疏水阀门是电厂中不可缺少的流体控制设备,其作用是排除蒸汽管道中的蒸汽凝结水.疏水阀门内漏不仅造成电厂汽水损失,增加了发电成本,而且会给电厂运行带来安全隐患.文献[1]中显示,对于300 MW机组,当高压旁路前疏水门泄漏1 t·h^-1时,机组供电煤耗上升0.42 g·(kW·h)^-1.

综合以往经验与文献[2, 3],电厂疏水阀门内漏的原因可能有:①疏水阀门存在质量问题:随着电厂蒸汽参数(温度、压力)的不断提高,疏水阀门的温度、压力耐受性能也要随之加强.倘若阀门存在材质较差、热处理较低等质量问题,一旦面临高温高压介质的冲击,极易产生内漏.②疏水阀门关闭不及时:汽机启动时,没有及时关闭疏水阀门,高温高压蒸汽冲击疏水阀门密封面,使得密封面产生磨损,同时介质通过阀门时产生汽蚀,同样可对阀门造成危害.③疏水阀门开关过猛或者关闭不到位:开关过猛会导致阀杆和阀瓣出现松动和脱落,引起疏水阀门内漏.④机组启动过程中管道存在杂质:对管道进行冲洗时,杂质会造成阀门密封面损坏,造成阀门内漏^{[2, 3]}.

疏水阀门内漏不易发现,检测也较为困难.目前电厂主要采用巡检人员测量阀前、后温差,利用经验判断疏水阀门泄漏与否.本文开发了一套基于无线ZigBee技术的疏水阀门内漏在线监测系统,给出了利用传热学原理计算泄漏量的理论算法,对上海某300 MW机组汽机侧20个疏水阀门进行在线内漏监测,实时判断机组运行期间该阀门的内漏状况.考虑到现场安装有线热电偶装置有诸多不便,该系统采用基于无线ZigBee技术的热电偶温度采集,可大大减少了现场温度补偿导线及通讯电缆布置和施工周期.

电厂蒸汽管道内蒸汽流动和传热过程如图 1所示,其中:t为蒸汽温度;t₁、t₂、t₃分别为钢管内壁、钢管外壁、保温层外壁温度;t_a为环境温度.当疏水阀门有内漏时,管道内有温度高于周围环境温度的蒸汽流动.管内蒸汽通过钢管和保温层向外发散热量.若内漏量不变,则传热趋于稳态,管道散发热量和钢管内、外壁处温度维持定值.

图 1

Fig. 1

图 1 管道内蒸汽流动和传热过程 Fig. 1 Steam flow and heat transfer in the pipeline

管道内蒸汽通过对流换热方式传递给钢管内壁,然后通过热传导方式从钢管内壁传递至钢管外壁,再以热传导方式由钢管外壁传递至保温层外壁,最后进行大空间对流换热将热量传递至周围空气.蒸汽通过钢管和保温层时,传热方式依次为对流—导热—导热—对流.通常认为这四种传热方式传递的热量Q相等^[4].四个传热过程中最终得到的方程组为^[5]

式中:d、h分别为直径和换热系数,下标1、2、3分别表示钢管内壁、钢管外壁(等同保温层内壁)、保温层外壁;l为保温层长度;t_j、t_c分别为进、出口蒸汽温度;t_f为控制体中蒸汽平均温度;λ_g、λ_b分别为钢管保温层导热系数;V为蒸汽流速;ρ为蒸汽密度;c_p为蒸汽定压比热容.

t₂、t_a可通过温度测量元件测量;其他相关参数(t_j、t_c、t_f、l、ρ、动力黏度、普朗特数Pr、导热系数、蒸汽定压比热容、空气定压比热容)可通过计算或查阅相关文献资料得到.通过式(1)最终计算得到的参数为Q、t_c、V(可转化为泄漏量)、t₁、t₃.

图 2给出了抽一逆后疏疏水阀门管道在不同泄漏量下,通过理论计算得到的钢管外壁温度t₂随距主管道距离变化关系.主要计算参数如表 1所示.

