CN104633457A - 一种火电站调节阀实时在线汽蚀监测预警系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种火电站调节阀实时在线汽蚀监测预警系统及方法，该系统包括与电站DCS控制系统相连的外部监测单元、监测目标调节阀、管道流量传感器、调节阀上游温度传感器、调节阀上游压力传感器和调节阀下游压力传感器；外部监测单元与电站DCS控制系统之间通过常规电站DCS支持的标准工业MODBUS串口进行双向通讯，接收来自电站DCS控制系统发来的管道流量传感器、调节阀上游温度传感器、调节阀上游压力传感器和调节阀下游压力传感器的测量信号，并将调节阀汽蚀校核结果发送给电站DCS控制系统，利用电站DCS控制系统内置的报警和提示模块即可发出提示和报警，提示运行人员；对提高火电厂的设备管理水平，延长关键设备寿命，降低维护维修成本都具有重要的意义。

Description

一种火电站调节阀实时在线汽蚀监测预警系统及方法

技术领域

本发明涉及火电站自动控制技术领域，具体涉及一种火电站调节阀实时在线汽蚀监测预警系统及方法。

背景技术

调节阀是最常见的工业设备之一，应用范围十分广泛。汽蚀(气蚀)是调节阀损坏的主要因素之一，也是系统设计阶段进行阀门选型必须校核的一项内容。阀门的汽蚀(气蚀)是液体工质在流过阀门最狭窄缩口时，局部速度的增大使压力快速下降，此时如局部压力小于工质的饱和压力，则液体工质会瞬间气化并产生大量的气泡，当工质进一步朝出口流动的过程中，随着通流面积的增大，流速逐渐减小，压力也得以恢复，此时在高压环境的作用下，气泡瞬间又破灭，造成极大的冲击，对设备造成严重的破坏。

火电站是经典的大型复杂工业系统，根据电网的特性，火电站需频繁根据电网负荷需求调整工况以满足供电和用电的平衡，因此在启停和负荷调整过程中必然需要大量的调节阀以满足工艺过程的需要；此外，由于火电站以水为循环工质，工艺过程中依赖工质水的蒸发、冷凝相变过程，因此，大量的调节阀在工作过程中面临汽蚀的风险。

现有技术针对阀门气蚀问题主要采用两类技术，第一类属于结构改进技术，通过各种阀门结构的改进缓解甚至消除气蚀产生的破坏，第二类属于选型布置校核，设计人员根据阀门的设计工作条件和阀门厂家提供的相关资料，校核阀门是否在设计工况下具备足够的气蚀安全裕度，从而进行阀门的布置设计和选型。

阀门的结构改进技术种类繁多，但都需要增加额外的部件或进行阀门本体的结构修改，与常规阀门相比需求量低，设计、制造成本较高，因此，除极为特殊场合，在电站系统内鲜有采用。

系统设计阶段对于阀门进行气蚀安全的校核及布置设计是电站设计必须进行的一项工作，一般根据阀门厂家提供的相关参数，校核设计工况下阀门的压降是否满足相关标准的要求。目前，阀门制造商对汽蚀的评估方法不尽相同，常见的方法主要有KE法、δ法和XFz法，主要针对如何避免汽蚀，从而对阀门进行正确的选型。

