無線疏水閥監控系統在煙草行業中的應用

王明明

（安徽中煙工業有限責任公司阜陽卷煙廠 安徽阜陽 236060）

現代卷煙工業生產過程中，蒸汽動力系統是動力能量系統不可或缺的一部分，是企業重要生產成本之一。蒸汽主要應用于以下兩個方面：一是生產工藝，包括制絲生產線的潤葉機、烘絲機等；二是室內環境溫濕度控制，包括生產車間及辦公生活區冬季采暖系統等［1］。

蒸汽釋放熱量后，變成蘊含熱量的凝結水，通過疏水閥進行排放。疏水閥長期使用，容易發生故障，通常表現為堵塞或漏氣，發生故障的疏水閥會影響物料升溫速率及產品質量。受現場條件限制，無法及時確定哪臺疏水閥故障，即便安裝了觀視鏡的疏水閥也無法準確地判定其工作狀態，只能定期雇傭第三方檢測機構，人工手持設備對疏水閥逐一進行檢測，如此一來，就導致能源的損耗及產品質量的波動。

針對這一普遍存在的問題和目前生產所面臨的實際問題，為提高煙草行業疏水閥的正確應用，為國家“十四五”時期煙草行業的工作目標添磚加瓦，筆者公司與匯能設計開發疏水閥在線監控系統并進行現場應用，是對目前蒸汽管控系統的創新改進，既能保證疏水閥在最佳狀態工作，解決實際生產問題，也探索出一種智慧工廠的管理模式。本項目具有極強的推廣性。

1 系統結構及原理

TMS疏水閥無線檢測系統是由檢測裝置（簡稱TC模塊，Trap Check Module）、數據傳輸（簡稱TT 模塊，Trap Transfer Module）、數據分析（簡稱TM 模塊，Trap Management Module）3部分構成的，是檢測系統的基礎構成。如不使用云計算服務器，則系統還包括本地計算服務器。

1.1 檢測裝置

檢測裝置集成了一個溫度探測和超聲波探測裝置。蒸汽通過微孔時會產生特定的超聲波，利用超聲波強度檢測來判斷疏水閥是否發生了泄漏的原理如下：當閥門發生泄漏，蒸汽就會從泄漏的小孔處沖出，當小孔孔徑較小且雷諾數較高時，沖出的蒸汽就會形成湍流，蒸汽在小孔附近會產生一定頻率的聲波，當聲波頻率高于20kHz 時，產生高頻短波信號，即超聲波，它能在空氣中傳播，強度隨著距離漏孔的越遠，衰減速度越快。

通過分析閥門泄漏產生的超聲頻譜發現，一般泄漏產生的頻率在50kHz 以內，而能量主要分布于30～50kHz 之間，并且超聲波頻率在36～40kHz 點的能量都是比較大的。因此，閥門泄漏所產生超聲信號的中心頻率選擇確定為36kHz。通過檢測中心頻率附近超聲信號的強度，確定閥門是否發生泄漏［2］。

當疏水閥堵塞時，疏水閥內部會發生疏水不暢的現象，由于冷凝水溫度低于對應的飽和蒸汽溫度，疏水閥即進入了“冷閥”狀態。可用一溫度傳感器采集疏水閥處管壁溫度，當溫度低于設定值時，即認為疏水閥出現“冷閥”狀態，即疏水閥堵塞。

使用聲波/溫度傳感器檢測出的超聲波／溫度數據，即可在線判斷疏水閥的泄漏與否，根據特定的數學模型計算，可以得出量化的泄漏等級。本系統即是利用這一原理實現疏水閥泄漏監測［3］。

每臺需要檢測的疏水閥前管道上安裝一臺檢測單元，通過檢測單元，檢測流體通過疏水閥閥孔時的超聲波頻率與振幅值，以及疏水閥前管道溫度，將檢測數據簡單處理打包后通過無線方式送至收發器，收發器通過局域網或外網送至云端服務器后臺軟件進行處理、計算、分析，用戶可以通過PC 客戶端實時監測疏水閥的泄漏狀態，并對泄漏狀態進行定量、分級。

1.2 數據傳輸

數據傳輸設備使用LoRa（Long Range）無線集中器，是一種利用LoRa無線調制技術實現遠距離數據傳輸的網關設備，是終端和服務器（Server）間的信息橋梁，是多信道的收發機，實現數據無線收發［4］。

