CN103616136B - 一种热力管道阀门泄漏状态监测方法 - Google Patents

Abstract

一种热力管道阀门泄漏状态监测方法，所述方法首先测量阀后管长处管内工质温度、阀前流体温度t₀₁和阀门后管道周围环境温度,然后利用下式计算阀门的相对泄漏量M：，最后根据相对泄漏量M的计算值判断阀门的泄漏程度。本发明利用与热力管道内工质直接相关的温度参数计算相对泄漏量，具有系统简单、安装维护方便、运行稳定可靠等特点，可对阀门的泄漏状态做出及时准确的判断，实现阀门的工作状态的实时监测。

Description

一种热力管道阀门泄漏状态监测方法

技术领域

本发明涉及一种用于监测热力管道的阀门是否存在泄漏现象的方法，属于监测技术领域。

背景技术

输送蒸汽的热力管道中，蒸汽在传输过程中不可避免地要损失热量，当其温度降低到饱和温度时就会开始凝结，形成凝结水，这部分水需要通过专设的管道及时排出主热力管道，以免产生热力管道的水冲击，造成管道和设备损坏。输送热水的热力管道由于排污的需要也会在主管道上安装排污管道。

由于疏放水、排污的需要，热力管道上都设有一定数量的疏放水、排污管道，这些疏放水、排污管道上都设有一定数量的阀门。热力管道正常工作时，疏放水、排污阀门处于关闭状态。阀门开关工作过程中，热力工质(热水、蒸汽等)频繁冲击、腐蚀、磨损阀门，致使阀门关闭不严、泄漏故障经常发生。阀门泄漏分为外漏和内漏。外漏是指阀门故障后从阀体或结合部等位置向外界泄漏热力工质(热水、蒸汽等)，阀门的外部泄漏可通过声音和现象判断，这种故障较少发生且容易发现。内漏是指阀门丧失了阻止管内工质的功能，使部分热力工质(热水、蒸汽等)从阀门的内部直接通过，而经过疏放水、排污管道排放到热力系统外。阀门内漏故障的发生最普遍，且不易被发现。热力管道正常运行状态下，阀门泄漏，会使得热力管道内的热力工质(热水、蒸汽等)漏入疏放水、排污管道，而产生热力工质(热水、蒸汽等)流量和热量损失，降低热力系统的经济性。

在现有技术中，常用的疏水阀内部泄漏检查方法有：

(1)停机检查法，即在机组停机后，定期拆开疏水阀观察内部组件是否发生故障，以此确定疏水阀是否有内漏现象存在。这种方法操作起来很麻烦，浪费大量时间和人力，并且只能做粗略判断，对于较小的泄漏很难确定，如果生产需连续进行，所述方法也无法执行。

(2)观察镜法，区别主蒸汽和闪蒸蒸汽比较困难，需要足够的经验。这种方法只适用于低压工况，同时也可能因镜面结垢而失效。

(3)超声波检漏法，当高压蒸汽发生泄漏时会在漏点附近产生紊流，同时产生超声波，而疏水阀正常排放冷凝水时不会有超声波产生。通过专门仪器检测疏水阀处超声波数据并结合机组的运行参数可以判断是否有泄漏发生。该检测系统涉及到机、光(镭射光定位漏点)、电、声等多种知识领域，涉及到声波信号转换处理等，系统复杂。且环境背景噪声，也会干扰其判定的准确性。

(4)声发射技术,当阀门关闭时，若有泄漏发生，在泄漏处会形成多相湍射流，该射流不但使流体发生紊乱，而且与泄漏孔壁相互作用，在孔壁上产生高频应力波，并在阀体中传播。此应力波的特点和声发射相似，所以可认为这也是声发射，称之为被动声发射。阀门泄漏时，流体压力喷射诱发应力波并在阀体中传播。应力波的纵波、横波和表面波引起的阀体振动包括纵振动、横振动和圆环振动。用声发射传感器接触阀体外壁，接收泄漏产生的在阀体中传播的弹性波，然后将接收的信号转换成电信号，经信号放大处理后显示和监听，从而达到检测阀门泄漏的目的。

总之，现有的阀门内部泄漏检查方法或者监测效果不佳，或者系统结构复杂、检测设备投资大，均不适于对数量多、空间分布复杂的热力管道阀门进行检测。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种热力管道阀门泄漏状态监测方法，在保证监测效果的同时，减少设备的投资。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种热力管道阀门泄漏状态监测方法，所述方法首先测量阀后管长l处管内工质温度t_f、阀前流体温度t₀₁和阀门后管道周围环境温度t_a,然后利用下式计算阀门的相对泄漏量M：

