商明虎，佟立臣，郭健，江学津

（1.深圳沈鼓测控技术有限公司，广东 深圳 518000；2.沈阳鼓风机集团测控技术有限公司，辽宁 沈阳 110869）

1 前言

蒸汽疏水阀又称蒸汽疏水器或阻汽通水阀（以下简称疏水阀），其作用是阻汽排水，是一种能自动地排除蒸汽使用设备和管道中产生的冷凝水,并可阻止蒸汽泄漏的自动阀门。在石油化工、冶金、制药、食品加工等生产企业的蒸汽管网中，是一种应用广泛的节能产品，如图1所示。

图1 疏水阀安装示意图

在蒸汽输送管道、汽水分离器、蒸汽罐以及利用蒸汽来进行加热、换热、保温、伴热、干燥、蒸馏、采暖等工艺过程中所产生的凝结水，都必须使用疏水阀来排除。因此，疏水阀的产品性能，对于整个蒸汽供热系统的正常运行、蒸汽设备热能效的提高以及能源的合理使用等都具有重要价值。

近年来，我国对于一次能源的消耗量急剧增加，但锅炉的平均运行效率仍仅有55%左右，而把蒸汽输送到生产企业用户后得到的热量还不到30%；这与一些发达国家（美国、欧洲、日本各国等）相比，差不多要低一半以上。这其中有很大一部分的热量就是由于疏水阀使用不当或疏水阀质量差、企业设备管理低下，从而使得蒸汽大量泄漏造成的。

据不完全统计，我国各类疏水阀使用状况很不令人乐观，蒸汽泄漏所造成的浪费触目惊心。国内共使用的疏水阀约有1000万台：正常运行（漏汽率＜3%）10%；泄漏超标（漏汽率＞5%）60%；严重泄漏（漏汽率＞10%） 30%；许多疏水阀处于常开状态,形同虚设。

蒸汽供热系统所消耗的能源在我国能源消耗中占有重要的地位，据统计，2020年我国能源消费量约为49.8亿吨标准煤，其中煤炭消耗量28.29亿吨，至少有17亿吨煤用于蒸汽供热系统，约占全国煤炭消耗量的2/3。然而我国蒸汽的利用率不高，存在着巨大的浪费，蒸汽供热系统的节能潜力巨大。在锅炉形式一定的情况下，根据国内蒸汽疏水阀的使用状况，仅疏水阀满足标准要求的漏气率3%的这一项，每年可节约3600万吨标准煤。由此可见，疏水阀不仅节能效果优异，而且还有很大的节能空间。另外，疏水阀不仅节约了煤炭消耗，还大大减少了因煤炭燃烧产生的CO2、S02及粉尘等的排放量，同时也节约了其他原料、材料、人力成本和设备折旧等。

因此研究、开发一套疏水阀健康能效监测系统具有重大的现实意义。

2 疏水阀监测的行业需求及痛点分析

2.1 疏水阀常见故障及影响

（1）蒸汽泄漏，疏水阀无法关闭。浪费蒸汽、浪费能源，造成工厂加工成本升高；设备流速过快；无法保持稳定的压力、温度，影响其它设备的工作性能。

（2）堵塞或常闭，疏水阀无法打开。积水；温度控制不稳定；影响产品质量，产品出现废品；减少热量输出；发生水锤，损坏设备。

2.2 行业管理现状、需求及痛点

疏水阀在工业企业还处于粗放式管理状态，大多数企业仍将其作为常规的通用阀门来对待，其真正的节能价值并没有得以重视和展现，所以造成如上文所述，近90%的疏水阀达不到标准规定的3%的漏汽率，而普遍的漏汽率在5%～10%，甚至更高。这些疏水阀中，除了少数产品自身的质量问题外，更多的是缺少节能意识，对疏水阀管理不重视，还停留在事后维修、计划维修等传统管理手段上，管理方式低效；以及疏水阀的特点，多为机械结构，很难直接观察判断其运行状态的好坏，需要更详尽的运行状态数据，来补充传统的人工点巡检。

疏水阀管理的痛点：冷凝水总管路发生泄漏时，难以定位具体的故障阀门；蒸汽供热系统中容易发生水锤现象而导致管路、设备损坏、爆炸，甚至造成人身安全事故；蒸汽泄漏带来的经济损失难以进行数据分析评估。

