成閥門(mén)密封面損壞，造成閥門(mén)內(nèi)漏[2-3].

疏水閥門(mén)內(nèi)漏不易發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)也較為困難.目前電廠主要采用巡檢人員測(cè)量閥前、后溫差，利用經(jīng)驗(yàn)判斷疏水閥門(mén)泄漏與否.本文開(kāi)發(fā)了一套基于無(wú)線ZigBee技術(shù)的疏水閥門(mén)內(nèi)漏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，給出了利用傳熱學(xué)原理計(jì)算泄漏量的理論算法，對(duì)上海某300 MW機(jī)組汽機(jī)側(cè)20個(gè)疏水閥門(mén)進(jìn)行在線內(nèi)漏監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)判斷機(jī)組運(yùn)行期間該閥門(mén)的內(nèi)漏狀況.考慮到現(xiàn)場(chǎng)安裝有線熱電偶裝置有諸多不便，該系統(tǒng)采用基于無(wú)線ZigBee技術(shù)的熱電偶溫度采集，可大大減少了現(xiàn)場(chǎng)溫度補(bǔ)償導(dǎo)線及通訊電纜布置和施工周期.

1 疏水閥門(mén)內(nèi)漏計(jì)算原理

電廠蒸汽管道內(nèi)蒸汽流動(dòng)和傳熱過(guò)程如圖1所示，其中：t為蒸汽溫度；t1、t2、t3分別為鋼管內(nèi)壁、鋼管外壁、保溫層外壁溫度；ta為環(huán)境溫度.當(dāng)疏水閥門(mén)有內(nèi)漏時(shí)，管道內(nèi)有溫度高于周?chē)h(huán)境溫度的蒸汽流動(dòng).管內(nèi)蒸汽通過(guò)鋼管和保溫層向外發(fā)散熱量.若內(nèi)漏量不變，則傳熱趨于穩(wěn)態(tài)，管道散發(fā)熱量和鋼管內(nèi)、外壁處溫度維持定值.

管道內(nèi)蒸汽通過(guò)對(duì)流換熱方式傳遞給鋼管內(nèi)壁，然后通過(guò)熱傳導(dǎo)方式從鋼管內(nèi)壁傳遞至鋼管外壁，再以熱傳導(dǎo)方式由鋼管外壁傳遞至保溫層外壁，最后進(jìn)行大空間對(duì)流換熱將熱量傳遞至周?chē)諝?蒸汽通過(guò)鋼管和保溫層時(shí)，傳熱方式依次為對(duì)流—導(dǎo)熱—導(dǎo)熱—對(duì)流.通常認(rèn)為這四種傳熱方式傳遞的熱量Q相等[4].四個(gè)傳熱過(guò)程中最終得到的方程組為[5]

當(dāng)來(lái)流蒸汽溫度和管道尺寸一定時(shí)，不同泄漏量下，鋼管外壁溫度隨距主管道距離增大，其下降程度不同：泄漏量較大時(shí)，鋼管外壁溫度下降程度較小；泄漏量較小時(shí)，鋼管外壁溫度下降程度較大.

2 設(shè)備布置與軟件系統(tǒng)

2.1 設(shè)備布置

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置如圖3所示.在疏水閥門(mén)前、后分別布置溫度測(cè)點(diǎn)A和B，閥前溫度測(cè)點(diǎn)距疏水閥門(mén)1～2 m左右，以保證溫度測(cè)量的穩(wěn)定性.閥后溫度測(cè)點(diǎn)布置在疏水閥門(mén)后0.5 m附近，以此作為判斷閥門(mén)內(nèi)漏與否的補(bǔ)充依據(jù).疏水閥門(mén)前、后溫度采用K型鎧裝熱電偶測(cè)量，測(cè)點(diǎn)就地接入基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線溫度采集系統(tǒng).ZigBee技術(shù)是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的無(wú)線數(shù)據(jù)采集技術(shù)，工作在2.4 GHz的頻段，具有以下特點(diǎn)[6-7]：① 一般傳輸距離為10～100 m，但可以采用發(fā)射功率增強(qiáng)技術(shù)將信號(hào)傳輸距離擴(kuò)展至3 000 m；② 傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量少，信號(hào)收發(fā)時(shí)間短.在非工作狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)處于睡眠模式，普通電池就可支持ZigBee節(jié)點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)長(zhǎng)

達(dá)六個(gè)月到兩年左右；③ 可低至幾Hz頻率的數(shù)據(jù)采集，協(xié)議簡(jiǎn)單，成本降低，成套的ZigBee傳感器價(jià)格在幾百元人民幣左右；④ 一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芰?qiáng)，設(shè)備具有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自愈能力.相比傳統(tǒng)的有線形式的熱電偶布置方式，無(wú)線溫度采集系統(tǒng)終端設(shè)備與熱電偶近距離連接，可大量節(jié)省現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)償導(dǎo)線和通訊電纜用量，現(xiàn)場(chǎng)布線少，工作量少，設(shè)備簡(jiǎn)單可靠，能有效降低疏水閥門(mén)內(nèi)漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備成本.

