无线疏水阀监控系统在烟草行业中的应用

王明明

（安徽中烟工业有限责任公司阜阳卷烟厂 安徽阜阳 236060）

现代卷烟工业生产过程中，蒸汽动力系统是动力能量系统不可或缺的一部分，是企业重要生产成本之一。蒸汽主要应用于以下两个方面：一是生产工艺，包括制丝生产线的润叶机、烘丝机等；二是室内环境温湿度控制，包括生产车间及办公生活区冬季采暖系统等［1］。

蒸汽释放热量后，变成蕴含热量的凝结水，通过疏水阀进行排放。疏水阀长期使用，容易发生故障，通常表现为堵塞或漏气，发生故障的疏水阀会影响物料升温速率及产品质量。受现场条件限制，无法及时确定哪台疏水阀故障，即便安装了观视镜的疏水阀也无法准确地判定其工作状态，只能定期雇佣第三方检测机构，人工手持设备对疏水阀逐一进行检测，如此一来，就导致能源的损耗及产品质量的波动。

针对这一普遍存在的问题和目前生产所面临的实际问题，为提高烟草行业疏水阀的正确应用，为国家“十四五”时期烟草行业的工作目标添砖加瓦，笔者公司与汇能设计开发疏水阀在线监控系统并进行现场应用，是对目前蒸汽管控系统的创新改进，既能保证疏水阀在最佳状态工作，解决实际生产问题，也探索出一种智慧工厂的管理模式。本项目具有极强的推广性。

1 系统结构及原理

TMS疏水阀无线检测系统是由检测装置（简称TC模块，Trap Check Module）、数据传输（简称TT 模块，Trap Transfer Module）、数据分析（简称TM 模块，Trap Management Module）3部分构成的，是检测系统的基础构成。如不使用云计算服务器，则系统还包括本地计算服务器。

1.1 检测装置

检测装置集成了一个温度探测和超声波探测装置。蒸汽通过微孔时会产生特定的超声波，利用超声波强度检测来判断疏水阀是否发生了泄漏的原理如下：当阀门发生泄漏，蒸汽就会从泄漏的小孔处冲出，当小孔孔径较小且雷诺数较高时，冲出的蒸汽就会形成湍流，蒸汽在小孔附近会产生一定频率的声波，当声波频率高于20kHz 时，产生高频短波信号，即超声波，它能在空气中传播，强度随着距离漏孔的越远，衰减速度越快。

通过分析阀门泄漏产生的超声频谱发现，一般泄漏产生的频率在50kHz 以内，而能量主要分布于30～50kHz 之间，并且超声波频率在36～40kHz 点的能量都是比较大的。因此，阀门泄漏所产生超声信号的中心频率选择确定为36kHz。通过检测中心频率附近超声信号的强度，确定阀门是否发生泄漏［2］。

当疏水阀堵塞时，疏水阀内部会发生疏水不畅的现象，由于冷凝水温度低于对应的饱和蒸汽温度，疏水阀即进入了“冷阀”状态。可用一温度传感器采集疏水阀处管壁温度，当温度低于设定值时，即认为疏水阀出现“冷阀”状态，即疏水阀堵塞。

使用声波/温度传感器检测出的超声波／温度数据，即可在线判断疏水阀的泄漏与否，根据特定的数学模型计算，可以得出量化的泄漏等级。本系统即是利用这一原理实现疏水阀泄漏监测［3］。

每台需要检测的疏水阀前管道上安装一台检测单元，通过检测单元，检测流体通过疏水阀阀孔时的超声波频率与振幅值，以及疏水阀前管道温度，将检测数据简单处理打包后通过无线方式送至收发器，收发器通过局域网或外网送至云端服务器后台软件进行处理、计算、分析，用户可以通过PC 客户端实时监测疏水阀的泄漏状态，并对泄漏状态进行定量、分级。

1.2 数据传输

数据传输设备使用LoRa（Long Range）无线集中器，是一种利用LoRa无线调制技术实现远距离数据传输的网关设备，是终端和服务器（Server）间的信息桥梁，是多信道的收发机，实现数据无线收发［4］。

