疏水閥在線健康能效監(jiān)測系統(tǒng)的研究和應用

商明虎，佟立臣，郭健，江學津

（1.深圳沈鼓測控技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518000；2.沈陽鼓風機集團測控技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110869）

1 前言

蒸汽疏水閥又稱蒸汽疏水器或阻汽通水閥（以下簡稱疏水閥），其作用是阻汽排水，是一種能自動地排除蒸汽使用設備和管道中產(chǎn)生的冷凝水,并可阻止蒸汽泄漏的自動閥門。在石油化工、冶金、制藥、食品加工等生產(chǎn)企業(yè)的蒸汽管網(wǎng)中，是一種應用廣泛的節(jié)能產(chǎn)品，如圖1所示。

圖1 疏水閥安裝示意圖

在蒸汽輸送管道、汽水分離器、蒸汽罐以及利用蒸汽來進行加熱、換熱、保溫、伴熱、干燥、蒸餾、采暖等工藝過程中所產(chǎn)生的凝結(jié)水，都必須使用疏水閥來排除。因此，疏水閥的產(chǎn)品性能，對于整個蒸汽供熱系統(tǒng)的正常運行、蒸汽設備熱能效的提高以及能源的合理使用等都具有重要價值。

近年來，我國對于一次能源的消耗量急劇增加，但鍋爐的平均運行效率仍僅有55%左右，而把蒸汽輸送到生產(chǎn)企業(yè)用戶后得到的熱量還不到30%；這與一些發(fā)達國家（美國、歐洲、日本各國等）相比，差不多要低一半以上。這其中有很大一部分的熱量就是由于疏水閥使用不當或疏水閥質(zhì)量差、企業(yè)設備管理低下，從而使得蒸汽大量泄漏造成的。

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國各類疏水閥使用狀況很不令人樂觀，蒸汽泄漏所造成的浪費觸目驚心。國內(nèi)共使用的疏水閥約有1000萬臺：正常運行（漏汽率＜3%）10%；泄漏超標（漏汽率＞5%）60%；嚴重泄漏（漏汽率＞10%） 30%；許多疏水閥處于常開狀態(tài),形同虛設。

蒸汽供熱系統(tǒng)所消耗的能源在我國能源消耗中占有重要的地位，據(jù)統(tǒng)計，2020年我國能源消費量約為49.8億噸標準煤，其中煤炭消耗量28.29億噸，至少有17億噸煤用于蒸汽供熱系統(tǒng)，約占全國煤炭消耗量的2/3。然而我國蒸汽的利用率不高，存在著巨大的浪費，蒸汽供熱系統(tǒng)的節(jié)能潛力巨大。在鍋爐形式一定的情況下，根據(jù)國內(nèi)蒸汽疏水閥的使用狀況，僅疏水閥滿足標準要求的漏氣率3%的這一項，每年可節(jié)約3600萬噸標準煤。由此可見，疏水閥不僅節(jié)能效果優(yōu)異，而且還有很大的節(jié)能空間。另外，疏水閥不僅節(jié)約了煤炭消耗，還大大減少了因煤炭燃燒產(chǎn)生的CO2、S02及粉塵等的排放量，同時也節(jié)約了其他原料、材料、人力成本和設備折舊等。

因此研究、開發(fā)一套疏水閥健康能效監(jiān)測系統(tǒng)具有重大的現(xiàn)實意義。

2 疏水閥監(jiān)測的行業(yè)需求及痛點分析

2.1 疏水閥常見故障及影響

（1）蒸汽泄漏，疏水閥無法關閉。浪費蒸汽、浪費能源，造成工廠加工成本升高；設備流速過快；無法保持穩(wěn)定的壓力、溫度，影響其它設備的工作性能。

（2）堵塞或常閉，疏水閥無法打開。積水；溫度控制不穩(wěn)定；影響產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)品出現(xiàn)廢品；減少熱量輸出；發(fā)生水錘，損壞設備。

2.2 行業(yè)管理現(xiàn)狀、需求及痛點

疏水閥在工業(yè)企業(yè)還處于粗放式管理狀態(tài)，大多數(shù)企業(yè)仍將其作為常規(guī)的通用閥門來對待，其真正的節(jié)能價值并沒有得以重視和展現(xiàn)，所以造成如上文所述，近90%的疏水閥達不到標準規(guī)定的3%的漏汽率，而普遍的漏汽率在5%～10%，甚至更高。這些疏水閥中，除了少數(shù)產(chǎn)品自身的質(zhì)量問題外，更多的是缺少節(jié)能意識，對疏水閥管理不重視，還停留在事后維修、計劃維修等傳統(tǒng)管理手段上，管理方式低效；以及疏水閥的特點，多為機械結(jié)構(gòu)，很難直接觀察判斷其運行狀態(tài)的好壞，需要更詳盡的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，來補充傳統(tǒng)的人工點巡檢。

疏水閥管理的痛點：冷凝水總管路發(fā)生泄漏時，難以定位具體的故障閥門；蒸汽供熱系統(tǒng)中容易發(fā)生水錘現(xiàn)象而導致管路、設備損壞、爆炸，甚至造成人身安全事故；蒸汽泄漏帶來的經(jīng)濟損失難以進行數(shù)據(jù)分析評估。

