蒸汽管网疏水系统安全监测预警技术研究_孙路.pdf

文章编号:1009-6094(2023)07-2340-06蒸汽管网疏水系统安全监测预警技术研究*孙路1，付明2，汪正兴1，谭琼1，韩心星2，杨阳2(1 合肥市城市生命线工程安全运行监测中心，合肥 230601;2 清华大学合肥公共安全研究院，合肥 230601)摘要:为了预警蒸汽管网疏水系统异常运行状态，通过研究蒸汽管网疏水系统温度及压力变化规律，构建了疏水系统阀门故障判断模型及疏水系统疏水异常判断模型，并基于判断模型提出了一种蒸汽管网疏水系统监测预警方法。该方法利用网关及 3G/4G 通信模块将传感器采集的温度及压力数据上传至判断模型，从而自动预警蒸汽管网疏水系统运行过程中的安全风险。目前该方法已被应用到合肥市 161.5km 的蒸汽管网，应用结果表明，蒸汽管网疏水监测预警方法可以用于蒸汽管网疏水系统异常运行状态监测，并在一定程度上降低了蒸汽管网疏水系统泄漏带来的安全隐患。关键词:安全工程;蒸汽管网;疏水系统;监测预警;判断方法;城市安全中图分类号:X959文献标志码:ADOI:10.13637/j issn 1009-6094.2022.0364*收稿日期:2022 03 14作者简介:孙路，工程师，从事供热管网监测、公共安全咨询等研究，sunlu gsafety com。基金项目:安徽省重点研究与开发计划项目(202104h04020007);安徽省杰出青年科学基金项目(1908085J22)0引言根据住建部数据显示，2020 年我国供热总量达3.92542 1018J，其中蒸汽供热总量达 6.5067 1017J，同比增长 11.27%1。供热规模的迅速扩张提高了居民生活品质，但目前我国供热能耗依然偏高，据统计在供热季部分地区的能源消耗达到了社会总能源消耗的 27%以上2 5。供热系统由热源、热网和热用户组成，相关的研究表明热网上的热损失是供热系统热损失的主要原因6。而疏水系统作为供热管网的关键一环，其工作状态必然对热网的热损耗带来影响。热网中的蒸汽冷凝后会产生冷凝水，若疏水系统无法及时将管道内的冷凝水排出，存聚的冷凝水会占据管道空间，使得管道内蒸汽量减少，影响供热效率。同时存聚的冷凝水会在管道壁附着，从而阻止蒸汽与管壁的热量交换，进一步降低供热管网热效率7。此外，在高压蒸汽管道中，若疏水系统无法及时将冷凝水排出，管道内的冷凝水在高压的作用下会发生水锤现象，对管道的阀门、弯管及补偿器等关键部件造成损坏，因此疏水系统异常工作状态会对管网造成一定的安全风险。随着各方对蒸汽供热管网安全运行的重视，近年来在线安全监测技术逐渐被应用到蒸汽管网运行过程的各个环节。2002 年，French 等8 通过研究倒吊桶式疏水阀、热静力型疏水阀、浮球恒温式疏水阀及热动力型疏水阀的工作原理，首次提出了利用蒸汽泄漏时的温度、声音及视觉特征来监测疏水阀运行状态的方法，该方法可以有效减少由于疏水阀损坏而造成的能源浪费。2021 年，钱建康等9 基于超声波技术、温度检测技术及 WirelessHA 协议研究并设计了一套蒸汽泄漏监测系统，来感知蒸汽管网疏水阀上的泄漏事件，为供热管道疏水阀运行状态监测系统建设提供了新思路。本文从蒸汽供热管网疏水系统安全运行的角度出发，提出了一种用于蒸汽管网疏水管网的安全监测系统。该系统对蒸汽供热管网疏水管路的运行状态进行实时监测，能对疏水阀异常工作状态进行预警，可以有效降低供热管网的漏热量，全面保障供热管网的安全运行。1蒸汽管网疏水系统监测技术1.1疏水系统温度变化规律研究疏水阀作为蒸汽管网疏水系统的关键部件，具有阻汽疏水的作用，能够排出管网中的冷凝水且不泄露蒸汽10。目前国内常用疏水阀为热动力蒸汽疏水阀11，这类疏水阀的工作原理是利用低速冷凝水和高速二次蒸汽之间的“动力”压差运行的。启动时，进口压力将碟片顶起，冷态的凝结水及空气迅速排出，随后热的凝结水流过疏水阀时产生二次蒸汽，高速的二次蒸汽在碟片下形成低压，将碟片拉动向下，同时，二次蒸汽进入碟片上方的空间，迫使碟片向下动作，碟片将疏水阀关闭，碟片上方的压力作用在碟片上。疏水阀每疏水一次，排水口的温度会变化(TeTwTa)一次，记为一次疏水过程。Te为非疏水时排水口处的温度，Tw为疏水时排水口处的温度，Ta为排水即将结束时的温度。1.2疏水系统压力变化规律研究蒸汽供热管网疏水系统由疏水阀、疏水支路及排水管路等部分组成，疏水支路一般安装在蒸汽供热管道的最低点并与蒸汽供热管路相通。