CN109307157B - 一种蒸汽管网水击风险监测及预警的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蒸汽管网水击风险监测及预警的系统及方法，该包括作为蒸汽管网支管的疏水管、设置在控制柜内的供电及信号传递模块、用于检测蒸汽管网的管内压力的压力传感器、用于检测疏水管内部水温的温度传感器、实现判断和预警功能的上位机，疏水管经过疏水器后输出冷却水，所述供电及信号传递模块分别与压力传感器和温度传感器的电源端连接，压力传感器和温度传感器的信号端与供电及信号传递模块连接，供电及信号传递模块将压力传感器和温度传感器的信号传递到上位机。该发明的优点在于：本发明通过系统和系统上位机使用的方法对管网水击风险的科学有效预警分析且实时预警，保障蒸汽管网的安全运行。

Description

一种蒸汽管网水击风险监测及预警的系统及方法

技术领域

本发明涉及工业蒸汽管网领域，尤其是一种蒸汽管网水击风险监测及预警的系统及方法。

背景技术

蒸汽是石油、化工、钢铁、能源等工业以及供热工程中最重要的公用介质，管网作为主要的蒸汽输送工具在运行中极易出现保温层脱落、大量冷凝、能量损失过大等现象，并容易产生水击，轻者造成管道和设备损伤，重者造成管道焊口撕裂甚至爆管，严重影响管网的运行效率和安全。

目前国内对于蒸汽管网水击风险的计算模型主要有：停启泵时产生水锤的升压计算模型，可以计算水锤发生时管道内的升压值；水击风险计算模型，通过引入气液两相流的流型计算来进行水击风险的预警，将两相流在管网中的流动状态作为判断水击风险的依据。

水锤升压计算模型只是考虑停泵时的所产生水锤的情况，没有考虑管道运行时产生的凝结水对于管网的影响，且无法做到对水击风险的实时预警；水击风险计算模型，该方法中由于气液两相流的多样性和复杂性，流型的定义和识别没有统一的标准，且预警条件较为单一。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的不足。为此，本发明提供一种蒸汽管网水击风险监测及预警的系统及方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种蒸汽管网水击风险监测及预警系统，包括作为蒸汽管网支管的疏水管、设置在控制柜内的供电及信号传递模块、用于检测蒸汽管网的管内压力的压力传感器、用于检测疏水管内部水温的温度传感器、实现判断和预警功能的上位机，疏水管经过疏水器后输出冷却水，所述供电及信号传递模块分别与压力传感器和温度传感器的电源端连接，压力传感器和温度传感器的信号端与供电及信号传递模块连接，供电及信号传递模块将压力传感器和温度传感器的信号传递到上位机。

优化的，系统还包括第一控制阀和第二控制阀，第一控制阀设置在疏水器前端的疏水管上，第二控制阀并联在疏水器的两端。

优化的，所述第一控制阀和第二控制阀均为电磁阀，第一控制阀和第二控制阀受控端分别与网关单元连接。

优化的，所述供电及信号传递模块包括第一输入插座、开关QF1、开关QF2、开关QF3、第一充电器T1、电池B、输出插座、网关单元、电池信号采集器，所述第一输入插座依次经过开关QF1、第一充电器T1后与电池B连接给电池B充电，电池B经过开关QF2后分别与网关单元、压力传感器、温度传感器的电源端连接，压力传感器和温度传感器的信号端分别与网关单元的信号端连接，第一输入插座还经过开关QF3与输出插座连接。

优化的，系统还包括用电部件、能源产生部件、第二充电器T2，供电及信号传递模块还包括第二输入插座，所述能源产生部件的电能通过第二输入插座输入至控制柜内后经第二充电器T2转换后给电池B充电。

优化的，压力传感器的检测端设置在位于在疏水器和第二控制阀前端且位于第一控制阀后端的输水管上，温度传感器的检测端设置在靠近疏水管的出口处。

使用上述的一种蒸汽管网水击风险监测及预警系统的方法，具体步骤如下：

S1、建立蒸汽管网运行时热损失的方程，方程如下，

其中：Q为单位长度管道的热损失，W/m；T_ν为管道内蒸汽温度，℃；T_α为管道外土壤温度，℃；λ为保温材料的导热系数，W/(m℃)；D₁为保温层内径，m；D₂为保温层外径，m；L_n为自然对数；α为蒸汽管道对土壤的换热系数，W/(m·K)；

