發電廠閥門泄漏診斷系統設計及應用

劉玉瓊，潘 博

（錫林郭勒電業局，內蒙古 錫林浩特 026000）

0 引言

閥門在發電廠應用數量較多，主要用于控制流體壓力、流量和流向，是保障電站安全運行的重要附件。密封性是閥門的重要性能指標，閥門泄漏可能造成資源浪費、影響其運行的安全性和經濟性[1-2]。目前，發電廠閥門狀態主要依靠定期檢測，對閥門進行拆卸、檢修或更換，但50%以上的閥門并不需要拆卸修理，因此造成大量人力、物力和時間的浪費，閥門維修更換費用大約占維修更換費用的10%[3]。超聲檢漏法、聲發射檢漏法、紅外檢漏法雖不影響機組運行，但不太適應閥門高溫、高噪聲的工作環境[4]。針對發電廠閥門特殊的工作環境，文獻[5]提出基于熱力學原理計算閥門泄漏量的方法，該方法具有較好的準確性，但未考慮遠距離傳輸、7×24 h運行等工程要求。本文以某發電廠疏水閥為診斷對象，基于熱力學原理，開發閥門泄漏診斷系統，解決人工檢測空間狹小、操作不便、無數據記錄等問題，為閥門設備安全、經濟運行提供保障。

1 閥門泄漏檢測方法

以發電廠疏水閥為例，其前后管道結構及傳熱過程如圖1所示，管道為金屬材質，管外敷設保溫層。工質通過金屬管道和保溫層將熱量傳遞至周圍空氣，傳熱方式依次為對流-導熱-導熱-對流。根據長圓筒壁穩態熱傳導原理，長度與直徑比大于10，因此可按一維傳導熱處理，僅考慮熱量沿半徑方向的變化。假設上述四種傳熱方式傳遞的熱量Q相等，得到公式（1）：

圖1 閥門管道結構及傳熱過程

式中：h1—保溫層外壁換熱系數，W/（m2·℃）；

h2—內部流體與管壁間換熱系數，W/（m2·℃）；

tj—進口介質溫度，℃；

tc—出口介質溫度，℃；

tf—介質平均溫度，℃；

λg—金屬管導熱系數，W/（m·℃）；

λb—保溫層導熱系數，W/（m·℃）；

v—介質流速，m/s；

ρ—介質密度，kg/m3；

cp—介質定壓比熱容，J/（kg·℃）；

l—保溫層長度，m。

t2、ta可通過溫度傳感器測量，其他參數通過機組DCS、查閱資料或計算獲取，帶入公式（1）可得Q、tc、v、t1、t3，再根據流速與直徑即可計算介質流經閥門后的泄漏量。

2 發電廠閥門泄漏診斷系統設計

以某發電廠汽輪機旁路系統閥門泄漏診斷示范項目為例，選擇6個閥門進行同步在線泄漏診斷，根據熱力學原理設計閥門泄漏診斷系統，該系統應能適應遠距離傳輸、7×24 h連續運行等工程特點，同時可以解決人工檢測空間狹小、操作不便等問題[5]。

閥門管道為無縫不銹鋼管，保溫層為硅酸巖棉。圖2為其中一個閥門管道溫度測點布置圖，閥門內徑、外徑、保溫層厚度與其前后管道一致，計算泄漏量時將其簡化為一段結構相同的圓筒。6個閥門管道尺寸見表1。所有被測閥門管道均滿足長圓筒壁一維傳導熱處理條件。

圖2 閥門泄漏診斷系統測點布置示意圖

表1 閥門管道尺寸

2.1 硬件設計

每個閥門布置3組溫度測點：支管入口、閥門前、閥門后，用以測量金屬管外壁溫度。溫度傳感器采用K形熱電偶，熱電偶測量端通過卡箍固定于被測金屬管道外壁，感溫塊接觸面為與被測管道外徑一致的弧形端面，實現感溫塊與管壁緊密貼合，以增大感溫接觸面積。熱電偶安裝施工完成后，恢復保溫層。

6個被測閥門位于同一廠房不同位置，與工控機平臺最大距離約500 m，需要進行遠距離傳輸。工控機內置一塊8串口工業型RS485 PCI通信卡，與信號采集箱進行遠距離數據通信。RS485 PCI通信卡的有效通信距離為1200 m。系統硬件布置如圖3所示，熱電偶信號傳輸到被測管道附近信號采集箱的溫度采集卡，每個信號采集箱配置3個溫度采集卡。除溫度采集卡外，信號采集箱內還配置了開關電源、濾波器、斷路器、接線端子等設備，方便接線控制、抑制電磁噪聲。

圖3 閥門泄漏診斷系統硬件布置示意圖

2.2 軟件設計

閥門泄漏診斷系統軟件主要實現信號實時采集顯示、泄漏量計算、泄漏量預測等功能。主界面包含7個工具按鈕：參數設置、流程圖畫面、曲線畫面、表格畫面、數據回放、趨勢預測及退出。

主界面顯示閥門在系統中的位置、3組溫度測點及泄漏量的實時測量結果，并通過不同顏色標識閥門診斷狀態（如表2所示）。機組正常運行時，閥門處于關閉狀態；閥門開啟時，不判斷泄漏量，僅以紅色提示閥門處于開啟狀態。機組正常運行、閥門處于關閉狀態時，系統實時判斷泄漏量，并在界面以不同顏色提示。閥門泄漏診斷系統根據泄漏量對閥門泄漏程度進行分級，并給出相應的處理措施（如表3所示）。泄漏等級達到嚴重泄漏時，系統通過彈窗主動進行維修提醒。

表2 閥門狀態與顏色標識

表3 閥門泄漏等級及相應的處理措施

3 應用分析

采用該系統對發電廠6個閥門的泄漏情況進行診斷。閥門泄漏診斷系統是基于溫度進行泄漏量的診斷，測量的準確性是系統診斷的基礎。表4為溫度測點的誤差，以過程校準儀為標準對溫度采集卡進行偏差分析，可以看出，溫度偏差不超過2℃，偏差變化范圍小于1℃，在工程誤差范圍內。

表4 溫度測量誤差 ℃

金屬管壁溫度t2和環境溫度ta可實時測量，d1、d2、d3、l已知，λg、λb、h1、h2、h3可根據介質材料確定，ρ、cp根據介質、溫度及DCS實時工況反饋的蒸汽壓力確定。本系統暫未實現DCS數據實時采集，需用戶手動輸入穩定工況的蒸汽壓力。上述參數帶入公式（1），可獲得其他參數。經兩個大修周期驗證，閥門泄漏狀態均與現場大修檢查結果一致。

4 結束語

本文采用基于RS485總線的溫度采集卡設計閥門泄漏診斷系統，該系統可適應電站高溫、高噪聲環境，實現多路溫度信號遠距離傳輸，7×24 h連續運行，泄漏量計算結果與大修情況一致。系統界面友好，可直觀顯示閥門實時溫度、泄漏量，可在線診斷泄漏狀態，并為運行人員提供閥門維修建議。該系統的應用解決了人工檢測時空間狹小、操作不便的問題，減少了閥門維修的人力、物力和時間，對提高發電廠運行的經濟性、安全性具有重要意義。