阀门系统的设计工况一般选择额定工况，从而指导阀门进行选型以保障足够的流量满足系统工艺要求。但实际系统在工作过程中，启停和频繁的负荷调整使阀门的实际工作条件变化极大，常常偏离设计工况较远，这使常规的设计阶段的气蚀校核计算无法避免实际阀门工作过程出现气蚀。大量电站系统阀门检修维护经验表明，尽管电站系统设计过程中的阀门选型都进行了气蚀校核，但实际系统在启停和频繁负荷调整过程中常常导致阀门运行于恶劣工况，这导致阀门的气蚀破坏仍是电站系统内阀门损坏的主要原因。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种火电站调节阀实时在线汽蚀监测预警系统及方法，对提高火电厂的设备管理水平，延长关键设备寿命，降低维护维修成本都具有重要的意义。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种火电站调节阀实时在线汽蚀监测预警系统，包括与电站DCS控制系统10相连的外部监测单元11、监测目标调节阀6、管道流量传感器2、调节阀上游温度传感器3、调节阀上游压力传感器4和调节阀下游压力传感器8；所述调节阀上游温度传感器3和调节阀上游压力传感器4为监测目标调节阀6所在管路上游距离监测目标调节阀6最近的压力和温度测量传感器；调节阀下游压力传感器8为监测目标调节阀6所在管路下游距离监测目标调节阀6最近的压力传感器；所述监测目标调节阀6与调节阀上游压力传感器4之间的管道和管路元件构成调节阀上游管段5，所述监测目标调节阀6与调节阀下游压力传感器8之间的管道和管路元件构成调节阀下游管段7；外部监测单元11与电站DCS控制系统10之间通过常规电站DCS支持的标准工业MODBUS串口进行双向通讯，接收来自电站DCS控制系统10发来的管道流量传感器2、调节阀上游温度传感器3、调节阀上游压力传感器4和调节阀下游压力传感器8的测量信号，并将调节阀汽蚀校核结果发送给电站DCS控制系统10，利用电站DCS控制系统10内置的报警和提示模块即可发出提示和报警，提示运行人员。

所述管道流量传感器2位于监测目标调节阀6的上游管道1或下游管道9上，只需保证所测流量等于或近似等于通过监测目标调节阀6的流量。

所述外部监测单元11选择配有各自操作系统且支持工业标准MODBUB串口通讯的可编程控制器PLC、工业控制计算机、微型计算机或服务器。

上述所述火电站调节阀实时在线汽蚀监测预警系统的实时在线汽蚀监测预警方法，

调节阀在选型设计时都需要进行汽蚀校核，阀门选型需满足条件：

p_in-p_out＜Δp_max＝K_m(p_in-p_r)    (1)

式中，

p_r——当地饱和压力，可根据调节阀上游温度传感器3测量得到的温度T₃进行估算

K_m——阀门恢复系数，部分阀门供应商会提供液体压力恢复系数F_L， $K_m=F_L^2$

Δp_max——通过阀的最大允许压降

p_in——调节阀入口压力；

p_out——调节阀出口压力；

因此，不会发生气蚀的充分条件为

$K_a=\frac{p_{\mathrm{in}}-p_{\mathrm{out}}}{p_{\mathrm{in}}-p_r}<K_m---\left(2\right)$

取汽蚀风险系数

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{K_a}{K_m}---\left(3\right)$

这样λ<1为阀门不发生汽蚀的充分条件，也即，当λ>1时开始有发生汽蚀的风险，根据汽蚀原理，调节阀前后压差越大，则发生汽蚀的几率越高，发生汽蚀后，压差越大，则汽蚀损害越严重，因此，用汽蚀风险系数的数值来判断汽蚀的发生和发生汽蚀后的程度；

所述汽蚀风险系数λ，实时根据系统各传感器的测量结果计算汽蚀风险系数的数值，当汽蚀风险系数λ大于1时，即向系统进行报警提示，运行人员根据提示进行相关的处置，而检修人员查阅每个调节阀汽蚀风险系数λ的历史数据，λ越大则表明该调节阀汽蚀风险较大，甚至造成汽蚀损坏，从而首次为工程人员提供所有调节阀的汽蚀风险及破坏程度的实时在线监测；

其中监测目标调节阀6进出口压力p_in和p_out一般是没有现场测点的，因此，根据系统内的管道流量传感器2、调节阀上游温度传感器3、调节阀上游压力传感器4和调节阀下游压力传感器8进行计算，计算原理及方法如下：