其中，λ_t为土壤的导热系数，W/(m·K)，h为蒸汽管道埋深，m；

S2、根据热平衡原理，蒸汽管网正常运行时理论疏水量计算方程如下，

其中，G₀为蒸汽管网的理论疏水量，kg/h；Q为管道的散热损失，W/m；I_g为额定参数下的过热蒸汽焓，kJ/kg；I_b为额定参数下的饱合水焓，kJ/kg；L为管道长度，m；

S3、对实际输水量的计算；

管道进行疏水时，疏水管中温度会突然升高，对疏水器后端温度传感器的监测数据进行分析，根据相邻时刻的温度突变情况，设定突变阈值const1，若T_i-T_i-1≥const1，则计入一次疏水次数，判断管道疏水的频率S，以每小时作为统计周期，结合疏水器每次的疏水量ω，即可得到蒸汽管网运行疏水的实际值

G₁＝Sω (4)

其中，G₁为蒸汽管网的实际疏水量，kg/h；S为管道疏水频率；ω为每次的疏水量，kg；

S4、计算水击风险等级和水击报警；

计算水击风险等级步骤如下，

通过对蒸汽管网运行疏水的理论值和实际值进行比较分析，计算得到蒸汽管网运行的水击风险系数方程式为

其中，n₁表示水击风险系数；G₁为蒸汽管网的实际疏水量，kg/h；G₀为蒸汽管网的理论疏水量，kg/h；

其中，当n₁＞2时，管网处于一级预警状态；当1.6＜n₁≤2时，管网处于二级预警状态；当1.2＜n₁≤1.6时，管网处于三级预警状态；

通过压力传感器获得实时的蒸汽管网的管内压力，对管网相邻时刻压力实时监测值进行分析，构建水击发生条件n₂的方程式，设定突变阈值const2，水击发生条件n₂的方程式为

其中，P_i表示某一时刻压力实时监测值，Mpa；P_i-1表示前一时刻压力实时监测值，Mpa；

若n₂≥const2，并且压力值监测值持续升高或者高位震荡，则表示蒸汽管网很有可能已经发生了水冲击现象，系统实现水击报警。

本发明的优点在于：

(1)本发明通过压力传感器和温度传感器分别实时感知蒸汽管网内的压力和疏水管内的水温，供电及信号传递模块将信号传递到上位机，本发明中的方法基于该系统可以对管网内可能发生的水击风险进行实时预警，并及时感知管网内水击发生时压力的变化，做到管网水击风险的科学有效预警分析且实时预警，保障蒸汽管网的安全运行。

(2)本发明还包括用电部件和能源产生部件，这样控制柜内的供电及信号传递模块可以在任意地方获得充足电量，不需要另外通过电网供电，因此该系统还适用于取电不方便的地区，并且还外接用电部件，比如路灯，从而方便人员的情况下节约能源。

(3)第一控制阀和第二控制阀均为电磁阀，这样上位机可以远程控制是否需要检测数据，节约蒸汽管网内的能源。

(4)第二控制阀为主阀，打开可以加强疏水，第一控制阀为截止阀，方便疏水器的维修。

附图说明

图1为本发明一种蒸汽管网水击风险监测及预警系统的结构示意图。

图2为本发明一种蒸汽管网水击风险监测及预警系统的控制柜内供电及信号传递模块的结构图。

图3为本发明一种蒸汽管网水击风险监测及预警的方法的流程图。

图中标注符号的含义如下：

1-蒸汽管网 2-疏水管 3-疏水器 4-第一控制阀 5-第二控制阀

6-压力传感器 7-温度传感器

81-控制柜 82-网关单元 83-输出插座

84-第一输入插座 85-第二输入插座

9-太阳能板 10-用电部件 11-基座 12-电池信号采集器

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种蒸汽管网水击风险监测及预警系统，包括作为蒸汽管网支管的疏水管2、设置在控制柜81内的供电及信号传递模块、用于检测蒸汽管网1管内的压力传感器6、用于检测疏水管2内部水温的温度传感器7、实现判断和预警功能的上位机、用电部件10、能源产生部件。蒸汽管网1铺设在基座11下。

