基于压力-温度特性的智能型疏水阀研发
作者 | 米博，刘民，薛脉雄，魏红，苏永琴，刘云峰
摘要：针对传统自力式蒸汽疏水阀结构复杂、运行状态监测困难、故障率高、蒸汽易漏、维护不便等问题，依托发明专利，研发了一种基于压力-温度特性的智能型疏水阀。该阀采用钵型稳流阀体、快拆式过滤网与温度、压力传感器集成式阀盖、PLC一体化控制单元，通过实时采集阀腔介质温度与压力信号，经逻辑运算判别介质相态，自动驱动能动阀精准启闭，实现阻汽排水、远程监控与自动预警，确保蒸汽零泄漏。试验表明：该疏水阀公称压力2.5 MPa，工作压差≤1.0 MPa，最大凝结水排量10 t/h，蒸汽泄漏率为0，可接入DCS或通过无线通讯实现远程管控，为推动疏水阀节能化与智能化发展奠定了基础。
关键词： 智能型疏水阀；压力-温度特性；介质相态；远程监控；蒸汽节能
基金项目： 中央引导地方科技发展资金项目（24ZYQL002）；平凉市崆峒区省级均衡性转移支付强科技奖补资金科技计划项目(PL-KT-2023A-001)；平凉市科技计划项目（PL-STK-2023A-063）；平凉市崆峒区科技计划项目(PL-KT-2024-001)
1 概述
蒸汽疏水阀是蒸汽供热与工业换热系统的核心设备，其功能为自动排除凝结水、阻止蒸汽泄漏、维持系统热效率。传统疏水阀主要采用机械重力、热静力、热动力等工作原理，依靠被动感知实现启闭，存在状态不可监测、启闭不可控、易发生气锁与汽阻、维护成本高、蒸汽泄漏率高等问题。随着工业数字化与节能要求提升，蒸汽系统向高效化、智能化、可视化方向发展，传统疏水阀难以满足无人值守、远程集中管控与高精度节能要求。
目前，蒸汽疏水阀依然停留在以自力式运行的传统产品阶段，针对疏水阀所存在的问题，国内外仅仅依靠温度及声波在在线监测方面做了相应的工作。刘广杰利用WZP-230型号PT100铂电阻温度传感器作为监测装置，监测疏水阀进出口温度，进而判断疏水阀的运行状态。马军衡等开发了基于无线Zig Bee技术的电厂疏水阀门内漏在线监测系统。利用传热原理，建立了电厂阀门泄漏量定量计算方法，实现了疏水阀前、后温度无线数据采集。Faria J R C等提出了一种无源无线分体式智能传感器，通过检测疏水阀进出口温差实现泄漏与堵塞故障实时诊断，利用管道温差发电自供电，结合NFC+Wire lessHART通信，实现防爆环境下长期无人值守的智能监测。张卫斌等通过研究阀后管道与阀后工质之间的换热机理，结合阀后温降数据建立阀后温降混合模型，为疏水阀门提供关闭状态下的理想温降曲线，作为阀门状态的评判依据。Kim C等提出了一种融合统计时间序列特征与Transformer编码器-解码器的蒸汽疏水阀故障诊断方法。展元针对火电厂疏水阀泄漏检测难题，以阀后温度为核心数据，结合有限状态机实现阀门状态智能判别，融合机理与多类数据驱动方法建立阀后温降预测模型，通过对比实际与理想温降实现泄漏在线检测。陈帅等针对圆盘式蒸汽疏水阀蒸汽泄漏问题，通过热力分析，在出口处加装压力触发式报警装置，实现泄漏自动监测与发声报警。史振中等利用排潮孔温度、管道压力、疏水阀出口温度等指标，基于物联网构建蒸汽管网监测系统。Iranpour M等提出红外热成像融合模糊推理的智能诊断法，无需测温与专家判读，自动分级识别蒸汽疏水阀泄漏故障。Yağcıoğlu M等提出基于红外热成像与进出口温差对比的VC-TCI可解释规则检测框架，通过阀体内对称ROI与高分位热强度实现蒸汽疏水阀泄漏判别。殷少晗等提出了一种基于改进粒子群混合优化与类条件分块Nyström核支持向量机（IPSO-CNBSVM）的蒸汽疏水阀内漏诊断模型，该模型诊断精度高，对噪声的鲁棒性更强。Anwar M设计了基于声振融合的嵌入式自主监测系统，采用压电麦克风与加速度计采集信号，通过PSoC实现滤波与FFT分析，可自动识别蒸汽疏水阀泄漏与堵塞故障。