$M=\frac{l}{q_{m0}ln\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_0}{\mathrm{\θ}}\right)c_p{R}_l}$

其中：

θ＝t_f-t_a

θ₀＝t₀-t_a

t₀可由阀门前介质温度t₀₁结合水蒸气性质计算得出。阀门泄露过程视为等焓过程，即阀门前后焓值相等h₀＝h₀₁＝h(p₀₁,t₀₁)，式中：p₀₁为阀门前介质的工作压力，t₀₁为阀门前介质的工作温度。测得p₀₁、t₀₁后即可由公式t₀＝t(p₀,h₀)(函数t₀＝t(p₀,h₀)为“水和水蒸汽热力性质IAPWS-IF97公式”)计算出阀门后的温度t₀。

$R_l=\frac{1}{h_1{h}_1}+\frac{1}{2{\mathrm{\π\λ}}_g}ln(d_2/d_1)+\frac{1}{2{\mathrm{\π\λ}}_b}ln(d_3/d_2)+\frac{1}{h_2{\mathrm{\πd}}_3},$

式中：q_m0为阀门开启时额定流量；c_p为工质的定压比热；R_l为阀后管长l处与管外测温点之间的热阻；l为阀门后测温点与阀门之间的管长；λ_g为管壁导热系数；λ_b为保温层导热系数；h₁为管内工质与管壁间的对流换热系数；h₂为环境与保温层外壁之间对流换热系数；d₁为管道内径；d₂为管道外径；d₃为保温层外径，

最后根据相对泄漏量M的计算值判断阀门的泄漏程度。

上述热力管道阀门泄漏状态监测系统，根据相对泄漏量M的计算值判断阀门的泄漏程度的具体方法如下：

若下列条件同时满足：

a.机组负荷大于50％负荷；

b.阀门已关(测点值)超过24小时；

c.0.01％<M<0.1％；

则阀门判定为轻度泄漏；

若下列条件同时满足：

a.机组负荷大于50％负荷；

b.阀门已关(测点值)超过24小时；

c.0.1％<M<1％；

则阀门判定为中度泄漏；

若下列条件同时满足：

a.机组负荷大于50％负荷；

b.阀门已关(测点值)超过24小时；

c.M>1％；

则阀门判定为重度泄漏。

本发明利用与热力管道内工质直接相关的温度参数计算相对泄漏量，具有系统简单、安装维护方便、运行稳定可靠等特点，可对阀门的泄漏状态做出及时准确的判断，实现阀门的工作状态的实时监测。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的系统构成示意图；

图2是阀门泄漏时管道传热示意图。

图中各标号清单为1、测温点；2、信号采集系统；3、信号传输系统；4、信号处理系统；、5、阀门；6、疏水(排污)管道；7、主热力管道。

文中所用符号清单为：A₁、管内壁面积；A₂、保温层外表面面积；q_m0、阀门开启时额定流量；c_p、工质的定压比热；R_l、阀后管长l处与管外测温点之间的热阻；h₁、管内工质与管壁间的对流换热系数；h₂、环境与保温层外壁之间对流换热系数；d₁、管道内径；d₂、管道外径；d₃、保温层外径；λ_g、管壁导热系数；λ_b、保温层导热系数；t_f、阀后管长l处管内工质温度；t_w1、管内壁温度；t_w2管外壁温度；t_w3、保温层外壁温度；t_a、环境温度；t₀、为此段管道工质入口和出口温度；t₀₁、阀前流体的温度；p₀₁、阀前流体的压力；h₀₁、阀前流体的焓；p₀、阀后流体的压力；h₀、阀后流体的焓；l、阀门后测温点与阀门之间的管长；q_m、泄漏工质质量流量；M、相对泄漏量；Φ₁、管内工质与管内壁的对流换热，Φ₂、管内壁与管外壁的导热，Φ₃、保温层的导热，Φ₄、保温层外表面与环境的对流辐射换热，t′、为管道工质入口温度，t″为管道工质出口温度。

具体实施方式

本发明所采用的热力管道阀门泄露状态监测系统包括布置在各测温点的温度传感器、温度信号采集器、信号传输系统、信号处理系统。信号处理系统可设在控制室，用于收集温度数据、进行数据记录与处理、泄露状态判断、警报信号输出等。