根据稳定流动伯努利方程：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_4+\mathrm{\&rho;}{\mathrm{fh}}_4+\frac{\mathrm{\&rho;}{v}_4^2}{2}=p_{\mathrm{in}}+\frac{\mathrm{\&rho;}{v}_{\mathrm{in}}^2}{2}+p_{\mathrm{fin}}\\ p_8+\mathrm{\&rho;}{\mathrm{gh}}_8+\frac{\mathrm{\&rho;}{v}_8^2}{2}=p_{\mathrm{out}}+\frac{\mathrm{\&rho;}{v}_{\mathrm{out}}^2}{2}-p_{\mathrm{fout}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，

p₄——调节阀上游压力传感器4测量压力

p₈——调节阀下游压力传感器8测量压力

ρ——管道内液体密度

g——重力加速度

v₄——调节阀上游压力传感器4测点位置管内平均流速

v₈——调节阀下游压力传感器8测点位置管内平均流速

v_in——调节阀入口位置管内平均流速

v_out——调节阀出口位置管内平均流速

h₄——调节阀上游压力传感器4测点位置距离调节阀中心的高度

h₈——调节阀下游压力传感器8测点位置距离调节阀中心的高度

p_fin——上游管段5的流动压降

p_fout——下游管段7的流动压降

一般情况下，调节阀上游管段5和调节阀下游管段7的管道直径不发生变化，因此v₄＝v₈＝v_in＝v_out,式(4)变为

$\left\{\begin{array}{c}{p}_{\mathrm{in}}=p_4+\mathrm{\&rho;}{\mathrm{gh}}_4-p_{\mathrm{in}}\\ p_{\mathrm{out}}=p_8+\mathrm{\&rho;}{\mathrm{gh}}_8+p_{\mathrm{fout}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

p_fin和p_fout参考水力设计手册进行计算，计算过程中所需平均流速根据管道流量传感器2的测量流量进行计算，所需温度根据调节阀上游温度传感器3的测量结果进行计算。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

从火电站系统内原有用于生产工艺监测与控制需要而安装的管道压力、流体温度、管道流量传感器中，按照本发明提出的系统构成结构选择对应的传感器输出信号组成系统，实时在线监测调节阀的汽蚀风险。在机组启停及负荷调整过程中，利用机组系统原有的提示及报警功能接口，对各调节阀发生汽蚀的风险进行提示和报警，可用于提醒运行人员调整系统的运行方式和升降负荷速率等，从而减轻甚至避免调节阀的汽蚀损伤，对于经常损坏的阀门可以辅助确认汽蚀破坏是否是主要诱因，指导电厂的检修和改造，这对提高火电厂的设备管理水平，延长关键设备寿命，降低维护维修成本都具有重要的意义。

与现有技术相比，本发明的特点如下：(1)在现有火电站系统硬件结构基础上只需增加外部监测单元11，即可实现对电站内所有存在汽蚀风险的阀门进行实时在线监测，无需增加任何硬件和传感器，实现成本低；(2)系统硬件与原有电站DCS系统浑然一体，直接使用DCS系统固有的提示或报警功能模块，满足运行人员对于全厂操作控制系统的一体化要求，在原有统一平台上即可实现对阀门汽蚀的监测功能；(3)即使最简单的阀门都可以采用本发明的技术实现监测和报警，不依赖设备本身的复杂度和附加设备；(4)与现有设计校核方法不同，本发明提出的调节阀汽蚀监测报警方法可以获得调节阀汽蚀风险指标，风险指标的高低不仅能说明发生汽蚀的风险，还可描述发生汽蚀的程度，进而描述对调节阀设备的破坏程度，对运行人员进行设备运行状态的监测更具实用意义，而前者只能提供具备一定安全裕度的汽蚀安全判断，只能校核阀门没有发生汽蚀的充分条件，对运行人员的提示意义有限。