刘金伟基于蒸汽疏水阀的内漏声学特性，对内漏声发射信号进行改进小波包降噪处理，结合Lighthill声学理论及马大猷声功率相关定律建立了可靠的阀门内漏状态预测模型，实现了对阀门内漏状态的准确预测。Olama M M等基于管道声学振动的频谱能量特征法，通过能量特征与流量的二次关系实现蒸汽流量估算，为蒸汽管网节能与实时诊断提供低成本无线监测方案。Bandes A介绍了超声波状态监测技术，该技术可非侵入、快速、早期识别蒸汽泄漏等问题。Wu X L等，钱建康等，王秋领，蔡志广均利用温度+超声波组合的方式，对蒸汽疏水阀的泄漏进行在线监测。以上研究虽然在蒸汽疏水阀监测方面取得了不菲的成绩，但是仍然没有脱离自力式传统疏水阀的范畴，因此本文依托发明专利技术，提出一种基于压力-温度耦合特性的智能疏水阀设计方案，以数字化主动控制替代传统被动感知，实现介质相态精准判别、阀门智能启闭、运行状态远程可视与快速维护，为流体机械领域蒸汽节能装备升级提供技术支撑。
2 总体结构与关键部件设计
2.1 总体方案
智能疏水阀采用模块化集成结构，由阀体组件、阀盖组件、过滤网组件、控制盒组件4部分组成，如图1所示。以温度变送器、压力变送器为感知单元，PLC一体机为控制核心，能动阀为执行机构，通过压力-温度双参数逻辑判决实现自动阻汽排水。整体结构紧凑、安装便捷、维护简单，适用于工业蒸汽管网与换热设备疏水工况。
图1 智能疏水阀外形图
2.2 关键部件设计
（1）阀体组件采用钵型结构，底部侧面设排污堵头，上部与阀盖通过螺柱密封连接。钵型腔体可实现介质稳流与汽液分离，提升信号传输的稳定性，为介质相态判别提供可靠的流场条件。
（2）阀盖侧壁设对称接管与法兰，顶面集成温度变送器、压力变送器、过滤网组件、能动阀与控制器，实现过滤-感知-执行一体化布局。阀盖组件如图2所示。
(a)
(b)
(a)阀盖俯视图 (b)阀盖主视图
图2 阀盖组件示意图
（3）过滤网组件安装于阀盖入口侧，由滤网堵头、滤网骨架、外衬网组成，可拦截管道内微小杂质，保护阀内精密构件；滤网堵头外置于阀盖顶部，可实现在线快速拆卸清洗。
（4）控制盒组件由PLC一体机、控制盒与支架构成，支架固定于阀盖，一体机置于防水防爆的控制盒内，完成信号采集、逻辑运算、指令输出与通讯交互，支持就地显示与远程传输。
3 工作原理与智能控制方法
3.1 压力-温度相态判别原理
基于蒸汽与凝结水的压力-温度特性差异，温度、压力传感器实时采集温度T、压力P信号，一体机将采集的信号与饱和温度数据库（IAPWS-IF97）进行对比运算，判定介质相态：判定为凝结水则驱动能动阀开启排水；判定为蒸汽则驱动能动阀关闭阻汽，从原理上实现蒸汽零泄漏，克服传统疏水阀被动启闭的缺陷。
3.2 智能控制动作流程
如下图3所示，智能疏水阀的运行分为4个阶段循环执行：（1）初始状态：阀内为空气，能动阀保持关闭；（2）初始入液状态：凝结水流入，完成气水置换，此时压力传感器测得压力为P1，对应饱和温度T1，而温度传感器测得流体温度T2等于T1，一体机判定该介质为饱和蒸汽，能动阀保持关闭；（3）排水状态：当凝结水积聚达标，此时压力传感器测得压力依然为P1，而温度传感器测得流体温度T2小于T1（设置开发过冷度为3 ℃，即T1-T2=5 ℃），一体机判定介质为过冷凝结水，能动阀开启排水；（4）运行入液状态：随着液位下降，蒸汽随之填充，压力先降后升，最后恢复至P1，对应饱和温度也随之升高，鉴于温度变化较慢，可设置关阀过冷度（如2 ℃），确保阀门及时关闭，防止蒸汽泄漏，即温度升高至T3（T1-T3=2 ℃），此时一体机判定该介质为蒸汽，控制能动阀关闭，进入下一循环。
(a)初始状态 (b)初始入液状态 (c)排水状态 (d)运行入液状
图3 智能化疏水阀运行过程
3.3 智能控制形式
支持有线通讯接入DCS集中控制，亦可接入Wi-Fi/移动数据实现无线远程监控；支持就地/远程强制开阀，如下图4所示；可按工况自定义启闭阈值，具备故障自诊断与异常报警能力。
(a)有线通信模式 (b)无线通信模式
