電廠閥門內(nèi)漏在線監(jiān)測(cè)研究

吳丁飛等

摘要： 減少閥門內(nèi)漏量是電廠重要的節(jié)能減耗手段.對(duì)閥門內(nèi)漏在線監(jiān)測(cè)及其經(jīng)濟(jì)性分析研究，采用基于傳熱學(xué)原理的方法計(jì)算閥門內(nèi)漏量，等效焓降法計(jì)算內(nèi)漏量對(duì)于機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響.對(duì)某一電廠300 MW機(jī)組閥門的內(nèi)漏量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明：該系統(tǒng)能定量計(jì)算閥門內(nèi)漏量和對(duì)電廠煤耗的影響，具有非接觸、在線、實(shí)時(shí)測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，可以為電廠運(yùn)行人員提供閥門檢修、檢漏的依據(jù)和參考.

關(guān)鍵詞：

閥門內(nèi)漏量； 傳熱原理； 等效焓降法； 在線監(jiān)測(cè)

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

面對(duì)國家日益嚴(yán)格的節(jié)能減排要求，電力企業(yè)越來越關(guān)注發(fā)電機(jī)組的節(jié)能減耗和發(fā)電成本的降低.減少電廠閥門泄漏量是節(jié)能減耗的重要手段.

閥門是電廠廣泛使用的熱力設(shè)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(zhì)的流通，改變介質(zhì)流動(dòng)方向，調(diào)節(jié)介質(zhì)的壓力和流量，保護(hù)管路和設(shè)備正常運(yùn)行[1].對(duì)絕大多數(shù)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(yùn)行的首要問題.由于密封性能差或者密封壽命短而產(chǎn)生的流體外漏或內(nèi)漏，不僅造成系統(tǒng)壓力損失，流體浪費(fèi)，更會(huì)影響發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益.閥門在電廠管道系統(tǒng)中所處的位置不同，其泄漏的幾率和對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響的大小也不同.汽輪機(jī)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(huán)境惡劣，產(chǎn)生泄漏的可能性較大.據(jù)文獻(xiàn)[2]報(bào)道，在某300 MW機(jī)組旁路系統(tǒng)中針對(duì)閥門內(nèi)漏對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響的計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)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(shí)，機(jī)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(nèi)泄漏和外泄漏.對(duì)于閥門外漏，檢測(cè)技術(shù)和手段較為成熟，可采用人體感觀檢查、化學(xué)氣體檢查、質(zhì)譜分析等多種檢測(cè)手段.閥門內(nèi)漏一般較難發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)也較為困難，目前閥門內(nèi)漏檢測(cè)的主要方法有：壓力法、聲學(xué)法[3]和溫度檢測(cè)法[4].壓力檢測(cè)法的原理是在管道沿線和閥門處設(shè)置壓力傳感器，把采集到的壓力信號(hào)匯總后組成系統(tǒng)整體壓力分布圖，根據(jù)壓力曲線的變化特性確定泄漏位置和程度；聲學(xué)法的檢測(cè)原理是一旦閥門發(fā)生內(nèi)漏，流體通過縫隙泄漏時(shí)會(huì)產(chǎn)生噴流噪聲，噴流噪聲通過閥門壁面?zhèn)鞑ィ脗鞲衅骺山邮盏竭@種應(yīng)力波，再根據(jù)頻譜分析，確定閥門泄漏程度和流量；溫度檢測(cè)法主要用在被測(cè)流體溫度比環(huán)境溫度顯著高的場所，利用安裝在固定表面的熱電偶測(cè)量發(fā)生泄漏的閥門處溫度，從而計(jì)算泄漏流量.電廠各管道內(nèi)大多數(shù)是高溫高壓蒸汽，溫度差異較大，所以較適合采用溫度檢測(cè)方法計(jì)算電廠閥門泄漏量.本文研究了基于傳熱學(xué)原理的閥門泄漏檢測(cè)方法以及經(jīng)濟(jì)性影響計(jì)算方法，結(jié)合電廠現(xiàn)場測(cè)量實(shí)例，給出了一套適合電廠閥門內(nèi)漏量檢測(cè)的在線系統(tǒng).該系統(tǒng)能定量計(jì)算閥門內(nèi)漏量以及內(nèi)漏量對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響.

1閥門內(nèi)漏量計(jì)算原理

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

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

不同位置閥門的內(nèi)漏量對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響也不同.本文采用等效焓降法[7]計(jì)算不同閥門內(nèi)漏量對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響，主要分為兩個(gè)步驟：首先根據(jù)選取工況下熱力系統(tǒng)各部分的熱力參數(shù)計(jì)算出機(jī)組新蒸汽的變熱量等效焓降和各個(gè)級(jí)段的抽汽等效焓降，以及相應(yīng)的抽汽效率；然后以第一步的計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)參數(shù)，同時(shí)假定補(bǔ)水從凝汽器補(bǔ)入，求出各個(gè)負(fù)荷工況下，不同閥門泄漏點(diǎn)處，每內(nèi)漏1 t·h-1工質(zhì)使機(jī)組經(jīng)濟(jì)性下降的相對(duì)變化量，最終可得到各個(gè)閥門熱經(jīng)濟(jì)性相對(duì)變化量與負(fù)荷之間的相互關(guān)系.

