疏水閥在線健康能效監測系統的研究和應用

商明虎，佟立臣，郭健，江學津

（1.深圳沈鼓測控技術有限公司，廣東 深圳 518000；2.沈陽鼓風機集團測控技術有限公司，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、食品加工等生產企業的蒸汽管網中，是一種應用廣泛的節能產品，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生的凝結水，都必須使用疏水閥來排除。因此，疏水閥的產品性能，對于整個蒸汽供熱系統的正常運行、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企業用戶后得到的熱量還不到30%；這與一些發達國家（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量差、企業設備管理低下，從而使得蒸汽大量泄漏造成的。

據不完全統計，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,形同虛設。

蒸汽供熱系統所消耗的能源在我國能源消耗中占有重要的地位，據統計，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，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，蒸汽供熱系統的節能潛力巨大。在鍋爐形式一定的情況下，根據國內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，每年可節約3600萬噸標準煤。由此可見，疏水閥不僅節能效果優異，而且還有很大的節能空間。另外，疏水閥不僅節約了煤炭消耗，還大大減少了因煤炭燃燒產生的CO2、S02及粉塵等的排放量，同時也節約了其他原料、材料、人力成本和設備折舊等。

因此研究、開發一套疏水閥健康能效監測系統具有重大的現實意義。

2 疏水閥監測的行業需求及痛點分析

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；溫度控制不穩定；影響產品質量，產品出現廢品；減少熱量輸出；發生水錘，損壞設備。

2.2 行業管理現狀、需求及痛點

疏水閥在工業企業還處于粗放式管理狀態，大多數企業仍將其作為常規的通用閥門來對待，其真正的節能價值并沒有得以重視和展現，所以造成如上文所述，近90%的疏水閥達不到標準規定的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，除了少數產品自身的質量問題外，更多的是缺少節能意識，對疏水閥管理不重視，還停留在事后維修、計劃維修等傳統管理手段上，管理方式低效；以及疏水閥的特點，多為機械結構，很難直接觀察判斷其運行狀態的好壞，需要更詳盡的運行狀態數據，來補充傳統的人工點巡檢。

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

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”也成為“十四五”規劃的關鍵詞。在石油化工、煤化工、精細化工等復雜流程工業中，生產過程設備向自動化、數字化和智能化方向發展。設備健康管理和能效監測對設備安全、高效、長周期運行的技術保障重要性越來越強。沈鼓測控公司利用傳感技術、工業互聯網、物聯網、大數據、和預測技術綜合集成開發疏水閥設備健康能效監測系統，實現了對疏水閥實時在線監測、異常預警、能耗實時監測，能滿足石油化工、煤化工、精細化工等流程工業對裝備安全、可靠、經濟、綠色運行的發展需求。

3 疏水閥監測核心技術研究

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

3.1 超聲波技術

一個容器或管道內充滿氣體介質,且其內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測。任何氣體通過泄漏孔都會產生渦流，都會有超音波段的部份，使得超音波監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 監測原理研究

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

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，即可定量監測蒸汽疏水閥泄漏及泄漏嚴重程度。

為了實現泄漏小孔的監測，本文引用了雷諾數（Reynolds number），雷諾數是流體力學中表征粘性影響的相似準則數，為紀念雷諾而命名，記作Re。雷諾數一種可用來表征流體流動情況的無量綱數。Re=ρvD/μ，其中v、ρ、μ分別為流體的流速、密度與黏性系數，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。

根據反復試驗比對，發現雷諾數與湍流聲壓級存在如下關聯關系，如圖3所示。

圖3 雷諾數與聲壓級對比關系圖

至此，只要能監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，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測系統搭建

如圖5所示，利用傳感器技術、工業互聯網、物聯網、大數據、和預測技術，采用統一的數據結構，基于SOA(Service-Oriented Architecture)架構綜合集成搭建疏水閥健康能效監測系統，系統由傳感器層、網絡層和應用層組成。其中，傳感器層采用超聲波、溫度新型復合傳感器，內置數據采集、信號處理及無線傳輸。網絡層由有線網絡(Internet、Intranet、LAN)和無線網絡(NB-IoT、LoRa等)組成。應用層可以提供用于疏水閥監測所需的各類應用圖表，實現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 基于物聯網的疏水閥健康能效智能化監測系統

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

圖6

5 結語

利用傳感技術、工業互聯網、物聯網、大數據和故障預測技術綜合集成開發出設備健康能效監測系統平臺，并把它應用于疏水閥的健康能效監測中。建立的系統平臺能夠實現設備的健康和能效實時監控、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、經濟、高效率運行，具有重要的價值。

疏水閥健康能效監測系統與國家大力倡導“能源綠色低碳發展”的政策一致，值得在工業生產企業中廣泛推廣應用。