能源研究与信息  2014, Vol. Issue (1): 30-34   PDF    
引用本文
吴丁飞, 薛明华, 全文涛, 王健. 电厂阀门内漏在线监测研究[J]. 能源研究与信息, 2014, (1): 30-34.
WU Ding-fei, XUE Ming-hua, QUAN Wen-tao, WANG Jian. On-line valve leak monitoring in power plant[J]. Energy Research and Information, 2014, (1): 30-34.
电厂阀门内漏在线监测研究
吴丁飞1, 薛明华2 , 全文涛2, 王健2    
1. 上海漕泾热电有限责任公司, 上海 201507;
2. 上海明华电力技术工程有限公司, 上海 200090
收稿日期: 2013-8-3;
基金项目：
第一作者： 吴丁飞 (1958-),男(汉),工程师. 研究方向:电厂锅炉与热网管理.E-mail:wudingfei@scipcogen.com
通讯作者： 薛明华(1983-),男(汉),工程师. 研究方向:电厂设备状态评价分析.E-mail:xuemh@mhdlshanghaipower.com
摘要：减少阀门内漏量是电厂重要的节能减耗手段.对阀门内漏在线监测及其经济性分析研究，采用基于传热学原理的方法计算阀门内漏量，等效焓降法计算内漏量对于机组经济性影响.对某一电厂300 MW机组阀门的内漏量进行监测，结果表明：该系统能定量计算阀门内漏量和对电厂煤耗的影响，具有非接触、在线、实时测量等优势，可以为电厂运行人员提供阀门检修、检漏的依据和参考.
关键词： 阀门内漏量     传热原理     等效焓降法     在线监测    
On-line valve leak monitoring in power plant
WU Ding-fei1, XUE Ming-hua2 , QUAN Wen-tao2, WANG Jian2    
1. Shanghai Caojing Cogeneration Co., Ltd., Shanghai 201507, China;
2. Shanghai Minghua Power Technology Engineering Co., Ltd., Shanghai 200090, China
Abstract: Reducing valve leak is an important method for energy saving and emission reduction in power plant.In this paper,on-line valve leak monitoring is studied.The valve leakage rate is calculated based on heat transfer theory,and economic analysis is conducted with equivalent enthalpy drop method.The results of valve leak monitoring in a 300 MW power plant show that the monitoring system can calculate the valve leakage rate with the advantages of non-invasion,on-line and real-time.The valve leak monitoring system presented in this work could provide the operators valuable reference information for valve checking and repair in power plant.
Key words: valve leak     heat transfer     equivalent enthalpy drop method     on-line monitoring    

面对国家日益严格的节能减排要求,电力企业越来越关注发电机组的节能减耗和发电成本的降低.减少电厂阀门泄漏量是节能减耗的重要手段.

阀门是电厂广泛使用的热力设备,作为流体管路的控制装置,其基本功能是接通或者切断管路介质的流通,改变介质流动方向,调节介质的压力和流量,保护管路和设备正常运行[1].对绝大多数阀门而言,泄漏是其最主要的破坏形式,也是影响阀门安全运行的首要问题.由于密封性能差或者密封寿命短而产生的流体外漏或内漏,不仅造成系统压力损失,流体浪费,更会影响发电企业的经济效益.阀门在电厂管道系统中所处的位置不同,其泄漏的几率和对机组经济性影响的大小也不同.汽轮机主蒸汽管道、高压缸排汽管道、再热段蒸汽管道、高压缸本体等位置的疏水阀门,因工作环境恶劣,产生泄漏的可能性较大.据文献[2]报道,在某300 MW机组旁路系统中针对阀门内漏对机组经济性影响的计算结果表明,当高压旁路门前疏水门、后疏水门、低压旁路疏水门分别泄漏1 t·h-1时,机组供电煤耗分别升高0.42、0.30、0.37 g·(kW·h) -1.

阀门泄漏可分为内泄漏和外泄漏.对于阀门外漏,检测技术和手段较为成熟,可采用人体感观检查、化学气体检查、质谱分析等多种检测手段.阀门内漏一般较难发现,检测也较为困难,目前阀门内漏检测的主要方法有:压力法、声学法[3]和温度检测法[4].压力检测法的原理是在管道沿线和阀门处设置压力传感器,把采集到的压力信号汇总后组成系统整体压力分布图,根据压力曲线的变化特性确定泄漏位置和程度;声学法的检测原理是一旦阀门发生内漏,流体通过缝隙泄漏时会产生喷流噪声,喷流噪声通过阀门壁面传播,利用传感器可接收到这种应力波,再根据频谱分析,确定阀门泄漏程度和流量;温度检测法主要用在被测流体温度比环境温度显著高的场所,利用安装在固定表面的热电偶测量发生泄漏的阀门处温度,从而计算泄漏流量.电厂各管道内大多数是高温高压蒸汽,温度差异较大,所以较适合采用温度检测方法计算电厂阀门泄漏量.本文研究了基于传热学原理的阀门泄漏检测方法以及经济性影响计算方法,结合电厂现场测量实例,给出了一套适合电厂阀门内漏量检测的在线系统.该系统能定量计算阀门内漏量以及内漏量对机组经济性的影响.