附图说明

附图是本发明系统结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

如附图所示，本发明一种火电站调节阀实时在线汽蚀监测预警系统，包括与电站DCS控制系统10相连的外部监测单元11、监测目标调节阀6、管道流量传感器2、调节阀上游温度传感器3、调节阀上游压力传感器4和调节阀下游压力传感器8；所述调节阀上游温度传感器3和调节阀上游压力传感器4为监测目标调节阀6所在管路上游距离监测目标调节阀6最近的压力和温度测量传感器；调节阀下游压力传感器8为监测目标调节阀6所在管路下游距离监测目标调节阀6最近的压力传感器；所述监测目标调节阀6与调节阀上游压力传感器4之间的管道和管路元件构成调节阀上游管段5，所述监测目标调节阀6与调节阀下游压力传感器8之间的管道和管路元件构成调节阀下游管段7；外部监测单元11与电站DCS控制系统10之间通过常规电站DCS支持的标准工业MODBUS串口进行双向通讯，接收来自电站DCS控制系统10发来的管道流量传感器2、调节阀上游温度传感器3、调节阀上游压力传感器4和调节阀下游压力传感器8的测量信号，并将调节阀汽蚀校核结果发送给电站DCS控制系统10，利用电站DCS控制系统10内置的报警和提示模块即可发出提示和报警，提示运行人员。

作为本发明的优选实施方式，所述管道流量传感器2位于监测目标调节阀6的上游管道1或下游管道9皆可，只需保证所测流量等于或近似等于通过监测目标调节阀6的流量。

作为本发明的优选实施方式，所述外部监测单元11选择配有各自操作系统且支持工业标准MODBUB串口通讯(安装标准MODBUS通讯卡或安装标准MODBUS通讯程序软件)的可编程控制器PLC、工业控制计算机、微型计算机或服务器。除此之外，外部监测单元11采用本发明提出的一种火电站调节阀实时在线汽蚀预警方法进行汽蚀风险系数λ的计算，并将计算结果和报警提示信号传给电站DCS控制系统10。

上述所述火电站调节阀实时在线汽蚀监测预警系统的实时在线汽蚀监测预警方法，

调节阀在选型设计时都需要进行汽蚀校核，阀门选型需满足条件：

p_in-p_out＜Δp_max＝K_m(p_in-p_r) (1)式中，

p_r——当地饱和压力，可根据调节阀上游温度传感器3测量得到的温度T₃进行估算

K_m——阀门恢复系数，部分阀门供应商会提供液体压力恢复系数F_L， $K_m=F_L^2$

Δp_max——通过阀的最大允许压降

p_in——调节阀入口压力；

p_out——调节阀出口压力；

因此，不会发生气蚀的充分条件为

$K_a=\frac{p_{\mathrm{in}}-p_{\mathrm{out}}}{p_{\mathrm{in}}-p_r}<K_m---\left(2\right)$

取汽蚀风险系数

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{K_a}{K_m}---\left(3\right)$

这样λ<1为阀门不发生汽蚀的充分条件，也即，当λ>1时开始有发生汽蚀的风险，根据汽蚀原理，调节阀前后压差越大，则发生汽蚀的几率越高，发生汽蚀后，压差越大，则汽蚀损害越严重，因此，用汽蚀风险系数的数值来判断汽蚀的发生和发生汽蚀后的程度；

所述汽蚀风险系数λ，实时根据系统各传感器的测量结果计算汽蚀风险系数的数值，当汽蚀风险系数λ大于1时，即向系统进行报警提示，运行人员根据提示进行相关的处置，而检修人员查阅每个调节阀汽蚀风险系数λ的历史数据，λ越大则表明该调节阀汽蚀风险较大，甚至造成汽蚀损坏，从而首次为工程人员提供所有调节阀的汽蚀风险及破坏程度的实时在线监测；

其中监测目标调节阀6进出口压力p_in和p_out一般是没有现场测点的，因此，根据系统内的管道流量传感器2、调节阀上游温度传感器3、调节阀上游压力传感器4和调节阀下游压力传感器8进行计算，计算原理及方法如下：