疏水管2依次经过第一控制阀4、疏水器3后输出冷却水，疏水器3的两端还并联有第二控制阀5，供电及信号传递模块给压力传感器6和温度传感器7供电，压力传感器6和温度传感器7的信号端与供电及信号传递模块连接。具体的，第一控制阀4设置在疏水器3前端的疏水管2上，第二控制阀5并联在疏水器3的两端。

蒸汽在疏水管2中运行的方向上，压力传感器6的检测端设置在位于在疏水器3和第二控制阀5前端且位于第一控制阀4后端的输水管上，温度传感器7的检测端设置在靠近疏水管2的出口处。

如图2所示，供电及信号传递模块包括第一输入插座84、第二输入插座85、开关QF1、开关QF2、开关QF3、第一充电器T1、第二充电器T2、电池B、输出插座83、网关单元82、电池信号采集器12。在该实施例中，网关单元82内芯片的型号为CSZN9220。第一输入插座84依次经过开关QF1、充电器后与电池B连接给电池B充电，电池B经过开关QF2后分别与网关单元82、压力传感器6、温度传感器7的电源端连接，压力传感器6的信号端与网关单元82的信号端AD1+连接，温度传感器7的信号端与网关单元82的信号端AD2+连接，第一输入插座84还经过开关QF3与输出插座83连接。能源产生部件的电能通过第二输入插座85输入至控制柜81内后经第二充电器T2转换后给电池B充电。电池信号采集器12采集电池B的电源后以485总线的方式与网关单元82相应的端口连接。从而将电池B的信息通过网关单元82传输到上位机。

第一控制阀4和第二控制阀5均为电磁阀，第一控制阀4和第二控制阀5受控端分别与网关单元82连接。

在该结构中，能源产生部件为太阳能板9，第二充电器T2是将太阳能电池板的直流电转换成合适的电压值与电池B连接，第一充电器T1是将市电的220V电压转换成能够给电池B充电的电压。电池B经过开关QF2给网关单元82供电，电池B的电压为24V。

该结构中市电220V电压通过第一充电器T1给电池充电、能源产生部件经过第二充电器T2给电池B充电均为现有技术，电池信号采集器12即采集电池的电压和电流信号，为现有技术中的电池电流电压采样电路。

实施例2

如图3所示，使用实施例1中一种蒸汽管网水击风险监测及预警的系统的方法，具体步骤如下：

S1、建立蒸汽管网1运行时热损失的方程，方程如下，

其中：Q为单位长度管道的热损失，W/m；T_ν为管道内蒸汽温度，℃；T_α为管道外土壤温度，℃；λ为保温材料的导热系数，W/(m℃)；D₁为保温层内径，m；D₂为保温层外径，m；L_n为自然对数；α为蒸汽管道对土壤的换热系数，W/(m·K)；

其中，λ_t为土壤的导热系数，W/(m·K)，h为蒸汽管道埋深，m；

S2、根据热平衡原理，蒸汽管网1正常运行时理论疏水量计算方程如下，

其中，G₀为蒸汽管网1的理论疏水量，kg/h；Q为管道的散热损失，W/m；I_g为额定参数下的过热蒸汽焓，kJ/kg；I_b为额定参数下的饱合水焓，kJ/kg；L为管道长度，m；

S3、对实际输水量的计算；

管道进行疏水时，疏水管2中温度会突然升高，对疏水器3后端温度传感器7的监测数据进行分析，根据相邻时刻的温度突变情况，设定突变阈值const1，若T_i-T_i-1≥const1，则计入一次疏水次数，判断管道疏水的频率S，以每小时作为统计周期，结合疏水器3每次的疏水量ω，即可得到蒸汽管网1运行疏水的实际值

G₁＝Sω (4)