当阀门正常关闭时，由于散热阀后管内温度将逐渐降低。对于排空阀门，温度降低到环境温度；对于非排空门，温度降低到阀后压力对应的饱和温度，若阀后压力对应的饱和温度低于环境温度，温度降低到环境温度。

当阀门有泄漏时，管道内就有高于环境温度的工质流动。管内工质将通过管壁和保温层向外散热。传热机理如图2所示，热量由温度高的管内工质向外面的空气传递，主要包括管内工质与管内壁的对流换热Φ₁，管内壁与管外壁的导热Φ₂，保温层的导热Φ₃，保温层外表面与环境的对流辐射换热Φ₄过程。由于散热，沿管长方向工质和管壁温度降逐渐降低，管壁沿管长方向也存在温度差，管壁内还存在沿管长方向的导热，但导热量相对较小，分析计算时可忽略。

Φ₁、Φ₂、Φ₃、Φ₄的计算公式如下： $\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&Phi;}}_1=h_1{A}_1(t_f-t_{w1})=h_1\mathrm{\&pi;}{d}_{1}l(t_f-t_{w1})\\ {\mathrm{\&Phi;}}_2=\frac{(t_{w1}-t_{w2})}{\frac{1}{2{\mathrm{\&pi;\&lambda;}}_{g}l}1n(d_2/d_1)}\\ {\mathrm{\&Phi;}}_3=\frac{(t_{w2}-t_{w3})}{\frac{1}{2{\mathrm{\&pi;\&lambda;}}_{b}l}ln(d_3/d_2)}\\ {\mathrm{\&Phi;}}_4=h_2{A}_2(t_{w3}-t_a)=h_2\mathrm{\&pi;}{d}_{3}l(t_{w3}-t_a)\end{array}\right.,$

对于一段管道，根据能量平衡，工质温度降低放出的热量Φ应等于管壁散失的热量。

Φ＝q_mc_p(t′-t″)，

式中，t′、t″分别为此段管道工质入口和出口温度。q_m——泄漏工质质量流量；c_p——工质定压比热容。

当泄露量恒定时，经过一段时间后，传热过程趋于稳定Φ₁＝Φ₂＝Φ₃＝Φ₄＝Φ。管内工质和管壁温度分布保持不变，此时泄露量与管内工质温度间存在一一对应关系。测量出阀后管内温度(或者管壁温度)、阀门前工质温度以及环境温度后就可以利用此关系来计算泄漏量。

为此，在阀后管内、阀前管内、阀后管道周围环境中分别安装温度温度传感器，用于测量阀后管内温度(或者管壁温度)、阀门前工质温度以及环境温度。

由Φ₁、Φ₂、Φ₃、Φ₄的计算公式以及热平衡关系Φ₁＝Φ₂＝Φ₃＝Φ₄＝Φ，可整理得出以下Φ的计算式：

$\begin{array}{c}\mathrm{\&Phi;}=\frac{(t_f-t_a)}{\frac{1}{h_1{\mathrm{\&pi;d}}_{1}l}+\frac{1}{2{\mathrm{\&pi;\&lambda;}}_{g}l}\ln (d_2/d_1)+\frac{1}{2{\mathrm{\&pi;\&lambda;}}_{b}l}\ln (d_3/d_2)+\frac{1}{h_2{\mathrm{\&pi;d}}_{3}l}}\\ =\frac{(t_f-t_a)l}{\frac{1}{h_1{\mathrm{\&pi;d}}_1}+\frac{1}{2{\mathrm{\&pi;\&lambda;}}_g}\ln (d_2/d_1)+\frac{1}{2{\mathrm{\&pi;\&lambda;}}_b}\ln (d_3/d_2)+\frac{1}{h_2{\mathrm{\&pi;d}}_3}}=q_m{c}_p(t^{\&prime;}-t^{\&prime;\&prime;})\end{array}$

假设阀后物性参数为常物性，则上式在很短的一段管长内可写成微分形式，

$\frac{d\mathrm{\&theta;}}{\mathrm{\&theta;}}=-\frac{1}{q_m{c}_p{R}_l}dl$

式中，θ＝t_f-t_a， $R_l=\frac{1}{h_1{\mathrm{\&pi;d}}_1}+\frac{1}{2{\mathrm{\&pi;\&lambda;}}_g}ln(d_2/d_1)+\frac{1}{2{\mathrm{\&pi;\&lambda;}}_b}ln(d_3/d_2)+\frac{1}{h_2{\mathrm{\&pi;d}}_3}$