1 阀门内漏量计算原理

当电厂蒸汽管道旁路阀门或疏水阀门发生内漏时,管道内就有温度高于周围环境温度的蒸汽或水流动.其传热过程如图 1所示,其中:t0、t1、t2、t3、ta分别为工质、管道内壁、管道外壁、保温层外壁、周围空气的温度.管道内流体通过管壁与管外保温层向外散发热量.若阀门内漏量不变时,传热过程趋于稳态,则散发热量和管壁温度维持在一定值.传热过程为:管道内流体通过对流换热将热量传递给管道内壁,再通过热传导从内壁传递至外壁,再以热传导方式由管道外壁传递至保温层外壁,最后进行对流换热,将热量传递至周围空气.管道内工质通过管壁和保温层依次以对流换热-热传导-热传导-对流换热向外传热,通常认为这四种方式传递的热量Q相等[5].若t2、ta、管内流体压力p和t0已知,则可计算因工质流动导致的散热损失,从而计算出管道内流体的流速和流量,即得阀门的内漏量.下文将分别对以上四个传热过程进行分析,得出阀门内漏量的计算流程和方法.

图 1 传热过程图Fig. 1Schematic diagram of the heat transfer process
1.1 保温层与周围空气的自然对流换热

保温层与周围空气的自然对流换热量为

式中:d3为保温层外径;l为计算时所取控制体长度;h1为换热系数.

h1计算式为

式中:λa为空气导热系数;Nu为努塞尔数.

保温层与周围空气之间的传热情况属于横管大空间自然对流换热,有

式中:Pr为普朗特数;C和n分别根据层流和湍流状态取值;Gr为格拉晓夫数.

Gr计算式为

式中:g为重力加速度;α=1/T,T为周围空气的绝对温度;Δt=t3－ta;μg为空气动力黏度.

1.2 保温层、管道内壁与外壁之间的热传导

保温层散热可近似认为是单层均质圆筒壁导热问题,热量传导公式为

式中:λb为保温层导热系数;d2既是保温层内壁直径,也是管道外壁直径.

同理,管道散热也可近似认为是单层均质圆筒壁导热问题,热量传导公式为

式中:λg为管道导热系数;d1为管道内壁直径.

1.3 管道内部流体强制对流换热

管道内部蒸汽或水流动属于强制对流换热.对于控制体,有

其中:tj为流体进口温度;tc为流体出口温度;ρ为流体密度;V为流体速度;cp为流体定压比热容;h2为内部流体与管壁间的换热系数;tf为控制体中流体平均温度,表达式为

管道内部传热为受迫对流放热,其努塞尔数为

层流时

湍流时

式中:Ref、Prf分别为流体雷诺数和普朗特数;μ为流体动力黏度;下标f、w分别表示以流体平均温度及壁面温度计算的流体参数.

式(1)、(5)、(6)、(7)、(8)中,t2、ta可通过热电偶测量得到,其它相关参数可通过计算或者测量得到.通过计算最终得到的参数为Q、tc、V、t1、t3.

不同位置阀门的内漏量对机组经济性的影响也不同.本文采用等效焓降法[7]计算不同阀门内漏量对机组经济性的影响,主要分为两个步骤:首先根据选取工况下热力系统各部分的热力参数计算出机组新蒸汽的变热量等效焓降和各个级段的抽汽等效焓降,以及相应的抽汽效率;然后以第一步的计算结果为基础参数,同时假定补水从凝汽器补入,求出各个负荷工况下,不同阀门泄漏点处,每内漏1 t·h-1工质使机组经济性下降的相对变化量,最终可得到各个阀门热经济性相对变化量与负荷之间的相互关系.

2 监测系统硬件布置与软件连接

被监测阀门一般为高温高压阀门,主要为主蒸汽管道、再热冷段蒸汽管道、汽机高低压旁路等关联的疏、放水阀门,隔离阀门等,选取的阀门因工作条件恶劣,内漏的可能性较大,对机组经济性影响也较大.按照理论计算的要求,需在选取的监测阀门上游安装两个壁温测点,下游安装一个壁温测点,阀门附近安装一个环境温度测点,通过电缆将信号与布置在控制室的计算机进行数据通讯,同时需要将相关运行压力、温度数据通过数据接口接入计算机.具体数据采集流程图如图 2所示.

