蒸汽管网泄漏实时监测系统研究

2023-12-27史振中工程师高海江嶺工程师

安全 2023年12期

史振中工程师高海江戴嶺工程师

(常州港华燃气有限公司,江苏常州 213000)

0 引言

蒸汽具有比容大、密度小的特点,此外,蒸汽供热系统的热惰性小,供汽时热得快,停汽时冷得也快,非常适宜用于间歇供热的用户,因此有许多城市选择蒸汽供暖。随着城市的发展,蒸汽管网也在不断扩大,但随着蒸汽管网使用年限的增长及其复杂的运维情况[1],使得事故率居高不下,事故的发生往往伴随着人员伤亡和财产损失。同时,对于埋地蒸汽管网,管道泄漏不易发现,泄漏的蒸汽长期冲刷土壤,蒸汽凝结水会运移土壤。在凝结水的长期软化和运移作用下,地下易形成空洞,造成地面塌陷。蒸汽管网长期热损失,也会导致能源和水资源浪费。据统计,供热管道的能源损耗达到总供热能源27%以上[2],说明供热管网的泄漏问题并未得到有效管控。

在国家的持续关注及行业的不断努力下,蒸汽管网泄漏识别技术的研究取得较大进展,例如,王云龙[3]、马栋[4]分析蒸汽管网泄漏的原因并提出相应对策;朱慧峰[5]基于对蒸汽管道泄漏时音频特点的分析,构建信息化的音频控制系统,旨在准确定位泄漏位置;刘才等[6]通过建立蒸汽管道仿真模型,并基于压力梯度法提出一种解直线方程组的方法定位蒸汽管网泄漏位置;黄赢[7]提出一种基于统计过程控制的数据监控方法,以预警蒸汽管网的异常运行状态;钱建康等[8]基于超声波技术、温度检测技术及WirelessHAR协议研究设计了一套蒸汽泄漏监测系统,用于识别蒸汽管网疏水阀上的泄漏。纵观上述研究,尽管各个观测指标得到充分的关注并结合信息化手段实现可视化,但研究结果的可推广性及工程实用性存在一定局限。

鉴于此,本文从识别蒸汽管网泄漏的角度出发,着眼于蒸汽管道、排潮孔、疏水阀等具体构件,选取传感器对各构件指标进行实时监测,运用物联网等技术集中展示实时数据并搭建安全预警平台,以期全面掌握蒸汽管网的运行状态并及时、准确地识别管网泄漏位置。

1 蒸汽管网泄漏识别方法

蒸汽管网泄漏,可以分为管件泄漏和管道泄漏[9],管件主要包括疏水阀、排潮孔等;管道泄漏部位主要是两节管道焊接位置。疏水阀系统的作用是排出管道中的凝结水,凝结水不及时排出管道,就会被蒸汽带着流动,形成喘振和水锤[10-11],影响蒸汽管网的正常运行。正常工作的疏水阀只排出管道中的凝结水而不排出蒸汽,如果疏水阀失效,蒸汽会通过疏水阀泄漏出来。现有蒸汽管道多为钢套钢保温管,排潮孔的设置是为了排出套管内保温层中的水蒸气,防止保温层有水腐蚀管道,同样如果内套管中蒸汽泄漏,首先进入的就是保温层,然后通过排潮孔排出。

1.1 疏水阀故障判断

疏水阀是供热管网的附属设施,压力传感器安装在疏水阀前端(如图1),与供热管网相通,可以监测供热管网的压力,其压力的大小主要与补水泵扬程、循环泵扬程、管网的布置形式和管网材质等因素有关。本文主要通过压力传感器监测管网压力,分析管网运行状态。

图1 疏水阀系统及其传感器位置Fig.1 Drain valve system and its sensor location

疏水阀工作原理为主要通过进、出口压力差控制阀口启闭,从而实现排出凝结水而阻止蒸汽流出,疏水阀排出凝结水为一个周期性的动作,一个动作周期为一个疏水频次,可通过疏水频次异常来判断疏水阀的工作状态。

(1)理论疏水频次计算方法。管道散热损失受土壤、周围环境及保温层等因素的影响,通过计算热损失,结合蒸汽焓值,可以计算得到管道正常运行的理论疏水量。

(1)

(2)

(3)

式中:

α—钢套管整体散热系数;

