一种蒸汽热网运行监控和在线故障诊断系统
阅读说明：本技术 一种蒸汽热网运行监控和在线故障诊断系统 (Operation monitoring and online fault diagnosis system for steam heating network ) 是由 何海军 曾鑫 赵子东 范玮 简洪生 孙宇 马洪洲 赵静 刘尧祥 武广龙 李振 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种蒸汽热网运行监控和在线故障诊断系统,包括蒸汽热源、蒸汽管道模块、蒸汽用户、计量装置模块、测量装置模块,所述蒸汽热源将蒸汽通过所述蒸汽管道模块传输至蒸汽用户；所述蒸汽管道模块包括蒸汽主管道、蒸汽分支管道和用户蒸汽管道；所述计量装置模块包括主管道计量装置、分支管道计量装置和用户计量装置；所述测量装置模块包括现场测量箱、测温元件、环境温度计、风速计、顶部测温带和振动传感器；所述蒸汽用户通过用户蒸汽管道接收蒸汽。本发明通过数据采集和分析,更加科学精确的发现蒸汽压力、温度和流量异常,提前预判水击事故和蒸汽泄漏事故,并经过系统实时监测蒸汽热网的运行情况,节省大量现场测量工作。(The invention discloses a steam heat network operation monitoring and online fault diagnosis system, which comprises a steam heat source, a steam pipeline module, a steam user, a metering device module and a measuring device module, wherein the steam heat source transmits steam to the steam user through the steam pipeline module; the steam pipeline module comprises a steam main pipeline, a steam branch pipeline and a user steam pipeline; the metering device module comprises a main pipeline metering device, a branch pipeline metering device and a user metering device; the measuring device module comprises a field measuring box, a temperature measuring element, an environmental thermometer, an anemometer, a top temperature measuring belt and a vibration sensor; the steam user receives steam through a user steam pipe. According to the invention, through data acquisition and analysis, the abnormality of steam pressure, temperature and flow can be more scientifically and accurately found, water attack accidents and steam leakage accidents can be pre-judged in advance, the operation condition of the steam heat supply network can be monitored in real time through the system, and a large amount of field measurement work can be saved.)
技术领域
本发明涉及集中供热技术领域，具体来说，涉及一种蒸汽热网运行监控和在线故障诊断系统。
背景技术
蒸汽广泛应用于工业生产和城镇供热，用于提供生产工艺和采暖所需的热能，集中供热具有能源利用效率高、节能显著的优势，通过蒸汽热网向用户供应蒸汽。随着供热规模和供热半径的扩大，集中供热管网呈现规模化和长距离化发展趋势，蒸汽热网要面临的重要挑战之一是监控措施有限、故障发现滞后、蒸汽热网的损失度高且缺乏有效诊断手段。
具体体现在以下四个方面：
1）蒸汽热网管网可达数十公里甚至上百公里，其管线长、管理用户多、涉及现场仪表数量大、人工巡检和管理难度极大。例如水击事故、蒸汽泄漏的问题通常在问题发生后或者发生后一段较长时间才能发现，不利于蒸汽热网高效、安全以及稳定运行。
2）蒸汽热网数据采集庞大，人工统计分析效率低下。涉及管理损失分析的散热量数据还需要同步现场测量，以达到更加精确的计算和分析；而现场测量工作通常在统计结果统计后进行，不同步的问题会增加分析不准确风险，而且现场测量工作需要耗费大量人力。
