基于無線ZigBee技術(shù)的電廠疏水閥門內(nèi)漏在線監(jiān)測

馬軍衡+薛明華+戴坤鵬

摘要：開發(fā)了基于無線ZigBee技術(shù)的電廠疏水閥門內(nèi)漏在線監(jiān)測系統(tǒng).利用傳熱原理，建立了電廠閥門泄漏量定量計算方法，搭建了一套基于Zigbee技術(shù)的熱電偶溫度采集裝置，實現(xiàn)了疏水閥前、后溫度無線數(shù)據(jù)采集.該系統(tǒng)能直觀方便地顯示出機組運行中疏水閥前、后溫度變化及各個閥門泄漏量數(shù)據(jù).該閥門內(nèi)漏在線監(jiān)測系統(tǒng)具有施工成本較低、在線實時測量等優(yōu)勢，可以為電廠運行人員提供疏水閥門檢修、檢漏的依據(jù)和參考.

關(guān)鍵詞：疏水閥門； 內(nèi)漏； 在線監(jiān)測； 無線采集

中圖分類號： TK 268 文獻標志碼： 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. 疏水閥門內(nèi)漏不僅造成電廠汽水損失，增加了發(fā)電成本，而且會給電廠運行帶來安全隱患.文獻[1]中顯示，對于300 MW機組，當高壓旁路前疏水門泄漏1 t·h-1時，機組供電煤耗上升0.42 g·（kW·h）-1.

綜合以往經(jīng)驗與文獻[2-3]，電廠疏水閥門內(nèi)漏的原因可能有：① 疏水閥門存在質(zhì)量問題：隨著電廠蒸汽參數(shù)（溫度、壓力）的不斷提高，疏水閥門的溫度、壓力耐受性能也要隨之加強.倘若閥門存在材質(zhì)較差、熱處理較低等質(zhì)量問題，一旦面臨高溫高壓介質(zhì)的沖擊，極易產(chǎn)生內(nèi)漏.② 疏水閥門關(guān)閉不及時：汽機啟動時，沒有及時關(guān)閉疏水閥門，高溫高壓蒸汽沖擊疏水閥門密封面，使得密封面產(chǎn)生磨損，同時介質(zhì)通過閥門時產(chǎn)生汽蝕，同樣可對閥門造成危害.③ 疏水閥門開關(guān)過猛或者關(guān)閉不到位：開關(guān)過猛會導(dǎo)致閥桿和閥瓣出現(xiàn)松動和脫落，引起疏水閥門內(nèi)漏.④ 機組啟動過程中管道存在雜質(zhì)：對管道進行沖洗時，雜質(zhì)會造成閥門密封面損壞，造成閥門內(nèi)漏[2-3].

疏水閥門內(nèi)漏不易發(fā)現(xiàn)，檢測也較為困難.目前電廠主要采用巡檢人員測量閥前、后溫差，利用經(jīng)驗判斷疏水閥門泄漏與否.本文開發(fā)了一套基于無線ZigBee技術(shù)的疏水閥門內(nèi)漏在線監(jiān)測系統(tǒng)，給出了利用傳熱學(xué)原理計算泄漏量的理論算法，對上海某300 MW機組汽機側(cè)20個疏水閥門進行在線內(nèi)漏監(jiān)測，實時判斷機組運行期間該閥門的內(nèi)漏狀況.考慮到現(xiàn)場安裝有線熱電偶裝置有諸多不便，該系統(tǒng)采用基于無線ZigBee技術(shù)的熱電偶溫度采集，可大大減少了現(xiàn)場溫度補償導(dǎo)線及通訊電纜布置和施工周期.

1 疏水閥門內(nèi)漏計算原理

電廠蒸汽管道內(nèi)蒸汽流動和傳熱過程如圖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.當疏水閥門有內(nèi)漏時，管道內(nèi)有溫度高于周圍環(huán)境溫度的蒸汽流動.管內(nèi)蒸汽通過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)蒸汽通過對流換熱方式傳遞給鋼管內(nèi)壁，然后通過熱傳導(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，最后進行大空間對流換熱將熱量傳遞至周圍空氣.蒸汽通過鋼管和保溫層時，傳熱方式依次為對流—導(dǎo)熱—導(dǎo)熱—對流.通常認為這四種傳熱方式傳遞的熱量Q相等[4].四個傳熱過程中最終得到的方程組為[5]

當來流蒸汽溫度和管道尺寸一定時，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，鋼管外壁溫度下降程度較小；泄漏量較小時，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)場設(shè)備布置如圖3所示.在疏水閥門前、后分別布置溫度測點A和B，閥前溫度測點距疏水閥門1～2 m左右，以保證溫度測量的穩(wěn)定性.閥后溫度測點布置在疏水閥門后0.5 m附近，以此作為判斷閥門內(nèi)漏與否的補充依據(jù).疏水閥門前、后溫度采用K型鎧裝熱電偶測量，測點就地接入基于ZigBee技術(shù)的無線溫度采集系統(tǒng).ZigBee技術(shù)是基于IEEE 802.15.4標準的低功耗域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)，工作在2.4 GHz的頻段，具有以下特點[6-7]：① 一般傳輸距離為10～100 m，但可以采用發(fā)射功率增強技術(shù)將信號傳輸距離擴展至3 000 m；② 傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量少，信號收發(fā)時間短.在非工作狀態(tài)下，節(jié)點處于睡眠模式，普通電池就可支持ZigBee節(jié)點運轉(zhuǎn)長

達六個月到兩年左右；③ 可低至幾Hz頻率的數(shù)據(jù)采集，協(xié)議簡單，成本降低，成套的ZigBee傳感器價格在幾百元人民幣左右；④ 一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)拓撲能力強，設(shè)備具有無線網(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)場補償導(dǎo)線和通訊電纜用量，現(xiàn)場布線少，工作量少，設(shè)備簡單可靠，能有效降低疏水閥門內(nèi)漏監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備成本.