代入边界条件求解可得： $\frac{\mathrm{\&theta;}}{{\mathrm{\&theta;}}_0}=\frac{t_f-t_a}{t_0-t_a}=\exp (-\frac{1}{q_m{c}_p{R}_l}l)---\left(1\right)$

由(1)式可得

$q_m=\frac{l}{ln\left(\frac{{\mathrm{\&theta;}}_0}{\mathrm{\&theta;}}\right)c_p{R}_l}$

相对泄漏量M的计算式如下： $M=\frac{q_m}{q_{m0}}=\frac{l}{q_{m0}ln\left(\frac{{\mathrm{\&theta;}}_0}{\mathrm{\&theta;}}\right)c_p{R}_l}---\left(2\right)$

式中：t₀——阀门后泄露流体的温度；q_m0——阀门开启时额定流量。

由式(1)、式(2)我们可以看出泄漏量q_m和t_f一一对应。最合理的评判泄露参数为直接计算出相对泄漏量，另外θ＝t_f-t_a、也可作为评判泄露参数。

所述热力管道阀门泄露状态监测系统，以M值作为阀门泄露状态评判参数，并结合管道负荷、阀门开关时间对阀门的泄露程度作出判断，将阀门的泄露状态分为正常、轻度泄露、中度泄露和重度泄露四种状态，其中阀门泄露判据如下：

同时满足：

1)机组负荷大于50％负荷；

2)阀门已关(测点值)超过24小时；

3)0.01％<M<0.1％；

为阀门轻度泄露；

同时满足：

1)机组负荷大于50％负荷；

2)阀门已关(测点值)超过24小时；

3)0.1％<M<1％；

为阀门中度泄露；

同时满足：

1)机组负荷大于50％负荷；

2)阀门已关(测点值)超过24小时；

3)M>1％；

为阀门重度泄露。

每个阀门的轻度、中度、重度泄漏判据可根据实际情况和历史经验设定。

除上述实施方式外，本发明还可能有其他实施方式，凡在本发明基础上所做的任何修改、等同替换等都应包含在本发明所要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种热力管道阀门泄漏状态监测方法，其特征是，所述方法首先测量阀后管长l处管内工质温度t_f、阀前流体温度t₀₁和阀门后管道周围环境温度t_a,然后利用下式计算阀门的相对泄漏量M：

$M=\frac{l}{q_{m0}\ln \left(\frac{{\mathrm{\&theta;}}_0}{\mathrm{\&theta;}}\right)c_p{R}_l},$

其中：

θ＝t_f-t_a，

θ₀＝t₀-t_a

t₀由水蒸气性质计算得出；

阀门前后焓值相等h₀＝h₀₁＝h(p₀₁,t₀₁)，

t₀＝t(p₀,h₀),

$R_l=\frac{1}{h_1{\mathrm{\&pi;d}}_1}+\frac{1}{2{\mathrm{\&pi;\&lambda;}}_g}\ln (d_2/d_1)+\frac{1}{2{\mathrm{\&pi;\&lambda;}}_b}\ln (d_3/d_2)+\frac{1}{h_2{\mathrm{\&pi;d}}_3},$

式中：q_m0为阀门开启时额定流量；c_p为工质的定压比热；R_l为阀后管长l处与管外测温点之间的热阻；l为阀门后测温点与阀门之间的管长；λ_g为管壁导热系数；λ_b为保温层导热系数；h₁为管内工质与管壁间的对流换热系数；h₂为环境与保温层外壁之间对流换热系数；d₁为管道内径；d₂为管道外径；d₃为保温层外径，t₀₁、阀前流体的温度；p₀₁、阀前流体的压力；h₀₁、阀前流体的焓；p₀、阀后流体的压力；h₀、阀后流体的焓；

最后根据相对泄漏量M的计算值判断阀门的泄漏程度。

2.根据权利要求1所述的一种热力管道阀门泄漏状态监测方法，其特征是，根据相对泄漏量M的计算值判断阀门的泄漏程度的具体方法如下：

若下列条件同时满足：

a.机组负荷大于50％负荷；

b.阀门已关(测点值)超过24小时；

c.0.01％<M<0.1％；

则阀门判定为轻度泄漏；

若下列条件同时满足：

a.机组负荷大于50％负荷；

b.阀门已关(测点值)超过24小时；

c.0.1％<M<1％；

则阀门判定为中度泄漏；

若下列条件同时满足：

a.机组负荷大于50％负荷；

b.阀门已关(测点值)超过24小时；

c.M>1％；

则阀门判定为重度泄漏。