图 2 数据采集流程图 Fig. 2 Schematic diagram of data acquisition

数据采集包括阀门各处温度采集和机组运行参数采集.被监测阀门上、下游安装的热电偶穿过保温层焊接在管道外壁,热电偶信号就地采集,通过网线将数据送入位于集控室的工控机中.由于各电厂的实时数据库类型各不相同,因此利用应用于过程控制的对象连接与嵌入技术(简称OPC)对电厂实时数据库运行数据进行采集.

3 试验结果分析

为了验证阀门内漏在线监测系统的准确性和可靠性,在上海某电厂300 MW机组上安装了该系统.在电厂配合下进行了一次对比验证试验.试验从被监测的24个阀门中选取了热段A疏、抽一逆前疏、抽一逆后疏阀门,在机组稳定工况下,对应其关闭和开启状态,分别测定机组热力系统热耗率以及影响煤耗情况,进而和利用阀门内漏在线监测系统得到的经济性计算及影响煤耗情况进行对比验证.

一般情况下,试验阀门打开时,很难通过某种测量仪器或手段直接测得蒸汽流量,因此将测量得到的阀门内漏量与该监测装置测量结果直接进行对比存在困难.但是阀门内漏量直接影响机组经济性和煤耗情况,所以可以通过两者经济性的比较验证阀门内漏量在线测试系统的计算准确性.

试验过程分三段:第一阶段为电厂常规运行,时间为9:30~10:35,机组平均负荷为280.057 MW;第二阶段打开热段A疏疏水阀门,时间为10:40~11:00,机组平均负荷为276.347 MW;第三阶段再打开抽一逆前疏和后疏阀门,时间为11:05~11:25,机组平均负荷为275.198 MW.表 1给出了对比试验的数据.

表 1 试验采集数据 Tab.1 Operation data collected in the experiment
图 3分别给出了开启阀门期间,热段A疏、抽一逆前、后疏阀前、后温度随时间的变化.随着阀门开度的增加,阀前、后温度不断上升,最终随着阀门内漏量逐渐稳定,阀前、后温度趋于稳定,并且两者的差值亦趋于稳定.热段A疏阀前温度稳定在490 ℃附近,阀后温度稳定在464 ℃附近,两者差值稳定在26 ℃.抽一逆前、后疏阀前温度分别稳定在300、340 ℃,阀后温度分别稳定在287、328 ℃,两者之间相差13 ℃和12 ℃.

图 3 开启阀门时阀前、后温度随时间的变化 Fig. 3 Variation of temperatures ahead and behind the valve with time

将测量到的温度和采集得到的实时数据输入内漏量计算模型,得到该阀门处的内漏量,并通过等效焓降法计算该内漏量对于机组经济性的影响,最终得到发电煤耗影响水平.表 2给出阀门内漏在线监测系统与热耗试验数据对比计算结果.

表 2 阀门内漏在线监测系统与热耗试验数据对比 Tab.2 Data comparison between on-line monitoring system and heat consumption experiment

表 2显示,抽一逆前、后疏阀门同时开启后影响发电煤耗的水平[0.65+0.7=1.35 g·(kW·h)-1]与热耗试验结果[1.38 g·(kW·h)-1]较为相近,两者相差0.03 g·(kW·h)-1.热段A疏开启后,在线试验结果[3.95 g·(kW·h)-1]与热耗结果[3.50 g·(kW·h)-1]相差0.45 g·(kW·h)-1.分析可能影响误差的原因为:① 模型对于大流量内漏的计算受温度影响较大.阀前温度越高(大于400 ℃),其单位温度影响计算泄漏量的变化程度越大.② 阀门处保温层与管道外壁之间可能存在施工空隙,会对理论计算产生影响.但就总体而言,阀门内漏量在线监测系统能定量计算阀门内漏量变化.

4 结 论

本文对电厂阀门内漏监测技术进行了研究,从计算原理和软硬件设备上介绍了阀门内漏在线监测系统,主要结论如下:

(1) 基于传热学原理的阀门内漏检测技术可以定量计算阀门内漏量,并可利用等效焓降法计算内漏量对于机组经济性影响.

(2) 阀门内漏在线监测系统包括数据采集硬件和数据处理软件系统,其中数据采集系统包括阀前、后温度采集和电厂实时运行参数采集.

(3) 基于传热学原理的阀门内漏在线检测系统具有非接触式、在线、实时测量等优势,计算得出的阀门内漏量值可以为电厂运行人员提供检修、检漏的依据和参考.

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