其中，G₁为蒸汽管网1的实际疏水量，kg/h；S为管道疏水频率；ω为每次的疏水量，kg；

S4、计算水击风险等级和水击报警；

计算水击风险等级步骤如下，

通过对蒸汽管网1运行疏水的理论值和实际值进行比较分析，计算得到蒸汽管网1运行的水击风险系数方程式为

其中，n₁表示水击风险系数；G₁为蒸汽管网1的实际疏水量，kg/h；G₀为蒸汽管网1的理论疏水量，kg/h；

其中，当n₁＞2时，管网处于一级预警状态；当1.6＜n₁≤2时，管网处于二级预警状态，管道水击风险很高；当1.2＜n₁≤1.6时，管道水击风险较高，管网处于三级预警状态，管道水击风险较低；

通过压力传感器6获得实时的蒸汽管网1的管内压力，对管网相邻时刻压力实时监测值进行分析，构建水击发生条件n₂的方程式，设定突变阈值const2，水击发生条件n₂的方程式为

其中，P_i表示某一时刻压力实时监测值，Mpa；P_i-1表示前一时刻压力实时监测值，Mpa；

若n₂≥const2，并且压力值监测值持续升高或者高位震荡，则表示蒸汽管网1很有可能已经发生了水冲击现象，系统实现水击报警。

本发明中的方法只要求保护针对蒸汽管网1水击风险监测和预警，不保护上位机对电池B、能源产生部件、用电部件10、第一控制阀4和第二控制阀5的通断的控制方法。

基于该方法以下介绍两个案例。

案例1

管道内蒸汽温度T_ν为220℃，管道外土壤温度T_α为50℃，保温层内径D₁为300mm，保温层外径D₂为500mm，蒸汽管道埋深h为2.5m，过热蒸汽焓I_g2898KJ/kg，饱和水焓I_b为943.7KJ/kg，管道长度L为50m，每次疏水量ω为0.8kg，管道疏水频率S为4次/h，压力监测数据没有明显突变。

计算得到：α＝2W/(m·K)，管道热损量Q＝185.32W/m，理论疏水量G₀＝4.74kg/h，实际疏水量G₁＝3.2kg/h，积水风险系数n₁＝0.68，管道疏水及压力监测比较正常，无水击风险。

案例2

管道内蒸汽温度T_ν为180℃，管道外土壤温度T_α为45℃，保温层内径D₁为250mm，保温层外径D₂为450mm，蒸汽管道埋深h为2m，过热蒸汽焓I_g为2804.8KJ/kg，饱和水焓I_b为763.1KJ/kg，管道长度L为100m，每次疏水量ω为0.8kg，管道疏水频率S为8次/h，压力监测数据由0.6Mpa突变到0.84Mpa，并持续高位震荡。

计算得到：α＝2.32W/(m·K)，管道热损量Q＝86.83W/m，理论疏水量G₀＝4.25kg/h，实际疏水量G₁＝6.4kg/h，积水风险系数n₁＝1.51,管网水击风险预警等级为3级，管道压力突变系数n₂＝1.4，产生了水击报警，应采取相应的措施对报警管段进行维修处置。

以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种蒸汽管网水击风险监测及预警系统，其特征在于，包括作为蒸汽管网(1)支管的疏水管(2)、设置在控制柜(81)内的供电及信号传递模块、用于检测蒸汽管网(1)的管内压力的压力传感器(6)、用于检测疏水管(2)内部水温的温度传感器(7)、实现判断和预警功能的上位机，疏水管(2)经过疏水器(3)后输出冷却水，所述供电及信号传递模块分别与压力传感器(6)和温度传感器(7)的电源端连接，压力传感器(6)和温度传感器(7)的信号端与供电及信号传递模块连接，供电及信号传递模块将压力传感器(6)和温度传感器(7)的信号传递到上位机；

系统还包括第一控制阀(4)和第二控制阀(5)，第一控制阀(4)设置在疏水器(3)前端的疏水管(2)上，第二控制阀(5)并联在疏水器(3)的两端；

所述供电及信号传递模块包括第一输入插座(84)、开关QF1、开关QF2、开关QF3、第一充电器T1、电池B、输出插座(83)、网关单元(82)、电池信号采集器(12)，所述第一输入插座(84)依次经过开关QF1、第一充电器T1后与电池B连接给电池B充电，电池B经过开关QF2后分别与网关单元(82)、压力传感器(6)、温度传感器(7)的电源端连接，压力传感器(6)和温度传感器(7)的信号端分别与网关单元(82)的信号端连接，第一输入插座(84)还经过开关QF3与输出插座(83)连接。