蒸汽在输送的过程中，会产生冷凝水并汇聚在管道低点，由疏0432第 23 卷第 7 期2023 年 7 月安全 与 环 境 学 报Journal of Safety and EnvironmentVol 23No 7Jul，2023水系统排出，若管道内的冷凝水未及时排出，且管道内压力骤然上升，冷凝水在压力的作用下，会产生水锤现象，破坏管道部件。由于疏水支路与蒸汽供热管路紧密相连，因此当供热管道内发生水锤现象时，疏水支路的压力也必然会上升12 13。1.3疏水系统传感器选择及布设监测系统前端传感器布设位置是蒸汽管网疏水监测系统的关键，通过传感器获取真实、有效的监测数据，能够及时、准确地预警蒸汽管网疏水系统的工作状态，保证管网疏水系统的运行安全。基于对疏水系统温度及压力变化规律的研究，选取温度传感器及压力传感器作为监测疏水支路运行状态的感知装置。图 1蒸汽管网疏水系统传感器布设示意图Fig 1Schematic diagram of sensor layout on a trapin a steam pipe network图 1 是蒸汽管网疏水监测系统传感器布设位置的示意图。安装在蒸汽管网疏水系统的传感器有温度传感器和压力传感器。压力传感器安装在冷凝水入口处，用于测量疏水支路进水口处的压力数据。温度传感器安装在冷凝水出口处，用于测量疏水支路出水口处的温度数据。同一蒸汽供热管网上有多条疏水支路，每条疏水支路上均按照该方法布设前端传感器。1.4计算模型及分析研判方法1.4.1疏水系统故障判断方法疏水系统正常工作时，前隔离阀及后隔离阀为常开状态，旁通阀为常闭状态，当达到疏水压力时，疏水阀开始疏水工作。若疏水系统上的疏水阀或旁通阀发生泄漏故障时，蒸汽会通过故障的疏水阀或旁通阀持续的流向排水口，排水口处的温度传感器测量的为蒸汽温度，因此若温度传感器测量的温度在较长时间内高于设定的温度阈值 T0，则可判定疏水系统阀门存在蒸汽泄漏的现象。1.4.2疏水系统疏水异常判断模型蒸汽保温管道热损失计算公式为Q=2(V A)LnD0D()11+2D0 1.3式中Q 表示蒸汽供热管道单位长度的热损失，W/m;V表示系统要求的维持温度，;A表示当地的最低环境温度，;表示保温材料的导热系数，W/(m);D0表示保温层内径，m;D1表示保温层外径，m;表示保温层外表面向大气的散热系数，W/(m2)。理想状态下，理论疏水频次计算式为N=Q(hg hs)m式中hg表示过热水蒸气的焓值 kJ/kg;hs表示饱和水的焓值，kJ/kg;m 表示正常情况下，一次疏水的质量，kg;Q 表示蒸汽供热管道单位长度的热损失，W;N 表示正常情况下，单位长度单位时间内的疏水频次，次/(ms)。蒸汽管道在正常工作中会产生冷凝水，当冷凝水达到一定量时，疏水系统会通过疏水阀会将冷凝水排出管道外。一般情况下，通过对疏水系统的疏水频次及疏水时长进行监测，并综合理论计算结果，得到疏水系统正常疏水频率为 Na，Nb、疏水时长的范围为 ta，tb。当排水口附近的温度值正常时，利用监测的疏水频率、疏水时长及压力，构建疏水系统疏水异常判断模型，通过以下判断规则可判断疏水系统运行情况。1)若实际疏水频率处于正常疏水频次且疏水时长处于正常范围内，则疏水系统工作状态正常。2)若实际疏水频率低于正常疏水频次的下限值且每次疏水时长处于正常或较短范围内，则疏水系统工作状态异常。若此时安装在冷凝水进口处的压力传感器压力正常，则蒸汽管网存在积水风险。若此时安装在冷凝水进口处的压力传感器压力较高，则蒸汽管网存在水击风险。3)若实际疏水频率低于正常疏水频次的下限值且每次疏水时长处于较长范围内，并出现短时温度上升的情况，则疏水系统工作状态异常，疏水系统中的疏水阀存在启闭不灵敏的现象。4)若实际疏水频率高于正常疏水频次的上限值且每次疏水时长处于较短范围内，则疏水系统工作状态异常。5)若实际疏水频率高于正常疏水频次的上限值且每次疏水时长处于正常或较长范围内，则蒸汽管网可能存在漏热风险。14322023 年 7 月孙路，等:蒸汽管网疏水系统安全监测预警技术研究Jul，2023图 2 为理想状态下，疏水异常判断模型在各工况条件下的理论示意图。图 2理想状态下疏水系统不同工况下疏水频次及疏水时长示意图Fig 2Schematic diagram of hydrophobic frequency andhydrophobic duration of hydrophobic system underdifferent working conditions in an ideal state1.4.3疏水系统状态判断方法综合上述判断模型，通过系统梳理得到了疏水系统运行状态判断流程。