Q—正常情况下热损失,W/m;

Ta—2个疏水装置上游温度,℃;

Tb—2个疏水装置下游温度,℃;

L—2个疏水装置之间的距离,m;

Da—钢套管内径,m;

Db—钢套管外径,m;

Do—与土壤接触的管道外径,m;

h—管道埋深(管道中心至地表面的距离),m;

λ—保温层导热系数,W/(m·℃);

λt—土壤的导热系数,W/(m·℃);

N—正常情况下,单位时间内的疏水次数;

hg—过热水蒸气的焓值;

hs—饱和水的焓值;

m—正常情况下,一次疏水的质量,kg。

通过式(1)～(3)可知,疏水阀的疏水频次,与2个疏水阀之间的距离,管道的散热系数和管径相关,因此当蒸汽管道确定后,其管径和散热系数为已知参数,只要确定疏水阀位置后,疏水的频次即可确定,通过记录疏水阀疏水频次、疏水时间,对比每个时间段疏水阀排水频次和相邻2次排水时间差,从而判断疏水阀运行状态。

(2)疏水频次记录。温度传感器设置在出口位置,当疏水阀不排水时,传感器监测的温度为环境温度;当疏水阀排水时,传感器监测的温度为排出水温度。通过温度变化可以监测疏水阀的疏水频次,每疏水一次,排水口的温度传感器会记录一次温度骤然变化的过程,即记录一次疏水过程。将单位时间内的疏水次数记录下来,即为实际疏水频率。

疏水阀异常状态识别方法:当实际疏水频率n不在理论疏水频次N的区间范围内,间接证明疏水阀的工作状态异常。

1.2 蒸汽管道泄漏识别

正常工作情况下,蒸汽管道的压力值在一定范围内波动,并且压力为连续波动。当蒸汽管道运行异常时,监测压力值波动异常且不连续。因此,可以采用统计学标准差的3σ法则来筛选异常数据,正常管道压力值的标准差分布在正常标准差范围内,当有一个数据落在均值±3σ外时,可以初步看作异常数据,“3σ准则”虽然简单,却可以检测异常数据。

平均值与标准差计算,利用以下公式:

国外科研工作者Asiful H. Seikh[2]等研究了高速钢X65低温下在硫酸溶液中浸泡的腐蚀特性，实验结果表明浸泡时间增加，提高了阴阳极电流和腐蚀电流密度，从而加剧了腐蚀；温度的增加则通过加快金属表面反应、提高溶解速度从而加剧了腐蚀。

(4)

(5)

式中:

Pj—j时刻的压力平均值,MPa;

σj—在j时刻的标准差;

Pi,j—从i时刻到j时刻的压力,MPa;

n—从i时刻到j时刻采集数值的次数。

正态分布99%数据都分布在3σ区间内,对于分布在± 3σ区间内数据记作0,不在该区间内数据记为1。压力异常值A的判断公式如下:

(6)

通过判断压力是否在范围内波动来分辨管道的运行状态,这样的分辨方式,会忽略在范围内的压力突降点,因此可以通过2个相邻数据点压力差的波动范围,分辨出异常瞬间突降的压力值,通过确定压降的合理区间,进一步筛选异常压力值。同样,对于分布在± 3σ区间内的数据记作0,不在该区间内的数据记为1。公式如下:

(7)

式中:

B—任意2个相邻数据点间压力差异常值判断参数;

ΔPj—j时刻相邻2个点的压力差,MPa。

为尽可能减少误判的情况发生,将压力范围和压降范围同时纳入管道泄漏检测的判断标准之中,令:

C=A+B

(8)

式中:

C—管道泄漏风险判断参数。

只有当单个测压点在某一时刻C=2的时候,即压力和压降同时越界,才认定蒸汽管道存在泄漏风险。但是,如果存在相邻测压点联动异常的情况,即某一时刻2个或更多测压点出现C=1,认定为蒸汽管道存在异常的误判概率较低,同样需要被认定是有严重的爆管风险。判断结果,见表1。