图 2

Fig. 2

图 2 不同泄漏量下壁温随距离的变化 Fig. 2 Relationship between exterior temperature and distance with different trap leakages

表 1 Table 1

表 1 主要计算参数 Tab.1 Calculation parameters 环境 温度/℃ 再热蒸汽 温度/℃ 再热蒸汽 压力/MPa 钢管 内径/m 钢管 外径/m 保温层 外径/m 25 542.93 2.86 0.025 0.032 0.052

表 1 主要计算参数 Tab.1 Calculation parameters

当来流蒸汽温度和管道尺寸一定时,不同泄漏量下,钢管外壁温度随距主管道距离增大,其下降程度不同:泄漏量较大时,钢管外壁温度下降程度较小;泄漏量较小时,钢管外壁温度下降程度较大.

现场设备布置如图 3所示.在疏水阀门前、后分别布置温度测点A和B,阀前温度测点距疏水阀门1～2 m左右,以保证温度测量的稳定性.阀后温度测点布置在疏水阀门后0.5 m附近,以此作为判断阀门内漏与否的补充依据.疏水阀门前、后温度采用K型铠装热电偶测量,测点就地接入基于ZigBee技术的无线温度采集系统.ZigBee技术是基于IEEE 802.15.4标准的低功耗域网络协议的无线数据采集技术,工作在2.4 GHz的频段,具有以下特点^{[6, 7]}:①一般传输距离为10～100 m,但可以采用发射功率增强技术将信号传输距离扩展至3 000 m;②传输速率低,传输数据量少,信号收发时间短.在非工作状态下,节点处于睡眠模式,普通电池就可支持ZigBee节点运转长达六个月到两年左右;③可低至几Hz频率的数据采集,协议简单,成本降低,成套的ZigBee传感器价格在几百元人民币左右;④一个主节点可管理254个子节点,网络拓扑能力强,设备具有无线网络自愈能力.相比传统的有线形式的热电偶布置方式,无线温度采集系统终端设备与热电偶近距离连接,可大量节省现场补偿导线和通讯电缆用量,现场布线少,工作量少,设备简单可靠,能有效降低疏水阀门内漏监测系统的设备成本.

图 3

Fig. 3

图 3 现场设备布置图 Fig. 3 Schematic diagram of the equipment layout

疏水阀门内漏监测系统软件主要解决以下两个问题:一是对无线采集装置进行数据采集,并能进行采样选取、实时显示等;二是将实时采集得到的各阀门处温度参数以及电厂实时数据库参数输入计算模型中进行计算.由于涉及到数据采集模块连接以及复杂模型的迭代计算问题,因此选择LabVIEW软件作为其开发界面和后台程序软件.图 4给出了疏水阀门内漏监测系统界面.该软件的功能主要包括阀门前、后温度显示,判断疏水阀门的泄漏情况,泄漏量的理论计算以及对于机组经济性的影响.该套软硬件系统已成功安装在外高桥某电厂1号机组汽水侧,并已经上线应用.

图 4

Fig. 4

图 4 疏水阀门内漏监测系统界面 Fig. 4 Monitorsystem interface of the trap internal leakage

试验中,在300 MW机组汽水侧20个疏水阀门前、后安装了无线温度数据采集硬件,选择高压或者中压蒸汽管道上的疏水阀门.由于系统在机组大修后安装,被监测的阀门几乎不存在内漏情况.为了验证疏水阀门内漏监测系统的正确性和可靠性,在保证电厂运行安全的前提下,将两个疏水阀门(一抽逆后疏和二抽逆后疏)打开,以观察系统中数据采集的变化趋势.表 2给出了疏水阀门前、后温度监测值以及利用红外点温计得到的阀体温度对比.