根据稳定流动伯努利方程：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_4+\mathrm{\&rho;}{\mathrm{fh}}_4+\frac{\mathrm{\&rho;}{v}_4^2}{2}=p_{\mathrm{in}}+\frac{\mathrm{\&rho;}{v}_{\mathrm{in}}^2}{2}+p_{\mathrm{fin}}\\ p_8+\mathrm{\&rho;}{\mathrm{gh}}_8+\frac{\mathrm{\&rho;}{v}_8^2}{2}=p_{\mathrm{out}}+\frac{\mathrm{\&rho;}{v}_{\mathrm{out}}^2}{2}-p_{\mathrm{fout}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，

p₄——调节阀上游压力传感器4测量压力

p₈——调节阀下游压力传感器8测量压力

ρ——管道内液体密度

g——重力加速度

v₄——调节阀上游压力传感器4测点位置管内平均流速

v₈——调节阀下游压力传感器8测点位置管内平均流速

v_in——调节阀入口位置管内平均流速

v_out——调节阀出口位置管内平均流速

h₄——调节阀上游压力传感器4测点位置距离调节阀中心的高度

h₈——调节阀下游压力传感器8测点位置距离调节阀中心的高度

p_fin——上游管段5的流动压降

p_fout——下游管段7的流动压降

一般情况下，调节阀上游管段5和调节阀下游管段7的管道直径不发生变化，因此v₄＝v₈＝v_in＝v_out,式(4)变为

$\left\{\begin{array}{c}{p}_{\mathrm{in}}=p_4+\mathrm{\&rho;}{\mathrm{gh}}_4-p_{\mathrm{in}}\\ p_{\mathrm{out}}=p_8+\mathrm{\&rho;}{\mathrm{gh}}_8+p_{\mathrm{fout}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

p_fin和p_fout参考水力设计手册进行计算，计算过程中所需平均流速根据管道流量传感器2的测量流量进行计算，所需温度根据调节阀上游温度传感器3的测量结果进行计算。

Claims (4)

1.一种火电站调节阀实时在线汽蚀监测预警系统，其特征在于：包括与电站DCS控制系统(10)相连的外部监测单元(11)、监测目标调节阀(6)、管道流量传感器(2)、调节阀上游温度传感器(3)、调节阀上游压力传感器(4)和调节阀下游压力传感器(8)；所述调节阀上游温度传感器(3)和调节阀上游压力传感器(4)为监测目标调节阀(6)所在管路上游距离监测目标调节阀(6)最近的压力和温度测量传感器；调节阀下游压力传感器(8)为监测目标调节阀(6)所在管路下游距离监测目标调节阀(6)最近的压力传感器；所述监测目标调节阀(6)与调节阀上游压力传感器(4)之间的管道和管路元件构成调节阀上游管段(5)，所述监测目标调节阀(6)与调节阀下游压力传感器(8)之间的管道和管路元件构成调节阀下游管段(7)；外部监测单元(11)与电站DCS控制系统(10)之间通过常规电站DCS支持的标准工业MODBUS串口进行双向通讯，接收来自电站DCS控制系统(10)发来的管道流量传感器(2)、调节阀上游温度传感器(3)、调节阀上游压力传感器(4)和调节阀下游压力传感器(8)的测量信号，并将调节阀汽蚀校核结果发送给电站DCS控制系统(10)，利用电站DCS控制系统(10)内置的报警和提示模块即可发出提示和报警，提示运行人员。

2.根据权利要求1所述的一种火电站调节阀实时在线汽蚀监测预警系统，其特征在于：所述管道流量传感器(2)位于监测目标调节阀(6)的上游管道(1)或下游管道(9)上，只需保证所测流量等于或近似等于通过监测目标调节阀(6)的流量。

3.根据权利要求1所述的一种火电站调节阀实时在线汽蚀监测预警系统，其特征在于：所述外部监测单元(11)选择配有各自操作系统且支持工业标准MODBUB串口通讯的可编程控制器PLC、工业控制计算机、微型计算机或服务器。

4.权利要求1所述火电站调节阀实时在线汽蚀监测预警系统的实时在线汽蚀监测预警方法，其特征在于：

调节阀在选型设计时都需要进行汽蚀校核，阀门选型需满足条件：

p_in-p_out<Δp_max＝K_m(p_in-p_r)            (1)

