無線疏水閥監(jiān)控系統(tǒng)在煙草行業(yè)中的應(yīng)用

王明明

（安徽中煙工業(yè)有限責任公司阜陽卷煙廠 安徽阜陽 236060）

現(xiàn)代卷煙工業(yè)生產(chǎn)過程中，蒸汽動力系統(tǒng)是動力能量系統(tǒng)不可或缺的一部分，是企業(yè)重要生產(chǎn)成本之一。蒸汽主要應(yīng)用于以下兩個方面：一是生產(chǎn)工藝，包括制絲生產(chǎn)線的潤葉機、烘絲機等；二是室內(nèi)環(huán)境溫濕度控制，包括生產(chǎn)車間及辦公生活區(qū)冬季采暖系統(tǒng)等［1］。

蒸汽釋放熱量后，變成蘊含熱量的凝結(jié)水，通過疏水閥進行排放。疏水閥長期使用，容易發(fā)生故障，通常表現(xiàn)為堵塞或漏氣，發(fā)生故障的疏水閥會影響物料升溫速率及產(chǎn)品質(zhì)量。受現(xiàn)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(tài)，只能定期雇傭第三方檢測機構(gòu)，人工手持設(shè)備對疏水閥逐一進行檢測，如此一來，就導(dǎo)致能源的損耗及產(chǎn)品質(zhì)量的波動。

針對這一普遍存在的問題和目前生產(chǎn)所面臨的實際問題，為提高煙草行業(yè)疏水閥的正確應(yīng)用，為國家“十四五”時期煙草行業(yè)的工作目標添磚加瓦，筆者公司與匯能設(shè)計開發(fā)疏水閥在線監(jiān)控系統(tǒng)并進行現(xiàn)場應(yīng)用，是對目前蒸汽管控系統(tǒng)的創(chuàng)新改進，既能保證疏水閥在最佳狀態(tài)工作，解決實際生產(chǎn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

TMS疏水閥無線檢測系統(tǒng)是由檢測裝置（簡稱TC模塊，Trap Check Module）、數(shù)據(jù)傳輸（簡稱TT 模塊，Trap Transfer Module）、數(shù)據(jù)分析（簡稱TM 模塊，Trap Management Module）3部分構(gòu)成的，是檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)構(gòu)成。如不使用云計算服務(wù)器，則系統(tǒng)還包括本地計算服務(wù)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(chǎn)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(fā)生了泄漏的原理如下：當閥門發(fā)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(shù)較高時，沖出的蒸汽就會形成湍流，蒸汽在小孔附近會產(chǎn)生一定頻率的聲波，當聲波頻率高于20kHz 時，產(chǎn)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(chǎn)生的超聲頻譜發(fā)現(xiàn)，一般泄漏產(chǎn)生的頻率在50kHz 以內(nèi)，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(chǎn)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(fā)生泄漏［2］。

當疏水閥堵塞時，疏水閥內(nèi)部會發(fā)生疏水不暢的現(xiàn)象，由于冷凝水溫度低于對應(yīng)的飽和蒸汽溫度，疏水閥即進入了“冷閥”狀態(tài)。可用一溫度傳感器采集疏水閥處管壁溫度，當溫度低于設(shè)定值時，即認為疏水閥出現(xiàn)“冷閥”狀態(tài)，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(shù)據(jù)，即可在線判斷疏水閥的泄漏與否，根據(jù)特定的數(shù)學模型計算，可以得出量化的泄漏等級。本系統(tǒng)即是利用這一原理實現(xiàn)疏水閥泄漏監(jiān)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(shù)據(jù)簡單處理打包后通過無線方式送至收發(fā)器，收發(fā)器通過局域網(wǎng)或外網(wǎng)送至云端服務(wù)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(jiān)測疏水閥的泄漏狀態(tài)，并對泄漏狀態(tài)進行定量、分級。

1.2 數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備使用LoRa（Long Range）無線集中器，是一種利用LoRa無線調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)關(guān)設(shè)備，是終端和服務(wù)器（Server）間的信息橋梁，是多信道的收發(fā)機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線收發(fā)［4］。