2.根据权利要求1所述的一种蒸汽管网水击风险监测及预警系统，其特征在于，所述第一控制阀(4)和第二控制阀(5)均为电磁阀，第一控制阀(4)和第二控制阀(5)受控端分别与网关单元(82)连接。

3.根据权利要求1所述的一种蒸汽管网水击风险监测及预警系统，其特征在于，系统还包括用电部件(10)、能源产生部件、第二充电器T2，供电及信号传递模块还包括第二输入插座(85)，所述能源产生部件的电能通过第二输入插座(85)输入至控制柜(81)内后经第二充电器T2转换后给电池B充电。

4.根据权利要求1所述的一种蒸汽管网水击风险监测及预警系统，其特征在于，压力传感器(6)的检测端设置在位于在疏水器(3)和第二控制阀(5)前端且位于第一控制阀(4)后端的输水管上，温度传感器(7)的检测端设置在靠近疏水管(2)的出口处。

5.使用权利要求1-4任意一项所述的一种蒸汽管网水击风险监测及预警系统的方法，其特征在于，具体步骤如下：

S1、建立蒸汽管网(1)运行时热损失的方程，方程如下，

其中：Q为单位长度管道的热损失，W/m；T_ν为管道内蒸汽温度，℃；T_α为管道外土壤温度，℃；λ为保温材料的导热系数，W/(m℃)；D₁为保温层内径，m；D₂为保温层外径，m；L_n为自然对数；α为蒸汽管道对土壤的换热系数，W/(m·K)；

其中，λ_t为土壤的导热系数，W/(m·K)，h为蒸汽管道埋深，m；

S2、根据热平衡原理，蒸汽管网(1)正常运行时理论疏水量计算方程如下，

其中，G₀为蒸汽管网(1)的理论疏水量，kg/h；Q为管道的散热损失，W/m；I_g为额定参数下的过热蒸汽焓，kJ/kg；I_b为额定参数下的饱合水焓，kJ/kg；L为管道长度，m；

S3、对实际输水量的计算；

管道进行疏水时，疏水管(2)中温度会突然升高，对疏水器(3)后端温度传感器(7)的监测数据进行分析，根据相邻时刻的温度突变情况，设定突变阈值const1，若T_i-T_i-1≥const1，则计入一次疏水次数，判断管道疏水的频率S，以每小时作为统计周期，结合疏水器(3)每次的疏水量ω，即可得到蒸汽管网(1)运行疏水的实际值

G₁＝Sω (4)

其中，G₁为蒸汽管网(1)的实际疏水量，kg/h；S为管道疏水频率；ω为每次的疏水量，kg；

S4、计算水击风险等级和水击报警；

计算水击风险等级步骤如下，

通过对蒸汽管网(1)运行疏水的理论值和实际值进行比较分析，计算得到蒸汽管网(1)运行的水击风险系数方程式为

其中，n₁表示水击风险系数；G₁为蒸汽管网(1)的实际疏水量，kg/h；G₀为蒸汽管网(1)的理论疏水量，kg/h；

其中，当n₁＞2时，管网处于一级预警状态；当1.6＜n₁≤2时，管网处于二级预警状态；当1.2＜n₁≤1.6时，管网处于三级预警状态；

通过压力传感器(6)获得实时的蒸汽管网(1)的管内压力，对管网相邻时刻压力实时监测值进行分析，构建水击发生条件n₂的方程式，设定突变阈值const2，水击发生条件n₂的方程式为

其中，P_i表示某一时刻压力实时监测值，Mpa；P_i-1表示前一时刻压力实时监测值，Mpa；

若n₂≥const2，并且压力值监测值持续升高或者高位震荡，则表示蒸汽管网(1)很有可能已经发生了水冲击现象，系统实现水击报警。

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