表1 事故的基本判断标准Tab.1 Basic judgment standards for accidents

1.3 排潮孔温度监测

排潮孔主要作用为排出钢套管保温层中的水分,首先,蒸汽管道施工时,因为天气和施工管理因素,导致套管保温层内进水,当蒸汽管道运行时,保温层内的水会被加热成水蒸气,压力升高,如果没有排潮孔,保温层内的水蒸气无法排出,水分会腐蚀钢管,保温层压力升高也存在风险,因此设置排潮孔可以排出保温层中水蒸气;其次,排潮孔可以作为判断管道泄漏的信号孔,正常运行的管道排潮孔不会连续排出蒸汽,只有当管道发生泄漏时,才有大量蒸汽通过排潮孔,排潮孔温度将和管道内温度一样,并且温度连续发生变化,即:在排潮孔设置温度传感器,同样可以通过监测温度的变化识别蒸汽管网的运行状态。

1.3 蒸汽管网监测系统

蒸汽管网监测指标和数据分析过程,如图2。通过在疏水阀出口设置温度传感器、进口设置压力传感器,排潮孔出口设置温度传感器,以及在热源站和换热站设置压力和温度传感器,同时运用物联网将所有数据传输至处理器。通过对管网和环境进行建模,利用大数据可以对管网运行状态和健康情况进行实时监控和分析;可以对不同工况下的管网运行情况进行模拟;还可以对管网突发故障和事故时的应急抢修进行模拟。

图2 蒸汽管网监测指标和分析Fig.2 Monitoring indicators and analysis of the steam pipeline network

蒸汽管网运行状态判断流程,如图3。疏水阀主要是将蒸汽管道内的凝结水排出管道,而凝结水的温度为100℃,当疏水阀出口监测温度大于100℃时,则表明蒸汽通过疏水阀被排了出来;疏水阀工作为规律性排水,通过温度传感器可以监测疏水阀的疏水频次,间接判断疏水阀的工作状态;在非施工及异常天气时,正常运行的管道排潮孔不排出蒸汽,当管道泄漏时,排潮孔会持续排出蒸汽,其温度和蒸汽管道内温度一致,通过监测排潮孔温度的变化可以判断蒸汽管道是否泄漏;管道压力则可以直观反映管道的运行状态,正常运行的蒸汽管道压力变化为连续、规律的波动,当压力出现跳跃性变化,则表明管道运行状态发生转变,结合热源厂压力的变化,可以对管道状况进行判断。

图3 蒸汽管网运行状态判断流程Fig.3 Process for judging the operating status of the steam pipeline network

1.4 监测点位的选择

蒸汽管道作为城市供热配套工程,分布在城市的各个角落,疏水阀和排潮孔等管件数量成千上万,如果不对监测点位进行筛选,那么监测设备的投入必将非常巨大,因此考虑到投入及实际效果,需要对监测点位进行筛选,使投入与监测效果达到最佳平衡点,对于监测点位的布置可以从以下几个方面考虑。

(1)高泄漏风险区域。根据管网运行检修数据,通过管材、运行年限及规范要求,对管网安全性进行全面评估,划分管网风险等级,对处于高风险和高泄漏区域的管道进行筛选,优先选择易发生泄漏或异常事故的管道区域进行监测。

(2)人口密集区域。对于人口密集区域,人口、基础设施和公共服务机构较多。若发生泄漏,带来的次生、衍生灾害多,影响范围广,因此,需对该区域的蒸汽管道进行监测。

(3)敏感区域。政府机关、医院、学校等需要稳定连续运营的单位,属于重要服务单位且需要强大的后勤保障,因此,需要对以上部门周围的蒸汽管网进行监测,确保该区域周围管网的安全和稳定运行。

(4)面临威胁较大区域。如位于主干道路面下的管道,因受地面交通压力影响而易受到损坏;酸碱腐蚀性强的土壤环境对碳钢材质管道影响较大,需设置监测点。

2 案例分析

2021年12月23日20点15分,某蒸汽管网监测系统显示P00135、P00136、P00137和P00138压力监测器发出报警信息,P00136压力监测值突然下降,在10min内压力从0.75MPa下降至0MPa,如图4。系统发出预警信息,经分析该监测点位压力异常,并且附近监测点位的压力也出现了不同程度的下降。其附近的排潮孔温度传感器(T0013)也发出了报警信息,温度接近175℃,和管网运行温度一致,经巡检人员现场复核,距该监测点位100多米处有一施工单位将管道挖破导致蒸汽泄漏(如图5),抢修部门经过2个多小时的紧急抢修,管道恢复正常供气。