2.2 軟件系統(tǒng)

疏水閥門內(nèi)漏監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要解決以下兩個問題：一是對無線采集裝置進行數(shù)據(jù)采集，并能進行采樣選取、實時顯示等；二是將實時采集得到的各閥門處溫度參數(shù)以及電廠實時數(shù)據(jù)庫參數(shù)輸入計算模型中進行計算.由于涉及到數(shù)據(jù)采集模塊連接以及復(fù)雜模型的迭代計算問題，因此選擇LabVIEW軟件作為其開發(fā)界面和后臺程序軟件.圖4給出了疏水閥門內(nèi)漏監(jiān)測系統(tǒng)界面.該軟件的功能主要包括閥門前、后溫度顯示，判斷疏水閥門的泄漏情況，泄漏量的理論計算以及對于機組經(jīng)濟性的影響.該套軟硬件系統(tǒng)已成功安裝在外高橋某電廠1號機組汽水側(cè)，并已經(jīng)上線應(yīng)用.

3 試驗數(shù)據(jù)分析

試驗中，在300 MW機組汽水側(cè)20個疏水閥門前、后安裝了無線溫度數(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.由于系統(tǒng)在機組大修后安裝，被監(jiān)測的閥門幾乎不存在內(nèi)漏情況.為了驗證疏水閥門內(nèi)漏監(jiān)測系統(tǒng)的正確性和可靠性，在保證電廠運行安全的前提下，將兩個疏水閥門（一抽逆后疏和二抽逆后疏）打開，以觀察系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集的變化趨勢.表2給出了疏水閥門前、后溫度監(jiān)測值以及利用紅外點溫計得到的閥體溫度對比.

由表2可知，穩(wěn)定狀態(tài)下疏水閥門監(jiān)測系統(tǒng)采集并計算得到的閥前、后溫度與泄漏量，除了人為打開的一抽逆后疏和二抽逆后疏兩個疏水閥門，其余被監(jiān)測的疏水閥門前、后溫度均不超過100 ℃，可認為疏水閥門無內(nèi)漏，并且閥體的紅外測溫溫度介于閥前和閥后溫度之間，符合常理.打開后一抽逆后疏和二抽逆后疏閥門，兩個閥門前、后溫度分別穩(wěn)定在320、272 ℃和313、261 ℃.兩個閥門前、后溫度的變化趨勢如圖5所示.

從圖5可見，隨著閥門開度的增加，閥前和閥后溫度不斷增加，最終隨著閥門泄漏量的穩(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.在實際運用中，閥前溫度和閥后溫度的差值也可作為判斷閥門泄漏量大小的依據(jù)之一.

由于機組疏水閥門泄漏量直接進入疏水水箱，因此無法直接測量，并將其與計算值進行比較，但是可以通過估算電量損失間接驗證閥門泄漏量計算的正確性.表3給出了人為打開一抽逆后疏和二抽逆后疏閥門前、后機組負荷及其相關(guān)參數(shù)的變化.

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

4 結(jié) 論

本文對電廠疏水閥門內(nèi)漏監(jiān)測系統(tǒng)進行了研究，從閥門泄漏量計算原理和軟硬件方面介紹了基于ZigBee技術(shù)的疏水閥門內(nèi)漏檢測系統(tǒng)，主要結(jié)論如下：

（1） 電廠疏水閥門內(nèi)漏監(jiān)測系統(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)的無線設(shè)備對閥門前、后溫度和電廠實時運行參數(shù)進行采集.

（2）無線熱電偶數(shù)據(jù)采集裝置具有現(xiàn)場布線少、設(shè)備簡單可靠、現(xiàn)場安裝工作量少等優(yōu)勢，可以有效降低閥門內(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)的閥門泄漏檢測技術(shù)具有非接觸式、在線實時測量等優(yōu)勢，計算得出的閥門泄漏量可以為電廠運行人員提供檢修、檢漏的依據(jù)和參考.

參考文獻：

[1] 李江海，翟培強.國產(chǎn)引進型300 MW機組旁路系統(tǒng)閥門內(nèi)漏對機組經(jīng)濟性的影響[J].華中電力，2003，16（4）：49-50.

[2] 付晨鵬，荊百林，王俊啟，等.汽輪機疏水系統(tǒng)閥門內(nèi)漏問題研究[J].河南電力，2006（2）：48-50.

[3] 吳偉志，李志鵬，楊國強，等.某火力發(fā)電廠10號機組疏水系統(tǒng)閥門內(nèi)漏整治措施研究[J].汽輪機技術(shù)，2015，57（1）：49-52.

[4] 袁鎮(zhèn)福，吳驊鳴，浦興國，等.基于傳熱原理的電廠閥門泄漏量計算方法[J].動力工程，2004，25（6）：725-728.

[5] 吳丁飛，薛明華，全文濤，等.電廠閥門內(nèi)漏在線監(jiān)測研究[J].能源研究與信息，2014，30（1）：30-34.

[6] 王玉鐸.基于ZigBee技術(shù)的無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)[D].長春：吉林大學(xué)，2012.

[7] 張蕓薇.基于ZigBee無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的設(shè)計與實現(xiàn)[D].大連：大連理工大學(xué)，2007.