2.2 軟件系統(tǒng)

疏水閥門(mén)內(nèi)漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件主要解決以下兩個(gè)問(wèn)題：一是對(duì)無(wú)線采集裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并能進(jìn)行采樣選取、實(shí)時(shí)顯示等；二是將實(shí)時(shí)采集得到的各閥門(mén)處溫度參數(shù)以及電廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)輸入計(jì)算模型中進(jìn)行計(jì)算.由于涉及到數(shù)據(jù)采集模塊連接以及復(fù)雜模型的迭代計(jì)算問(wèn)題，因此選擇LabVIEW軟件作為其開(kāi)發(fā)界面和后臺(tái)程序軟件.圖4給出了疏水閥門(mén)內(nèi)漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面.該軟件的功能主要包括閥門(mén)前、后溫度顯示，判斷疏水閥門(mén)的泄漏情況，泄漏量的理論計(jì)算以及對(duì)于機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響.該套軟硬件系統(tǒng)已成功安裝在外高橋某電廠1號(hào)機(jī)組汽水側(cè)，并已經(jīng)上線應(yīng)用.

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)中，在300 MW機(jī)組汽水側(cè)20個(gè)疏水閥門(mén)前、后安裝了無(wú)線溫度數(shù)據(jù)采集硬件，選擇高壓或者中壓蒸汽管道上的疏水閥門(mén).由于系統(tǒng)在機(jī)組大修后安裝，被監(jiān)測(cè)的閥門(mén)幾乎不存在內(nèi)漏情況.為了驗(yàn)證疏水閥門(mén)內(nèi)漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正確性和可靠性，在保證電廠運(yùn)行安全的前提下，將兩個(gè)疏水閥門(mén)（一抽逆后疏和二抽逆后疏）打開(kāi)，以觀察系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集的變化趨勢(shì).表2給出了疏水閥門(mén)前、后溫度監(jiān)測(cè)值以及利用紅外點(diǎn)溫計(jì)得到的閥體溫度對(duì)比.

由表2可知，穩(wěn)定狀態(tài)下疏水閥門(mén)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集并計(jì)算得到的閥前、后溫度與泄漏量，除了人為打開(kāi)的一抽逆后疏和二抽逆后疏兩個(gè)疏水閥門(mén)，其余被監(jiān)測(cè)的疏水閥門(mén)前、后溫度均不超過(guò)100 ℃，可認(rèn)為疏水閥門(mén)無(wú)內(nèi)漏，并且閥體的紅外測(cè)溫溫度介于閥前和閥后溫度之間，符合常理.打開(kāi)后一抽逆后疏和二抽逆后疏閥門(mén)，兩個(gè)閥門(mén)前、后溫度分別穩(wěn)定在320、272 ℃和313、261 ℃.兩個(gè)閥門(mén)前、后溫度的變化趨勢(shì)如圖5所示.

從圖5可見(jiàn)，隨著閥門(mén)開(kāi)度的增加，閥前和閥后溫度不斷增加，最終隨著閥門(mén)泄漏量的穩(wěn)定，閥前和閥后溫度亦趨于穩(wěn)定，并且兩者之間差值亦趨于穩(wěn)定.在實(shí)際運(yùn)用中，閥前溫度和閥后溫度的差值也可作為判斷閥門(mén)泄漏量大小的依據(jù)之一.

由于機(jī)組疏水閥門(mén)泄漏量直接進(jìn)入疏水水箱，因此無(wú)法直接測(cè)量，并將其與計(jì)算值進(jìn)行比較，但是可以通過(guò)估算電量損失間接驗(yàn)證閥門(mén)泄漏量計(jì)算的正確性.表3給出了人為打開(kāi)一抽逆后疏和二抽逆后疏閥門(mén)前、后機(jī)組負(fù)荷及其相關(guān)參數(shù)的變化.

將表3中相關(guān)參數(shù)代入式（2），得到疏水閥門(mén)開(kāi)啟后影響電量為1 102 kW，而負(fù)荷前后變化為1 082 kW，兩者較為接近.這間接說(shuō)明利用傳熱學(xué)方法計(jì)算得到的閥門(mén)泄漏量的精度較高.

4 結(jié) 論

本文對(duì)電廠疏水閥門(mén)內(nèi)漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研究，從閥門(mén)泄漏量計(jì)算原理和軟硬件方面介紹了基于ZigBee技術(shù)的疏水閥門(mén)內(nèi)漏檢測(cè)系統(tǒng)，主要結(jié)論如下：

（1） 電廠疏水閥門(mén)內(nèi)漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)，可利用基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線設(shè)備對(duì)閥門(mén)前、后溫度和電廠實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行采集.

（2）無(wú)線熱電偶數(shù)據(jù)采集裝置具有現(xiàn)場(chǎng)布線少、設(shè)備簡(jiǎn)單可靠、現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量少等優(yōu)勢(shì)，可以有效降低閥門(mén)內(nèi)漏在線系統(tǒng)的設(shè)備安裝成本.

（3）基于傳熱學(xué)基礎(chǔ)的閥門(mén)泄漏檢測(cè)技術(shù)具有非接觸式、在線實(shí)時(shí)測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，計(jì)算得出的閥門(mén)泄漏量可以為電廠運(yùn)行人員提供檢修、檢漏的依據(jù)和參考.

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