2監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件布置與軟件連接

被監(jiān)測(cè)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(jī)高低壓旁路等關(guān)聯(lián)的疏、放水閥門，隔離閥門等，選取的閥門因工作條件惡劣，內(nèi)漏的可能性較大，對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響也較大.按照理論計(jì)算的要求，需在選取的監(jiān)測(cè)閥門上游安裝兩個(gè)壁溫測(cè)點(diǎn)，下游安裝一個(gè)壁溫測(cè)點(diǎn)，閥門附近安裝一個(gè)環(huán)境溫度測(cè)點(diǎn)，通過電纜將信號(hào)與布置在控制室的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，同時(shí)需要將相關(guān)運(yùn)行壓力、溫度數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接口接入計(jì)算機(jī).具體數(shù)據(jù)采集流程圖如圖2所示.

數(shù)據(jù)采集包括閥門各處溫度采集和機(jī)組運(yùn)行參數(shù)采集.被監(jiān)測(cè)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(hào)就地采集，通過網(wǎng)線將數(shù)據(jù)送入位于集控室的工控機(jī)中.由于各電廠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫類型各不相同，因此利用應(yīng)用于過程控制的對(duì)象連接與嵌入技術(shù)（簡稱OPC）對(duì)電廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集.

3試驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證閥門內(nèi)漏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，在上海某電廠300 MW機(jī)組上安裝了該系統(tǒng).在電廠配合下進(jìn)行了一次對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn).試驗(yàn)從被監(jiān)測(cè)的24個(gè)閥門中選取了熱段A疏、抽一逆前疏、抽一逆后疏閥門，在機(jī)組穩(wěn)定工況下，對(duì)應(yīng)其關(guān)閉和開啟狀態(tài)，分別測(cè)定機(jī)組熱力系統(tǒng)熱耗率以及影響煤耗情況，進(jìn)而和利用閥門內(nèi)漏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到的經(jīng)濟(jì)性計(jì)算及影響煤耗情況進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證.

一般情況下，試驗(yàn)閥門打開時(shí)，很難通過某種測(cè)量儀器或手段直接測(cè)得蒸汽流量，因此將測(cè)量得到的閥門內(nèi)漏量與該監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量結(jié)果直接進(jìn)行對(duì)比存在困難.但是閥門內(nèi)漏量直接影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和煤耗情況，所以可以通過兩者經(jīng)濟(jì)性的比較驗(yàn)證閥門內(nèi)漏量在線測(cè)試系統(tǒng)的計(jì)算準(zhǔn)確性.

試驗(yàn)過程分三段：第一階段為電廠常規(guī)運(yùn)行，時(shí)間為9：30～10：35，機(jī)組平均負(fù)荷為280.057 MW；第二階段打開熱段A疏疏水閥門，時(shí)間為10：40～11：00，機(jī)組平均負(fù)荷為276.347 MW；第三階段再打開抽一逆前疏和后疏閥門，時(shí)間為11：05～11：25，機(jī)組平均負(fù)荷為275.198 MW.表1給出了對(duì)比試驗(yàn)的數(shù)據(jù).

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(shí)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(nèi)漏量逐漸穩(wěn)定，閥前、后溫度趨于穩(wěn)定，并且兩者的差值亦趨于穩(wěn)定.熱段A疏閥前溫度穩(wěn)定在490 ℃附近，閥后溫度穩(wěn)定在464 ℃附近，兩者差值穩(wěn)定在26 ℃.抽一逆前、后疏閥前溫度分別穩(wěn)定在300、340 ℃，閥后溫度分別穩(wěn)定在287、328 ℃，兩者之間相差13 ℃和12 ℃.

將測(cè)量到的溫度和采集得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)輸入內(nèi)漏量計(jì)算模型，得到該閥門處的內(nèi)漏量，并通過等效焓降法計(jì)算該內(nèi)漏量對(duì)于機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響，最終得到發(fā)電煤耗影響水平.表2給出閥門內(nèi)漏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與熱耗試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比計(jì)算結(jié)果.

4結(jié)論

本文對(duì)電廠閥門內(nèi)漏監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究，從計(jì)算原理和軟硬件設(shè)備上介紹了閥門內(nèi)漏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主要結(jié)論如下：

（1） 基于傳熱學(xué)原理的閥門內(nèi)漏檢測(cè)技術(shù)可以定量計(jì)算閥門內(nèi)漏量，并可利用等效焓降法計(jì)算內(nèi)漏量對(duì)于機(jī)組經(jīng)濟(jì)性影響.

（2） 閥門內(nèi)漏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集硬件和數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)，其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括閥前、后溫度采集和電廠實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)采集.

（3） 基于傳熱學(xué)原理的閥門內(nèi)漏在線檢測(cè)系統(tǒng)具有非接觸式、在線、實(shí)時(shí)測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，計(jì)算得出的閥門內(nèi)漏量值可以為電廠運(yùn)行人員提供檢修、檢漏的依據(jù)和參考.

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