该流程先读取排水口附近温度，将温度输入疏水系统阀门故障判断模型，判断疏水阀运行工作状态。而后读取水系统的疏水频次及疏水时长，并输入到疏水系统疏水异常判断模型，判断疏水系统运行情况。疏水系统运行状态判断流程如图 3 所示。1.5蒸汽管网疏水监测系统框架蒸汽管网疏水监测系统的整体框架如图 4 所示，监测系统由数据层、传输层、功能层和应用层组成。通过在蒸汽管网疏水系统上布设传感器，实时采集监测数据，利用无线传输装置将监测数据传送至系统服务器，从而实时监测蒸汽管网疏水系统运行情况，并基于疏水系统阀门故障判断模型及疏水异常判断模型进行分析研判，预警疏水系统运行风险。图 4蒸汽管网疏水监测系统整体架构Fig 4Overall architecture of monitoring system on atrap in a steam pipe network数据层:利用前端监测设备及采集设备，实现数据的采集及处理。前端监测设备负责采集管网相关数据，采集器负责向监测设备发送命令并对信息进行加密，而后上传至系统服务器。传输层:监测数据经网关转换后，利用 3G/4G通信模块由移动互联网传输至数据中心，并由具备VPN 功能的以太路由器接入互联网，后经交换机等设备将信息储存到数据库中，并利用应用层节点认证保障传输过程中的安全性。服务层:收集蒸汽管网的各类信息，如基础信息(管龄、管径、壁厚、防腐层材质、保温层材质及地理位置等)、监测信息(压力、温度)，并结合分析研判图 3疏水系统运行状态判断流程Fig 3Judgment process of trap system onworking condition2432Vol 23No 7安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 7 期模型，实现预警疏水系统异常工作状态的预测预警。应用层:建立由手机端、电脑端组成的面向用户的终端，用户根据自身需要选择终端，查看蒸汽管网疏水监测系统的预警信息，及时掌握蒸汽管网疏水系统安全状态。2示范应用目前蒸汽管网疏水监测系统已在合肥市应用，监测范围覆盖合肥市一环内 158 km 及市政务中心附近 3.5 km 的蒸汽管网，监测范围内共设置 214 个监测点，监测系统如图 5 所示。监测区域内，蒸汽管网管龄较高，大部分管网位于主城区人员相对密集、防护目标较多的区域，一旦发生蒸汽泄漏事故，影响范围广、潜在风险高。图 5蒸汽管网疏水监测系统Fig 5Monitoring system of trap in a steam pipe network2.1疏水系统阀门故障案例2021 年 11 月 20 日下午，位于芜湖路与巢湖路交口的蒸汽管道疏水支路上的温度传感器，监测到疏水温度在短时间内上升 5 左右，而后温度剧烈波动，系统随即向监测人员发出疏水阀故障预警信息，经维修人员现场复核发现该处疏水阀存在严重损坏，导致大量蒸汽不断涌出。通过获取该监测点上温度及压力监测数据，并分别绘制该监测点的温度及压力变化曲线(图 6)。由图 6(a)可以看出，该监测点的疏水阀正常工作时的疏水温度大约为99.75，11 月20 日下午疏水温度短时间内上升 4，并在之后的一段时间内持续维持在 105 左右，监测系统依据判断流程判定该处疏水阀存在故障，发出报警信息。通过截取疏水系统正常运行时 2 h 的监测数据进一步分析发现:该段时间内，疏水温度发生 3 次轻微的规律性波动，每次波动持续 20 min 左右。与理论疏水时长及疏水频率相比，在实际运行过程中由于监测设备受管道环境的影响，例如管道散热慢导致的温度波动范围小、疏水持续时间长。因此，在实际应用中，一般依据疏水系统正常运行情况下的监测数据设置疏水时长及疏水频率。由图 6(b)可以看出，该监测点的压力一直保持在 0.5 0.7 MPa，在正常的运行压力范围内，且未出现较大幅度的压力波动。由于水锤是一种急剧的压力交替升降的水力冲击现象，因此基于该监测点的压力数据判断，该处疏水管道压力运行状态正常。图 6疏水系统阀门故障时温度及压力变化曲线Fig 6Temperature-time curve and pressure-time curveof valve failure in a drainage system2.2疏水系统疏水异常案例2022 年2 月19 日上午，位于望江路与桐城路交口东北角桐城路东侧人行道的蒸汽管道疏水支路上的温度传感器，监测到疏水温度在一段时间内频繁波动(波动范围在101 103)，系统随即向监测人员发出疏水异常预警信息。