3）现有的分析结果仅代表全部蒸汽热网的结果。例如管网损失度高的问题，准确的说是所有蒸汽管网经统计和计算后综合的结果，不能准确锁定是具体哪一段蒸汽热网异常，以采取更加精准的降低管网损失的措施。
4）现场仪表反馈数据异常。例如某一个温度或压力数据是否偏高，一般通过人为观察判断，跟个人经验关系很大，如不经过仪表校准，易造成难以识别或误判概率较高的问题。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种蒸汽热网运行监控和在线故障诊断系统，能够克服现有技术方法的上述不足。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种蒸汽热网运行监控和在线故障诊断系统，包括蒸汽热源、蒸汽管道模块、蒸汽用户、计量装置模块、测量装置模块，其中，
所述蒸汽热源将蒸汽通过所述蒸汽管道模块传输至蒸汽用户；
所述蒸汽管道模块包括蒸汽主管道、蒸汽分支管道和用户蒸汽管道；
所述计量装置模块包括主管道计量装置、分支管道计量装置和用户计量装置；
所述测量装置模块包括现场测量箱、测温元件、环境温度计、风速计、顶部测温带和振动传感器；
所述蒸汽用户通过用户蒸汽管道接收蒸汽。
进一步地，主管道计量装置安装在蒸汽主管道上游，分支管道计量装置安装在蒸汽分支管道上游，用户计量装置安装在用户蒸汽管道下游。
进一步地，所述蒸汽主管道为蒸汽管道的主管道，蒸汽主管道上游与蒸汽热源衔接，下游与若干条蒸汽分支管道衔接，并通过蒸汽分支管道和用户蒸汽管道输送蒸汽至蒸汽用户。
进一步地，现场测量箱通过通讯无线方式实时上传现场测量数据至监控。
进一步地，所述测温元件均匀分布在蒸汽管道外表面圆周区域，所述环境温度计与风速计均设置于所述测温元件周围1m区域，所述顶部测温带敷设于蒸汽管道顶部，所述振动传感器安装于蒸汽管道底部。
进一步地，所述主管道计量装置、支线管道计量装置和用户计量装置进行实时测量蒸汽热网各管段测点处的蒸汽流量、温度、压力和焓值参数。
进一步地，所述监控进行根据上传的测量数据分析出蒸汽热网管损异常管段的蒸汽流量、压力、温度是否异常、散热测温是否异常、保温破损区域、蒸汽泄露区域以及蒸汽管网积水管段。
本发明的有益效果：通过对蒸汽热网管网的损失进行详细、具体以及精准的分析，包括全局蒸汽热网损失、全部蒸汽分支管道和全部用户蒸汽管道管网损失均进行分析，当分析结果异常时，可精准定位异常位置并进行原因排查，及时改善异常管网，得以实现持续改善管网运行状况并降低全局蒸汽热网损失，实现节约能源的目的；通过采集分析数据，实现更加科学、及时精确的发现蒸汽压力、温度和流量异常，提前预判水击事故和蒸汽泄漏事故；通过实时监测蒸汽热网的运行情况，经过系统分析实时评估运行状况，提前发现并及时处理蒸汽热网运行故障或异常；通过对蒸汽热网管损、能效和管损分析出所需的测量数据，实现同步测量，计算和分析更准确，节省了大量现场测量工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例所述的蒸汽热网运行监控和在线故障诊断系统的系统控制框图。
图2是根据本发明实施例所述的蒸汽热网运行监控和在线故障诊断系统的现场测量系统示意图。
图中：1-1.蒸汽热源、1-2.蒸汽主管道、1-3.蒸汽分支管道、1-4.用户蒸汽管道、1-5.蒸汽用户、2-1.主管道计量装置、2-2.分支管道计量装置、2-3.用户计量装置、3.测量装置模块、3-1.现场测量箱、3-2.测温元件、3-3.环境温度计、3-4.风速计、3-5.顶部测温带、3-6.振动传感器、4.监控。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。
如图1-2所示，根据本发明实施例所述的蒸汽热网运行监控和在线故障诊断系统，包括蒸汽热源1-1、蒸汽管道模块、蒸汽用户1-5、计量装置模块、测量装置模块3。
所述蒸汽热源1-1是将蒸汽通过所述蒸汽管道模块传输供应蒸汽至蒸汽用户1-5；蒸汽用户1-5通过用户蒸汽管道1-4接收蒸汽。
所述蒸汽管道模块包括蒸汽主管道1-2、蒸汽分支管道1-3和用户蒸汽管道1-4；所述蒸汽主管道1-2为蒸汽管道的主管道，蒸汽主管道1-2上游与蒸汽热源1-1衔接，下游与若干条蒸汽分支管道1-3衔接，并通过蒸汽分支管道1-3和用户蒸汽管道1-4输送蒸汽至蒸汽用户1-5；并所述蒸汽管道模块中所有蒸汽管道上都安装有计量装置。
每一种规格的蒸汽主管道1-2、蒸汽分支管道1-3和用户管道1-4均安装有测量装置。例如：有一根DN500蒸汽主管道1-2、2根DN300蒸汽分支管道1-3、1根DN250蒸汽分支管道1-3、3根DN150用户管道1-4、5根DN100用户管道1-4和2根DN80用户管道1-4，有DN500、DN300、DN250、DN150、DN100和DN8合计6种规格管道，并每个管道上均安装有对应的测量装置。