1.2.1 数据发送流程

在发送模式下，射频、PLL 和PA 模块只有在需要发送数据的时候才会启动，可以极大地减少功耗［5］。

LoRa发送数据前一直处于待机状态，在初始化Tx模块后，将待发送数据（Payload）写入FIFO 模块，再通过LoRa发送状态将数据调制成信号发送出去，发送完成后，会产生TxDone中断，再次切换为待机状态，完成一个发送流程，如此循环往复。

1.2.2 数据接收流程

LoRa有两种数据接收模式：单一数据接收模式与连续数据接收模式，模式流程图如图1所示。

图1 LoR a 数据接收流程图

（1）单一数据接收模式。在单一数据接收模式，在给定的时间窗内，LoRa 开始搜索前导码，如果该时间窗结束时还未搜索到前导码，就会产生中断信号Rx-Timeout，同时切换回待机模式。

在Payload 接收完成后，如果CRC 无效，则会产生RxDone 及PayloadCrcError 中断信号。然而，即使CRC无效，仍然可以在FIFO 中写入数据，以便后续进行处理。RxDone中断产生后，会自动切换回待机模式。

不论是RxDone 还是RxTimeout 中断信号产生时，LoRa 都将自动切换到待机模式，所以，Rx 单一接收模式是只有在数据包到达时间窗已知的情况下才使用的。而在其他情况下，使用Rx连续模式。

（2）连续数据接收模式。连续数据接收模式下，LoRa调制解调器会持续地扫描信道来搜索前导码，直至检测到该前导码，然后继续等待检测下一个前导码。

如果前导码长度超过预设值，则丢弃该前导码，并重新开始搜索。但这种场景不会产生中断标志，与单一Rx 模式相反，在连续数据接收Rx 模式下，产生Rx-Timeout中断时，用户必须在等待的同时直接清除中断信号，否则设备不会进入待机模式［6］。

在这种传输方式下，数据传输设备是低频宽、低功耗、长距离的无线传输体系，解决了小量资料、大量设备间远距无线传输的应用，为超长待机和数据传输提供了保障［7］。

1.3 TM数据分析：云端认知计算、量化结果，进行大数据分析，支持多种终端

搭建终端软件，通过以太网接收泄漏信号，进行计算分析，警告故障阀门位置，实现疏水阀台账管理，对在线全部疏水阀所有信息进行管理及查询；对疏水阀统计分析，包括品牌、型式、位置的疏水阀使用寿命、故障率、浪费能源数据进行横向、纵向分析，为未来选择使用高性价比产品提供直接客观依据；能源数据提供，为蒸汽能源工作提供准确数据，提升能源管理水平，节能增效。

2 现场运行结果

阜阳卷烟厂本次共安装35 台TC 检测设备，分布于4 个区域，选取重要设备疏水阀进行实时监测。从数据统计得出，现场疏水阀泄漏率14%，低温故障率9%，如果不及时进行维修保养，会造成能源的损失及产品质量波动。泄漏数据如表1所示。

表1 疏水阀泄漏数据统计表

3 节能减排计算

根据现场条件及焓值表查询可知：标煤热值q煤=7000kcal；燃气锅炉效率η=97%；全年工作约8000h；0.8MPa 蒸汽焓值hs=2773.04kJ/kg；软化水温度按照20℃计算，软化水焓值hw=83.74kJ/kg，蒸汽损失68.42kg/h。

3.1 因泄漏导致的蒸汽损失计算

年蒸汽损失量：68.42×8000=547 360kg=547.36t。

年蒸汽损失热量：（2773.04-83.74）×547 360=1 472 015 248kJ。

折合标准煤量：1 472 015 248÷4.186÷7000÷97%÷1000≈51.79tce。

年损失费用：200×547.36=109 472元。

3.2 碳减排计算

及时更换维修有故障的疏水阀，可避免小漏成大漏，造成更大的损失。

按照现行的碳减排计算，每1kg 标准煤可转换为2.493kg 的CO2，本项目可减少CO2排放量为：51.79×2.493≈129.11t。

4 结语

通过设计并应用疏水阀在线监控系统，可实现疏水阀精细化管理，提供能效数据，为节能工作的开展和提升管理水平提供客观依据。以笔者公司为例，如果及时维修保养，每年可以减少蒸汽损失547.36t，减少CO2排放量约129.11t。因此，疏水阀在线监控系统是能源管理自动化、信息化、精细化的必要手段，也是烟草企业亟须改造的对象。