图4 智能化疏水阀通信模式
4 性能指标与试验结果
4.1 主要技术参数
智能化疏水阀主要技术参数如表1所示。
表1 主要技术参数
4.2 性能优势
相比传统蒸汽疏水阀，基于压力-温度特性的智能型疏水阀具有明显的优势。（1）判别精准：双参数耦合判决，不受压力波动与滞后影响；（2）零蒸汽泄漏：主动关阀阻汽，良好的汽水分离和水封结构设计，全程无漏汽；（3）关闭可靠：由先导式能动阀执行启闭，动作迅速，寿命长；（4）状态可视可控：就地/远程实时监测与操作；（5）维护便捷：滤网快拆，无需解体检修；（6）适应性强：参数可设，适配多工况；（7）系统管理：多机联网+厂家后台值守，全生命周期监控。
4.3 试验结果
公司依靠8.0 MPa型式试验装置（如图5），按照GB/T 12251-2005《蒸汽疏水阀试验方法》对该智能化疏水阀的性能进行试验，该智能化疏水阀在试验中表现出卓越的性能：
(a)
(b)
(a)型式试验装置全貌 (b)型式试验装置控制平台
图5 型式试验装置
（1）将装配好的智能蒸汽疏水阀按1.5倍公称压力即3.75 MPa进行水压试验，持续时间60 s，壳体无渗漏，内件无残留变形。
（2）按照标准方法（如图6所示）将0.5 MPa饱和蒸汽通入阀内，温、压传感器检测温度为151 ℃，压力为0.5 MPa，一体机判定此时相态为蒸汽，能动阀处于关闭状态，阀后未观察到蒸汽泄漏；再通入一定负荷的热凝结水，此时，温度传感器采集到的温度小于151 ℃，一体机判定相态为凝结水，进而控制能动阀开启，凝结水排出；当凝结水排出的同时蒸汽随之填充阀腔空间，压力、温度重新恢复，一体机判定腔体介质为蒸汽，随之控制能动阀关闭。重复以上动作3次，整个过程顺畅无卡阻，监测与控制准确无滞后。
图6 动作试验装置示意图
（3）按照标准规定的试验方法，根据图7所示实验装置，关闭阀门5，开启阀门6，测试该智能疏水阀的无负荷漏汽率，测得该智能疏水阀的无负荷漏汽率为0。
（4）根据图7所示试验装置，在进口压力0.5 MPa的工作压力下，调节阀门5，向疏水阀内引入负荷率为（6±3）%的热凝结水，同时打开阀门6送入饱和蒸汽，将通过疏水阀的介质排入后端的计量桶内，然后计算漏气量，发现其有负荷漏气量为0.3%<3%，符合标准要求。
图7 漏汽量试验装置示意图
4.4 社会经济价值
该智能疏水阀可广泛应用于核电、冶金、石油、化工、医药、食品、纺织等行业的蒸汽输配系统、换热器、蒸汽设备等疏水场景，尤其适用于连续生产、无人值守、远程集中监控的工业现场。与传统疏水阀相比，产品可精准疏水，大幅减少蒸汽泄漏与无效热损失，单台设备每年可节约蒸汽能耗10%~20%，显著降低企业成本；同时依靠智能监测、故障自诊断、远程运维功能，可减少现场巡检频次，降低人工维护成本，延长设备使用寿命，降低非计划停机风险，提升生产连续性与经济效益。该项目成果推动疏水阀从机械被动式向智能主动式升级，带动流体机械装备向节能化、智能化、数字化转型，提升我国高端阀门自主可控能力。
5 结语
文章针对传统蒸汽疏水阀所出现的问题，研发了一种基于压力-温度双参数耦合识别的智能型疏水阀，具体优势如下：
（1）通过压力、温度双参数识别实现介质相态精准判别，解决了传统机械疏水阀依靠浮子被动感知液位的问题。
（2）采用钵型稳流阀体、集成式阀盖与一体化控制结构，实现蒸汽零泄漏、远程监控与便捷维护。
（3）阀门性能稳定、参数匹配合理，适用于2.5 MPa等级蒸汽系统，最大排水量10 t/h，具备良好的工业推广前景。
（4）该智能型疏水阀为蒸汽疏水系统提供了新的智能化解决方案，推动了流体机械领域智能化与数字化水平提升。
今后的工作中，将持续研发高温高压传感器与执行部件，提高产品对严苛工况的适应性，同时对温度、压力传感器进一步研发设计，使其合二为一，以精简结构，降低成本。
*本文节选自《阀门 · 学术版》2026年第6期，文章内容不代表《阀门》立场，如有不同观点，可以留言讨论，友好交流，共同进步。