表 2 Table 2

表 2 各疏水阀门前、后温度监测值以及阀体温度对比 Tab.2 Comparison between the trap temperature and monitor temperature before and after the trap 阀 门 阀前 温度/ ℃ 阀后 温度/ ℃ 阀体 温度/℃ 计算 泄漏量/ (t·h-1) 总汽隔前疏1 65 25 60 总汽隔前疏2 78 21 71 高主A前疏 59 23 40 高主B前疏 71 31 55 中主A前疏 43 20 30 中主B前疏 41 27 33 二抽逆后疏 320 282 310 1.7 三抽逆前疏 43 19 23 高旁隔后疏 51 20 40 低旁减压前疏 60 23 39 一抽隔前疏 81 45 51 一抽逆后疏 313 271 301 1.6 高压内缸疏水 51 28 43 1#～2#调门疏水 48 26 28 3#～6#调门疏水 56 30 37 高压外缸疏水 41 29 36 中调A、B导管疏 56 30 43 中压外缸疏水 78 31 32 1#机组小机低汽疏总 65 29 21 四抽隔前疏 50 23 22

表 2 各疏水阀门前、后温度监测值以及阀体温度对比 Tab.2 Comparison between the trap temperature and monitor temperature before and after the trap

由表 2可知,稳定状态下疏水阀门监测系统采集并计算得到的阀前、后温度与泄漏量,除了人为打开的一抽逆后疏和二抽逆后疏两个疏水阀门,其余被监测的疏水阀门前、后温度均不超过100 ℃,可认为疏水阀门无内漏,并且阀体的红外测温温度介于阀前和阀后温度之间,符合常理.打开后一抽逆后疏和二抽逆后疏阀门,两个阀门前、后温度分别稳定在320、272 ℃和313、261 ℃.两个阀门前、后温度的变化趋势如图 5所示.

图 5

Fig. 5

图 5 一抽逆后疏和二抽逆后疏阀门前、后温度 Fig. 5 Temperature before and afterthe trap opening

从图 5可见,随着阀门开度的增加,阀前和阀后温度不断增加,最终随着阀门泄漏量的稳定,阀前和阀后温度亦趋于稳定,并且两者之间差值亦趋于稳定.在实际运用中,阀前温度和阀后温度的差值也可作为判断阀门泄漏量大小的依据之一.

由于机组疏水阀门泄漏量直接进入疏水水箱,因此无法直接测量,并将其与计算值进行比较,但是可以通过估算电量损失间接验证阀门泄漏量计算的正确性.表 3给出了人为打开一抽逆后疏和二抽逆后疏阀门前、后机组负荷及其相关参数的变化.

表 3 Table 3

表 3 阀门打开前、后负荷等参数的变化 Tab.3 Changes of the parameters before and after the trap opening 疏水阀门 状态 负荷/ kW 再热 汽温/℃ 再热 压力/MPa 计算泄漏 量/(t·h-1) 未开启 280 057 542.9 2.859 0 开启 278 975 542.6 2.845 3.3

表 3 阀门打开前、后负荷等参数的变化 Tab.3 Changes of the parameters before and after the trap opening

一抽逆后疏和二抽逆后疏所对应的来流蒸汽均为再热主蒸汽.疏水阀门开启后,对电量的影响可按式(2)计算,即

式中:ΔP为影响电量;hzr为再热蒸汽焓值;h_pq为排汽焓值,取2 350 kJ·kg^-1;Δq_x为泄漏量.

将表 3中相关参数代入式(2),得到疏水阀门开启后影响电量为1 102 kW,而负荷前后变化为1 082 kW,两者较为接近.这间接说明利用传热学方法计算得到的阀门泄漏量的精度较高.

本文对电厂疏水阀门内漏监测系统进行了研究,从阀门泄漏量计算原理和软硬件方面介绍了基于ZigBee技术的疏水阀门内漏检测系统,主要结论如下:

(1) 电厂疏水阀门内漏监测系统包括数据采集、数据处理软件系统,可利用基于ZigBee技术的无线设备对阀门前、后温度和电厂实时运行参数进行采集.

(2) 无线热电偶数据采集装置具有现场布线少、设备简单可靠、现场安装工作量少等优势,可以有效降低阀门内漏在线系统的设备安装成本.

(3) 基于传热学基础的阀门泄漏检测技术具有非接触式、在线实时测量等优势,计算得出的阀门泄漏量可以为电厂运行人员提供检修、检漏的依据和参考.