在2021年全國兩會上，“碳達峰”“碳中和”被首次寫入政府工作報告，“綠色”“生態(tài)”也成為“十四五”規(guī)劃的關鍵詞。在石油化工、煤化工、精細化工等復雜流程工業(yè)中，生產(chǎn)過程設備向自動化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展。設備健康管理和能效監(jiān)測對設備安全、高效、長周期運行的技術(shù)保障重要性越來越強。沈鼓測控公司利用傳感技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、和預測技術(shù)綜合集成開發(fā)疏水閥設備健康能效監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對疏水閥實時在線監(jiān)測、異常預警、能耗實時監(jiān)測，能滿足石油化工、煤化工、精細化工等流程工業(yè)對裝備安全、可靠、經(jīng)濟、綠色運行的發(fā)展需求。

3 疏水閥監(jiān)測核心技術(shù)研究

疏水閥監(jiān)測采用聲學、溫度進行監(jiān)測，其中利用壓電晶體將超聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號用于測量泄漏及泄漏量；利用熱電阻（或熱電偶）將信號轉(zhuǎn)換成電信號用于測量堵塞。該系統(tǒng)技術(shù)難點主要在超聲波信號測量，故本文重點介紹此部分技術(shù)研究及實現(xiàn)。

3.1 超聲波技術(shù)

一個容器或管道內(nèi)充滿氣體介質(zhì),且其內(nèi)部壓力大于外部壓力，由于壓差的關系當容器或管道上有漏孔時，氣體就會從漏孔流出。漏孔尺寸較小且雷諾數(shù)較高時，流出的氣體就會形成湍流,湍流就會在漏孔附近會產(chǎn)生一定頻率的聲波,且聲波的振動頻率與漏孔尺寸有關。漏孔較大時聲波振動頻率較低，此時人耳也可聽到漏氣聲；漏孔很小且聲波振動頻率大于20kHz時，人耳就聽不到了，但它們依然能在管道、空氣中傳播，此時的聲波也叫超聲波。超聲波是高頻短波信號，其強度隨著傳播距離的增加而迅速衰減，超聲波具有指向性。

利用這個特征，超聲波測漏監(jiān)測不同于特定氣體感應器受限于它所設計來感應的特定氣體，而是以聲波來進行監(jiān)測。任何氣體通過泄漏孔都會產(chǎn)生渦流，都會有超音波段的部份，使得超音波監(jiān)測泄漏能夠感應任何種類的氣體泄漏。越接近泄漏點，越明顯。本文主要針對蒸汽、超聲波傳感器距離、超聲波強度與漏孔量展開了研究。

3.2 監(jiān)測原理研究

基于超聲波技術(shù)，本文作者根據(jù)超聲理論及大量實驗，形成如下小孔泄漏（圖2）監(jiān)測原理：

圖2 小孔泄漏示意圖

蒸汽泄漏量（kg/h）=D2×B×C

式中，D為小孔直徑（mm）；B為常數(shù)4；C為蒸汽絕對壓力（MPa）。

前提假設是泄漏的進口壓力是恒定不變的，所以只要得出小孔直徑，即可定量監(jiān)測蒸汽疏水閥泄漏及泄漏嚴重程度。

為了實現(xiàn)泄漏小孔的監(jiān)測，本文引用了雷諾數(shù)（Reynolds number），雷諾數(shù)是流體力學中表征粘性影響的相似準則數(shù)，為紀念雷諾而命名，記作Re。雷諾數(shù)一種可用來表征流體流動情況的無量綱數(shù)。Re=ρvD/μ，其中v、ρ、μ分別為流體的流速、密度與黏性系數(shù)，D為一特征長度，例如氣體流過圓形管道，則D為管道的當量直徑。

根據(jù)反復試驗比對，發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)與湍流聲壓級存在如下關聯(lián)關系，如圖3所示。

圖3 雷諾數(shù)與聲壓級對比關系圖

至此，只要能監(jiān)測到疏水閥泄漏時湍流的聲壓級，即可獲取到相應的雷諾數(shù)，進而獲取到小孔直徑、泄漏量。

傳感器設計方案，如圖4所示。

圖4 設計方案圖

4 疏水閥在線健康能效監(jiān)測系統(tǒng)搭建

如圖5所示，利用傳感器技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、和預測技術(shù)，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，基于SOA(Service-Oriented Architecture)架構(gòu)綜合集成搭建疏水閥健康能效監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)由傳感器層、網(wǎng)絡層和應用層組成。其中，傳感器層采用超聲波、溫度新型復合傳感器，內(nèi)置數(shù)據(jù)采集、信號處理及無線傳輸。網(wǎng)絡層由有線網(wǎng)絡(Internet、Intranet、LAN)和無線網(wǎng)絡(NB-IoT、LoRa等)組成。應用層可以提供用于疏水閥監(jiān)測所需的各類應用圖表，實現(xiàn)對疏水閥的故障診斷和預測、故障風險等級評估等信息。

圖5 基于物聯(lián)網(wǎng)的疏水閥健康能效智能化監(jiān)測系統(tǒng)

疏水閥健康能效監(jiān)測系統(tǒng)提供了實時、豐富的監(jiān)測圖表，可以實現(xiàn)實時監(jiān)測、早期異常預警、能效監(jiān)測等功能（圖6）。

圖6

5 結(jié)語

利用傳感技術(shù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和故障預測技術(shù)綜合集成開發(fā)出設備健康能效監(jiān)測系統(tǒng)平臺，并把它應用于疏水閥的健康能效監(jiān)測中。建立的系統(tǒng)平臺能夠?qū)崿F(xiàn)設備的健康和能效實時監(jiān)控、早期故障預警，確保石油化工、煤化工、精細化工裝置安全、可靠、經(jīng)濟、高效率運行，具有重要的價值。

疏水閥健康能效監(jiān)測系統(tǒng)與國家大力倡導“能源綠色低碳發(fā)展”的政策一致，值得在工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)中廣泛推廣應用。