所述计量装置模块包括主管道计量装置2-1、分支管道计量装置2-2和用户计量装置2-3；主管道计量装置2-1安装在蒸汽主管道1-2上游，分支管道计量装置2-2安装在蒸汽分支管道1-3上游，用户计量装置2-3安装在用户蒸汽管道1-4下游。
所述计量装置模块主要作用是测量并上传管道内的蒸汽质量流量、蒸汽压力、蒸汽温度、蒸汽密度、焓值参数以及蒸汽流速等。
所述测量装置模块3包括现场测量箱3-1、测温元件3-2、环境温度计3-3、风速计3-4、顶部测温带3-5和振动传感器3-6；现场测量箱3-1通过通讯无线方式实时上传现场测量数据至监控4；所述测温元件3-2为4个测点，沿蒸汽管道圆周方向均匀分布，测量时4个测点测得的温度均值，为该测量截面的平均温度；所述环境温度计3-3与风速计3-4均设置于所述测温元件3-2周围1m区域；所述顶部测温带3-5敷设于蒸汽管道顶部，所述振动传感器3-6安装于蒸汽管道底部，测量装置模块3可以实时测量测点处的散热损失和振动信号。
所述振动传感器3-6会定期监测管道安装位置的振动信号，所述振动信号监测每小时测量1次，每次测量持续5分钟；所述测温带3-5类似于胶带，并选用黑色耐温绝缘胶带粘贴于蒸汽管道顶部，其发射率0.98，敷设长度取200m。当搭载红外摄像头的无人飞机于夜间巡检蒸汽管道时，可精确的测得敷设有测温带3-5的蒸汽管线顶部温度分布（测温工作均于夜间自动完成，测量设备的电源可以采用带蓄电池的太阳能供电装置）。
所述监控4进行根据上传的测量数据分析出蒸汽热网管损异常管段的蒸汽流量、压力、温度是否异常、散热测温是否异常、保温破损区域、蒸汽泄露区域以及蒸汽管网积水管段；当监控4发现异常后，可提示运营管理人员根据异常原因安排人员排查或维护。
该蒸汽热网运行监控和在线故障诊断系统开始工作时，首先蒸汽热源1-1依次通过蒸汽主管道1-2、蒸汽分支管道1-3和用户蒸汽管道1-4将蒸汽输送至用户5。热源1-1处主管道计量装置2-1与蒸汽管道处分支管道计量装置2-2之间的蒸汽质量流量的差值，为蒸汽主管道1-2的管网损失。蒸汽分支管道1-3处分支管道计量装置2-2和该蒸汽分支管道1-3相应连接的所有用户计量装置2-3的差值，为该蒸汽分支管道1-3和用户蒸汽管道1-4的管网损失。
不同规格的蒸汽主管道1-2、蒸汽分支管道1-3和用户蒸汽管道1-4的管道内径、保温后管道的圆周长和管道长度是已知的。通过现场测量模块的管道外表面平均温度、环境温度和风速测量，可以获得对应规格管道的单位长度散热损失。基于现场测量的不同规格管道的单位长度散热损失和管道长度，可通过监控4计算出理论散热损失和理论管网损失，将整个蒸汽热网或任意一段蒸汽管网的理论损失和实际损失比较，即可判别个蒸汽热网或具体某一段管网的损失是否异常。
当任意一段蒸汽管网经过管道计量装置（主管道计量装置2-1、分支管道计量装置2-2、用户计量装置2-3）测量获得其蒸汽流量，始端蒸汽温度和压力，再结合对应管网现场测量模块测量的理论散热损失数据，可通过监控4计算出管网末端的理论蒸汽温度和压力，通过比较理论值和用户计量装置2-3测量的实际蒸汽流量、蒸汽温度和压力，即可判别用户计量装置2-3的流量、温度和压力测量是否异常。
当任意一段蒸汽管网现场测量模块测量的振动信号，用于判别该段管线是否发生积水现象，当管道内的积水增加到一定量时至发生水击事故前，现场测量模块测量的振动信号经监控4分析后频率特征值会发生变化，以此判别该管道是否运行异常。
当搭载红外摄像头的无人飞机于夜间巡检蒸汽管道时，测温带用于辅助无人飞机测量管道顶部温度，当测温带某一区域顶部温度明显高于或低于该区域前后5米范围内的测温带平均温度，则该区域温度异常，可能原因为该区域蒸汽管道保温破损或者蒸汽泄露。
正常情况下，无人飞机夜间巡检时，当经过蒸汽管网现场测量模块，会对比现场测量模块测温平均值和附近测温带的温度，并将温度作为正常值并上传至监控4存储，当无人机某一次巡检发现两者差值明显高于或低于正常值，则判断数据异常，可能原因为现场测量模块的测温元件3-2故障。若异常，则由监控4发出异常提示，运行管理人员根据异常情况安排人员排查或维护，以实现管损实时监测、分析、精准识别，异常和故障提前预判并及时处理。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过对蒸汽热网管网的损失进行详细、具体以及精准的分析，包括全局蒸汽热网损失、全部蒸汽分支管道和全部用户蒸汽管道管网损失均进行分析，当分析结果异常时，可精准定位异常位置并进行原因排查，及时改善异常管网，得以实现持续改善管网运行状况并降低全局蒸汽热网损失，实现节约能源的目的；通过采集分析数据，实现更加科学、及时精确的发现蒸汽压力、温度和流量异常，提前预判水击事故和蒸汽泄漏事故；通过实时监测蒸汽热网的运行情况，经过系统分析实时评估运行状况，提前发现并及时处理蒸汽热网运行故障或异常；通过对蒸汽热网管损、能效和管损分析出所需的测量数据，实现同步测量，计算和分析更准确，节省了大量现场测量工作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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