PAI视界|知否知否:可预测性维护的蒸汽疏水阀监控系统

发布时间:2019-02-16 08:42      

      可预测性维护的蒸汽疏水阀监控系统:通过监测和确定蒸汽疏水阀及其下游设备的问题,以保证电厂的生产效率。

蒸汽传输系统为从酿造到炼油、或者两者之间的大多数各行业的生产提供支持。蒸汽可以携带巨大的能量,是一种高度可控的、极有价值的热源。另一方面,蒸汽生产是高能耗产业,一个低效的传输系统是极浪费的。锅炉可以设计成效率很高,但如果传输系统不好,这种效率优势将很快丧失。

        锅炉设计和效率因素一直是无数文章的主题,因此我们将在这里更深入地研究下游,并检查分布本身,特别是蒸汽疏水器(图1)。它们是分离凝结水和蒸汽的主要工具。利用无线声发射机产生的数据,通过非侵入式超声波事件检测,可以在一定程度上预测疏水阀的失效。早期修复失效的疏水阀也有助于防止由于冷凝液段塞通过疏水阀而导致下游设备出现问题。

图1  蒸汽疏水阀是管网中的一个重要部件,但往往不被重视

        冷凝水作为给水被送回锅炉,这使得它有两个方面的价值。首先,用昂贵的化学物质对锅炉给水进行深度处理,以避免锅炉污染,因此任何可以回收的都可以节省资金。其次,冷凝物通常是热的,这减少了将其转化为蒸汽所需的能量。因此,凝结水的收集对整个系统的效率至关重要,这取决于疏水阀。

热传递的暖气

我们稍后将进一步探讨蒸汽的热传递,但蒸汽也会用来吸收热量。随着近年来能源成本和碳排放的增加,热回收蒸汽发生器(HRSG,或者称为余热锅炉)的运用变得越来越普遍。旧工厂可能只是将热废气或工艺气体直接从烟囱中排出,但现在废热气体通常被引入余热锅炉,用于产生蒸汽。

        一个典型的案例是联合循环燃气轮机发电厂。几年前,从燃气轮机排出的热废气会被直接排放到大气中。现在,热废气先通过余热锅炉,其产生的蒸汽会运行第二级燃气轮机。这种回收废热的能力有助于提高这些发电机组的效率。

        蒸汽通常用于将热量传递给另一种液体,例如啤酒厂(图2)或其他食品饮料行业中使用的大型夹层反应罐或反应釜。蒸汽经过管道,通过釜壁或内部盘管加热产品。这样,可以提供非常均匀和精心控制的热量,因此产品不会燃烧。在产品冷态的初始加热阶段,蒸汽迅速凝结,凝结水在最低位聚集。蒸汽疏水阀将冷凝水与蒸汽分离,并将冷凝水作为进水送回锅炉。

图2 在制药、食品和饮料行业,蒸汽是在这些酿造罐中加热产品的一种很有价值的方法

        这是工艺流程中的一个关键点,对反应釜的效率有很大影响。为了从蒸汽中转输出尽可能多的热量,所有的蒸汽都应该在夹层中凝结。在加热过程的初期,蒸汽和产品之间的温差最大。蒸汽将热量迅速传递到产品中并凝结。如果这个过程的目标是实现最快速的加热,那么这时就是蒸汽流量最高的时刻。随着产品温度的升高和传热速度的减缓,必须减少蒸汽流量,否则蒸汽会从出口喷出,这将会浪费热量。

        冷凝水进入蒸汽疏水阀,允许液体通过收集系统逸出并返回锅炉。但疏水阀会阻止蒸汽,将其留在在夹套中。疏水阀实际上是一种冷凝水分离装置,对这种应用的效率有着巨大的影响。如果不能足够快地去除凝结水,凝结水会回流到蒸汽管路中,从而降低了热传递效率。如果疏水阀只是让蒸汽仅仅吹过,热量就会被浪费掉。如果疏水阀的尺寸合适,并且针对该应用使用了恰当的设计,那么疏水阀的动作应该是自动的,但前提是它工作正常。

蒸汽疏水阀的设计

     到目前为止都在讨论,所有的凝结水需要从蒸汽中去除,但情况很微妙。高压蒸汽管道中少量的冷凝水处于足够高的温度,如果达到压力下降到某个临界点,冷凝水将立刻变成蒸汽。冷凝水携带着大量热量,在不需要时,将其除去也会浪费能源。因此,在不同的情况下,有不同的疏水阀设计用于去除冷凝水。此外,还有更多的深层资源可供利用,但有些类型的蒸汽疏水阀仅在其温度降至特定阈值以下时才释放冷凝水;而其他类型的疏水阀仅与液体体积有关。具体应用案例将会指出哪一种疏水阀最合适。

        从功能上讲,疏水阀是一种根据工况自动开启和关闭的阀门。因此,所有设计的产品中都有一些运动部件和一个座面。热力疏水阀非常简单,只有一个运动部件;而机械式疏水阀(如浮动式和反向式桶体)则比较复杂。很不幸,只要存在某种结构,就有发生故障的可能,但这些类型的问题是可以预测的。

蒸汽疏水阀的失效模式

蒸汽并不总是干净的。尽管供水经过了大量处理,但仍有可能形成水垢,水垢会被蒸汽和冷凝水冲走,然后在管路中再凝结。水垢这样的颗粒物有一种不可思议的能力,就是可以在有问题的地方凝结,如阀门座或结构中。同样,如果处理供水的化学品过度使用,会导致腐蚀。操作工况(如水锤和振动),也会对阀门、配件和蒸汽疏水阀造成伤害。

        蒸汽疏水阀有两种失效方式:一种是阀门卡住后一直保持开启状态并释放蒸汽,另一种是阀门卡住后一直关闭,从而不释放任何物质。工厂巡检员通常通过对疏水阀的诊断,对失效进行分类:

※ 有明显的蒸汽泄漏——是主要的机械故障之一。

※ 疏水阀过热,温度与蒸汽管道相同,它将蒸汽直接释放到凝结水管道或大气中。

※ 疏水阀太冷,卡在关闭位置,未释放冷凝水。

※ 疏水阀工作正常,正在释放温热的冷凝水。

        找到正常工作的疏水阀,并标记已损坏的阀门以进行维护,需要一种合适的工具来测量温度,如红外观察设备等。这些工作可以去完成,但技术人员必须到达疏水阀所在的位置并进行评估。除非由一个非常有经验的技术人员定期和频繁地进行人工巡检,否则某个或多个蒸汽疏水阀可能已经发生故障有相当长一段时间了。最近的一项研究表明,在一个大型化工生产企业,18%的蒸汽疏水阀在一年内可能会失效,从而导致每个疏水阀浪费的能源成本高达16000美元。

        一种传统的蒸汽疏水阀监测方法是在疏水阀上安装一个温度传感器来测量疏水阀的状况。但这是一种植入式的解决方案,需要对其提供的数据进行深入的分析,并了解在特定工况下合适的温度。

寻找解决方案

     大多数疏水阀不会持续释放凝结水。尽管这种状况是可能发生的,但在正常情况下,如果阀门尺寸正确,所有疏水阀都设计成会间歇性打开,并以涌动的形式排放冷凝水。在这种情况时,内部湍流会产生噪声,并通过相邻的管道传输。观察一个正常工作的蒸汽疏水器时,应该可以听到这样定期发出的声音。当一定数量的凝结水积聚后,会不断打破沉默。

        安装在靠近疏水阀的管道上的声波发送器(图3)可以听到疏水阀发出的噪音。它对超声波频率很敏感,因此可以抓取到循环声,并且可以用一种算法来掌握每个疏水阀的活动特征。数据可通过无线HART装置从发送器传输到中央数据采集和分析平台。在该平台上,工作人员可以看到工厂各处配备有声波发送器的蒸汽疏水阀的运行情况。

图3 管道上的疏水阀旁边安装了一个声波发送器,因此安装时生产设备无需停机

仪表盘能够显示(图4)哪些疏水阀工作正常,哪些处于这种或另外一种故障模式。该软件可以随时估算出能量损耗和由此产生的生产成本。维护人员可以一目了然地看到哪些蒸汽疏水阀需要关注,因此他们可以适当地安排计划,并且可以在小问题变得更严重之前对其进行预测和处理。

图4 配备分析软件的仪表板可以获取和显示整个设施内蒸汽疏水阀的性能和状态信息,并运行预测性维护程序

        当然,这些数据可能需要进行一些分析,例如,报告为“冷”的疏水阀可能出现故障,或者可能就是冷的,因为疏水阀只是在间歇性运行状态,可能暂时被关闭。另一方面,与连续生产或至少定期生产的工艺相关联的蒸汽疏水阀能够形成特别的排放模式。如果这些模式发生变化,如冷凝水体积突然增加,可能就有其他原因导致其偏离了正常的工艺操作。

        预测性维护可以采取多种形式并提供不同类型的信息。正如测量和观察流程变量能够洞察流程中发生的事件一样,这同样适用于生产设备,蒸汽疏水阀只是一个例子。现在有许多传感器和分析工具可用于各种生产设备,如泵、热交换器和泄压阀等等。当数据可被利用时,维护部门就可以找到新的方法来开发更好的预测性维护程序,以更快地或在问题完全显现之前处理问题。这样就节省了维护成本,但更重要的是减少了非计划停机造成的损失,并可以经常防止严重事故的发生。

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