式中，

p_r——当地饱和压力，可根据调节阀上游温度传感器3测量得到的温度T₃进行估算

K_m——阀门恢复系数，部分阀门供应商会提供液体压力恢复系数F_L， $K_m=F_L^2$

Δp_max——通过阀的最大允许压降

p_in——调节阀入口压力；

p_out——调节阀出口压力；

因此，不会发生气蚀的充分条件为

$K_a=\frac{p_{\mathrm{in}}-p_{\mathrm{out}}}{p_{\mathrm{in}}-p_r}<K_m---\left(2\right)$

取汽蚀风险系数

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{K_a}{K_m}---\left(3\right)$

这样λ<1为阀门不发生汽蚀的充分条件，也即，当λ>1时开始有发生汽蚀的风险，根据汽蚀原理，调节阀前后压差越大，则发生汽蚀的几率越高，发生汽蚀后，压差越大，则汽蚀损害越严重，因此，用汽蚀风险系数的数值来判断汽蚀的发生和发生汽蚀后的程度；

所述汽蚀风险系数λ，实时根据系统各传感器的测量结果计算汽蚀风险系数的数值，当汽蚀风险系数λ大于1时，即向系统进行报警提示，运行人员根据提示进行相关的处置，而检修人员查阅每个调节阀汽蚀风险系数λ的历史数据，λ越大则表明该调节阀汽蚀风险较大，甚至造成汽蚀损坏，从而首次为工程人员提供所有调节阀的汽蚀风险及破坏程度的实时在线监测；

其中监测目标调节阀(6)进出口压力p_in和p_out一般是没有现场测点的，因此，根据系统内的管道流量传感器(2)、调节阀上游温度传感器(3)、调节阀上游压力传感器(4)和调节阀下游压力传感器(8)进行计算，计算原理及方法如下：

根据稳定流动伯努利方程：

$\left\{\begin{array}{c}{p}_4+\mathrm{\&rho;g}{h}_4+\frac{\mathrm{\&rho;}{v}_4^2}{2}=p_{\mathrm{in}}+\frac{\mathrm{\&rho;}{v}_{\mathrm{in}}^2}{2}+p_{\mathrm{fin}}\\ p_8+\mathrm{\&rho;g}{h}_8+\frac{\mathrm{\&rho;}{v}_8^2}{2}=p_{\mathrm{out}}+\frac{\mathrm{\&rho;}{v}_{\mathrm{out}}^2}{2}-p_{\mathrm{fout}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，

p₄——调节阀上游压力传感器(4)测量压力

p₈——调节阀下游压力传感器(8)测量压力

ρ——管道内液体密度

g——重力加速度

v₄——调节阀上游压力传感器(4)测点位置管内平均流速

v₈——调节阀下游压力传感器(8)测点位置管内平均流速

v_in——调节阀入口位置管内平均流速

v_out——调节阀出口位置管内平均流速

h₄——调节阀上游压力传感器(4)测点位置距离调节阀中心的高度

h₈——调节阀下游压力传感器(8)测点位置距离调节阀中心的高度

p_fin——调节阀上游管段(5)的流动压降

p_fout——调节阀下游管段(7)的流动压降

一般情况下，调节阀上游管段(5)和调节阀下游管段(7)的管道直径不发生变化，因此v₄＝v₈＝v_in＝v_out,式(4)变为

$\left\{\begin{array}{c}{p}_{\mathrm{in}}=p_4+\mathrm{\&rho;g}{h}_4-p_{\mathrm{fin}}\\ p_{\mathrm{out}}=p_8+\mathrm{\&rho;g}{h}_8+p_{\mathrm{fout}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

p_fin和p_fout参考水力设计手册进行计算，计算过程中所需平均流速根据管道流量传感器(2)的测量流量进行计算，所需温度根据调节阀上游温度传感器(3)的测量结果进行计算。