1.2.1 數(shù)據(jù)發(fā)送流程

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

LoRa發(fā)送數(shù)據(jù)前一直處于待機狀態(tài)，在初始化Tx模塊后，將待發(fā)送數(shù)據(jù)（Payload）寫入FIFO 模塊，再通過LoRa發(fā)送狀態(tài)將數(shù)據(jù)調(diào)制成信號發(fā)送出去，發(fā)送完成后，會產(chǎn)生TxDone中斷，再次切換為待機狀態(tài)，完成一個發(fā)送流程，如此循環(huán)往復(fù)。

1.2.2 數(shù)據(jù)接收流程

LoRa有兩種數(shù)據(jù)接收模式：單一數(shù)據(jù)接收模式與連續(xù)數(shù)據(jù)接收模式，模式流程圖如圖1所示。

圖1 LoR a 數(shù)據(jù)接收流程圖

（1）單一數(shù)據(jù)接收模式。在單一數(shù)據(jù)接收模式，在給定的時間窗內(nèi)，LoRa 開始搜索前導(dǎo)碼，如果該時間窗結(jié)束時還未搜索到前導(dǎo)碼，就會產(chǎn)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(chǎn)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(shù)據(jù)，以便后續(xù)進行處理。RxDone中斷產(chǎn)生后，會自動切換回待機模式。

不論是RxDone 還是RxTimeout 中斷信號產(chǎn)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(shù)據(jù)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(xù)模式。

（2）連續(xù)數(shù)據(jù)接收模式。連續(xù)數(shù)據(jù)接收模式下，LoRa調(diào)制解調(diào)器會持續(xù)地掃描信道來搜索前導(dǎo)碼，直至檢測到該前導(dǎo)碼，然后繼續(xù)等待檢測下一個前導(dǎo)碼。

如果前導(dǎo)碼長度超過預(yù)設(shè)值，則丟棄該前導(dǎo)碼，并重新開始搜索。但這種場景不會產(chǎn)生中斷標志，與單一Rx 模式相反，在連續(xù)數(shù)據(jù)接收Rx 模式下，產(chǎn)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(shè)備不會進入待機模式［6］。

在這種傳輸方式下，數(shù)據(jù)傳輸設(shè)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(shè)備間遠距無線傳輸?shù)膽?yīng)用，為超長待機和數(shù)據(jù)傳輸提供了保障［7］。

1.3 TM數(shù)據(jù)分析：云端認知計算、量化結(jié)果，進行大數(shù)據(jù)分析，支持多種終端

搭建終端軟件，通過以太網(wǎng)接收泄漏信號，進行計算分析，警告故障閥門位置，實現(xiàn)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(tǒng)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(shù)據(jù)進行橫向、縱向分析，為未來選擇使用高性價比產(chǎn)品提供直接客觀依據(jù)；能源數(shù)據(jù)提供，為蒸汽能源工作提供準確數(shù)據(jù)，提升能源管理水平，節(jié)能增效。

2 現(xiàn)場運行結(jié)果

阜陽卷煙廠本次共安裝35 臺TC 檢測設(shè)備，分布于4 個區(qū)域，選取重要設(shè)備疏水閥進行實時監(jiān)測。從數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出，現(xiàn)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(yǎng)，會造成能源的損失及產(chǎn)品質(zhì)量波動。泄漏數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 疏水閥泄漏數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

3 節(jié)能減排計算

根據(jù)現(xiàn)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(dǎo)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(xiàn)行的碳減排計算，每1kg 標準煤可轉(zhuǎn)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(jié)語

通過設(shè)計并應(yīng)用疏水閥在線監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)疏水閥精細化管理，提供能效數(shù)據(jù)，為節(jié)能工作的開展和提升管理水平提供客觀依據(jù)。以筆者公司為例，如果及時維修保養(yǎng)，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(jiān)控系統(tǒng)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(yè)亟須改造的對象。