通过截取该监测点上温度和压力的监测数据，并分别绘制该监测点的温度及压力变化曲线(图 7)。由图 7(a)可以看出，该监测点的疏水阀正常工作时的疏水温度大约为 101，截取该监测点正常运行一段时间的监测数据发现:监测点正常运行时温度波动范围较小，在 4 h 内发生了 4 次有规律的波动。当监测点异常时，疏水34322023 年 7 月孙路，等:蒸汽管网疏水系统安全监测预警技术研究Jul，2023温度波动范围(=2)较大，且在较短的时间内出现多次较大的波动。同时，由图 7(b)可以看出，该段时间内监测点的压力波动范围较大，从 0.625MPa 上升至 0.750 MPa，而后又下降至 0.575 MPa，管道压力的剧烈变化，可能是导致疏水异常的原因。图 7疏水系统疏水异常时温度及压力变化曲线Fig 7Temperature-time curve and pressure-time curveof a hydrophobic anomaly in a drainage system蒸汽管网疏水监测系统实行 7 24 h 实时运行服务，对疏水系统的异常工作状态进行实时预警，并与热电集团进行联动处置，极大提高了蒸汽管网疏水系统故障应急处置速率。系统自上线以来已成功监测到了 77 起疏水系统故障问题，避免了疏水系统故障带来的安全隐患，同时降低了蒸汽管网热损失极大地提高了管网热效率。3结论疏水系统作为蒸汽管网重要的一环，是影响蒸汽管网安全运行的关键。本文通过研究蒸汽供热管网疏水系统运行规律，构建了蒸汽管网疏水安全监测系统，实现了对蒸汽管网疏水系统运行风险的实时预警。与传统的人工巡线的方法相比，该方法具有预警准确率高、反应灵敏的优点，可以满足对较大区域范围的蒸汽管网附属设施的实时在线监测。此外，依据监测数据并利用蒸汽管网疏水系统运行状态判断方法，能够准确地预警蒸汽管网疏水系统工况，及时发现影响疏水系统运行的安全因素，为蒸汽管网的安全运行提供保障。参考文献(eferences):1 住房和城乡建设部 2019 年城乡建设统计年鉴EB/OL 2020 12 31 http:/www mohurd gov cn/gongkai/fdzdgknr/sjfb/tjxx/index htmlMinistryofHousingandUrban-uralDevelopmentStatistical yearbook of urban and rural construction in2019EB/OL 2020 12 31 http:/wwwmohurd gov cn/gongkai/fdzdgknr/sjfb/tjxx/index html 2王源 城市集中供热系统建模及其控制方法研究 D 南京:东南大学，2013.WANG Y esearch of modeling and control method fordistrictheatingsystem D Nanjing:SoutheastUniversity，2013.3 住房和城乡建设部，国家发展和改革委员会，财政部，等 推进北方采暖地区城镇清洁供暖J 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Technology，2021.8 French B S ASteam trap monitoring:early warning4432Vol 23No 7安全 与 环 境 学 报第 23 卷第 7 期defense systemJ Plant Engineering，2002，56(10):68 70，72.9 钱建康，郑思源 基于无线 HAT 协议的蒸汽泄漏监测系统设计J 控制工程，2021，28(28):1210 1216.QIAN J K，ZHENG S YDesign of the steam leakmonitoring system based on wireless HAT protocolJ Control Engineering of China，2021，28(28):1210 1216.10 郑荣部 浅谈疏水阀性能指标评定与故障检查预防 J 石油管材与仪器，2020，6(6):86 90.ZHENG B Brief talk on performance evaluation andfault check prevention for steam trapsJ PetroleumTubular Goods Instruments，2020，6(6):86 90.11 杨向东，朱红梅，朱法厅 蒸汽疏水阀的选型和使用探讨 J 山东化工，2015，44(10):138 140.YANG X D，ZHU H M，ZHU F T Discussion on theselection and use of steam traps J Shandong ChemicalIndustry，2015，44(10):138 140.12 吴承刚 浅议热水供热系统的水锤问题 J 煤矿设计，2000(9):37 38.WU C G Brief discussion on water hammer problem ofhot water heating systemJ Magazine Introduction，2000(9):37 38.13徐莹 供热管网停泵水锤及水泵旁通管选择分析 D 哈尔滨:哈尔滨工业大学，2006.XU Y Pump failure waterhammer in heating networksand by-pass pipe 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judgment model Withthe judgment model，the author proposed a monitoring and earlywarning method for the trap system of the steam pipe network Inthis method，the temperature sensor was installed at the drainoutlet，and the pressure sensor was installed in the steam pipenetworkThesensorswereusedtocollectcharacteristictemperature and characteristic pressureThen，the systemuploaded the temperature and pressure to the system using thegatewayand 3G/4GcommunicationmoduleFinally，thecharacteristic parameters were input into the judgment model，the monitoring and early warning system used the judgment modelto warn the safety risk of the steam pipe network and send theearly warning information to each emergency repair unit in timeThe monitoring and early warning system was applied to the161.5 km steam pipe network in Hefei The application resultsshow that the monitoring and early warning system can monitorthe abnormal operation status of the trap system To a certainextent，it can reduce safety hazards caused by leakage of the trapsystem Beyond that，the above method proposed in this paperalso brings new ideas for the development of intelligent pipenetwork early warning and security systems in modern citiesKey words:safety engineering;steam pipe network;trapsystem;monitoring and early warning;judgmentapproach;city safety54322023 年 7 月孙路，等:蒸汽管网疏水系统安全监测预警技术研究Jul，2023