在2021年全国两会上，“碳达峰”“碳中和”被首次写入政府工作报告，“绿色”“生态”也成为“十四五”规划的关键词。在石油化工、煤化工、精细化工等复杂流程工业中，生产过程设备向自动化、数字化和智能化方向发展。设备健康管理和能效监测对设备安全、高效、长周期运行的技术保障重要性越来越强。沈鼓测控公司利用传感技术、工业互联网、物联网、大数据、和预测技术综合集成开发疏水阀设备健康能效监测系统，实现了对疏水阀实时在线监测、异常预警、能耗实时监测，能满足石油化工、煤化工、精细化工等流程工业对装备安全、可靠、经济、绿色运行的发展需求。

3 疏水阀监测核心技术研究

疏水阀监测采用声学、温度进行监测，其中利用压电晶体将超声波信号转换成电信号用于测量泄漏及泄漏量；利用热电阻（或热电偶）将信号转换成电信号用于测量堵塞。该系统技术难点主要在超声波信号测量，故本文重点介绍此部分技术研究及实现。

3.1 超声波技术

一个容器或管道内充满气体介质,且其内部压力大于外部压力，由于压差的关系当容器或管道上有漏孔时，气体就会从漏孔流出。漏孔尺寸较小且雷诺数较高时，流出的气体就会形成湍流,湍流就会在漏孔附近会产生一定频率的声波,且声波的振动频率与漏孔尺寸有关。漏孔较大时声波振动频率较低，此时人耳也可听到漏气声；漏孔很小且声波振动频率大于20kHz时，人耳就听不到了，但它们依然能在管道、空气中传播，此时的声波也叫超声波。超声波是高频短波信号，其强度随着传播距离的增加而迅速衰减，超声波具有指向性。

利用这个特征，超声波测漏监测不同于特定气体感应器受限于它所设计来感应的特定气体，而是以声波来进行监测。任何气体通过泄漏孔都会产生涡流，都会有超音波段的部份，使得超音波监测泄漏能够感应任何种类的气体泄漏。越接近泄漏点，越明显。本文主要针对蒸汽、超声波传感器距离、超声波强度与漏孔量展开了研究。

3.2 监测原理研究

基于超声波技术，本文作者根据超声理论及大量实验，形成如下小孔泄漏（图2）监测原理：

图2 小孔泄漏示意图

蒸汽泄漏量（kg/h）=D2×B×C

式中，D为小孔直径（mm）；B为常数4；C为蒸汽绝对压力（MPa）。

前提假设是泄漏的进口压力是恒定不变的，所以只要得出小孔直径，即可定量监测蒸汽疏水阀泄漏及泄漏严重程度。

为了实现泄漏小孔的监测，本文引用了雷诺数（Reynolds number），雷诺数是流体力学中表征粘性影响的相似准则数，为纪念雷诺而命名，记作Re。雷诺数一种可用来表征流体流动情况的无量纲数。Re=ρvD/μ，其中v、ρ、μ分别为流体的流速、密度与黏性系数，D为一特征长度，例如气体流过圆形管道，则D为管道的当量直径。

根据反复试验比对，发现雷诺数与湍流声压级存在如下关联关系，如图3所示。

图3 雷诺数与声压级对比关系图

至此，只要能监测到疏水阀泄漏时湍流的声压级，即可获取到相应的雷诺数，进而获取到小孔直径、泄漏量。

传感器设计方案，如图4所示。

图4 设计方案图

4 疏水阀在线健康能效监测系统搭建

如图5所示，利用传感器技术、工业互联网、物联网、大数据、和预测技术，采用统一的数据结构，基于SOA(Service-Oriented Architecture)架构综合集成搭建疏水阀健康能效监测系统，系统由传感器层、网络层和应用层组成。其中，传感器层采用超声波、温度新型复合传感器，内置数据采集、信号处理及无线传输。网络层由有线网络(Internet、Intranet、LAN)和无线网络(NB-IoT、LoRa等)组成。应用层可以提供用于疏水阀监测所需的各类应用图表，实现对疏水阀的故障诊断和预测、故障风险等级评估等信息。

图5 基于物联网的疏水阀健康能效智能化监测系统

疏水阀健康能效监测系统提供了实时、丰富的监测图表，可以实现实时监测、早期异常预警、能效监测等功能（图6）。

图6

5 结语

利用传感技术、工业互联网、物联网、大数据和故障预测技术综合集成开发出设备健康能效监测系统平台，并把它应用于疏水阀的健康能效监测中。建立的系统平台能够实现设备的健康和能效实时监控、早期故障预警，确保石油化工、煤化工、精细化工装置安全、可靠、经济、高效率运行，具有重要的价值。

疏水阀健康能效监测系统与国家大力倡导“能源绿色低碳发展”的政策一致，值得在工业生产企业中广泛推广应用。