1.2.1 數據發送流程

在發送模式下，射頻、PLL 和PA 模塊只有在需要發送數據的時候才會啟動，可以極大地減少功耗［5］。

LoRa發送數據前一直處于待機狀態，在初始化Tx模塊后，將待發送數據（Payload）寫入FIFO 模塊，再通過LoRa發送狀態將數據調制成信號發送出去，發送完成后，會產生TxDone中斷，再次切換為待機狀態，完成一個發送流程，如此循環往復。

1.2.2 數據接收流程

LoRa有兩種數據接收模式：單一數據接收模式與連續數據接收模式，模式流程圖如圖1所示。

圖1 LoR a 數據接收流程圖

（1）單一數據接收模式。在單一數據接收模式，在給定的時間窗內，LoRa 開始搜索前導碼，如果該時間窗結束時還未搜索到前導碼，就會產生中斷信號Rx-Timeout，同時切換回待機模式。

在Payload 接收完成后，如果CRC 無效，則會產生RxDone 及PayloadCrcError 中斷信號。然而，即使CRC無效，仍然可以在FIFO 中寫入數據，以便后續進行處理。RxDone中斷產生后，會自動切換回待機模式。

不論是RxDone 還是RxTimeout 中斷信號產生時，LoRa 都將自動切換到待機模式，所以，Rx 單一接收模式是只有在數據包到達時間窗已知的情況下才使用的。而在其他情況下，使用Rx連續模式。

（2）連續數據接收模式。連續數據接收模式下，LoRa調制解調器會持續地掃描信道來搜索前導碼，直至檢測到該前導碼，然后繼續等待檢測下一個前導碼。

如果前導碼長度超過預設值，則丟棄該前導碼，并重新開始搜索。但這種場景不會產生中斷標志，與單一Rx 模式相反，在連續數據接收Rx 模式下，產生Rx-Timeout中斷時，用戶必須在等待的同時直接清除中斷信號，否則設備不會進入待機模式［6］。

在這種傳輸方式下，數據傳輸設備是低頻寬、低功耗、長距離的無線傳輸體系，解決了小量資料、大量設備間遠距無線傳輸的應用，為超長待機和數據傳輸提供了保障［7］。

1.3 TM數據分析：云端認知計算、量化結果，進行大數據分析，支持多種終端

搭建終端軟件，通過以太網接收泄漏信號，進行計算分析，警告故障閥門位置，實現疏水閥臺賬管理，對在線全部疏水閥所有信息進行管理及查詢；對疏水閥統計分析，包括品牌、型式、位置的疏水閥使用壽命、故障率、浪費能源數據進行橫向、縱向分析，為未來選擇使用高性價比產品提供直接客觀依據；能源數據提供，為蒸汽能源工作提供準確數據，提升能源管理水平，節能增效。

2 現場運行結果

阜陽卷煙廠本次共安裝35 臺TC 檢測設備，分布于4 個區域，選取重要設備疏水閥進行實時監測。從數據統計得出，現場疏水閥泄漏率14%，低溫故障率9%，如果不及時進行維修保養，會造成能源的損失及產品質量波動。泄漏數據如表1所示。

表1 疏水閥泄漏數據統計表

3 節能減排計算

根據現場條件及焓值表查詢可知：標煤熱值q煤=7000kcal；燃氣鍋爐效率η=97%；全年工作約8000h；0.8MPa 蒸汽焓值hs=2773.04kJ/kg；軟化水溫度按照20℃計算，軟化水焓值hw=83.74kJ/kg，蒸汽損失68.42kg/h。

3.1 因泄漏導致的蒸汽損失計算

年蒸汽損失量：68.42×8000=547 360kg=547.36t。

年蒸汽損失熱量：（2773.04-83.74）×547 360=1 472 015 248kJ。

折合標準煤量：1 472 015 248÷4.186÷7000÷97%÷1000≈51.79tce。

年損失費用：200×547.36=109 472元。

3.2 碳減排計算

及時更換維修有故障的疏水閥，可避免小漏成大漏，造成更大的損失。

按照現行的碳減排計算，每1kg 標準煤可轉換為2.493kg 的CO2，本項目可減少CO2排放量為：51.79×2.493≈129.11t。

4 結語

通過設計并應用疏水閥在線監控系統，可實現疏水閥精細化管理，提供能效數據，為節能工作的開展和提升管理水平提供客觀依據。以筆者公司為例，如果及時維修保養，每年可以減少蒸汽損失547.36t，減少CO2排放量約129.11t。因此，疏水閥在線監控系統是能源管理自動化、信息化、精細化的必要手段，也是煙草企業亟須改造的對象。