張 莉, 張 琰

(1.上海電力學(xué)院, 上海 200090; 2.國核工程有限公司, 上海 200233)

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大型汽輪機(jī)熱力參數(shù)異常測點(diǎn)識別軟件的開發(fā)

張 莉1, 張 琰2

(1.上海電力學(xué)院, 上海 200090; 2.國核工程有限公司, 上海 200233)

考慮電力生產(chǎn)單位的實(shí)際情況,開發(fā)了一種汽輪機(jī)熱力參數(shù)異常識別軟件.該識別軟件具有一定的通用性,可以較好地對機(jī)組負(fù)荷60%以上工況的測點(diǎn)進(jìn)行異常識別,能夠?qū)ψR別出的異常測點(diǎn)進(jìn)行報(bào)警,同時(shí)給出異常測點(diǎn)的建議值.

大型汽輪機(jī); 熱力參數(shù); 測點(diǎn); 異常識別; 軟件

超超臨界機(jī)組發(fā)電技術(shù)作為一種效率高、單機(jī)容量大、可靠性好、環(huán)保指標(biāo)先進(jìn)的新型發(fā)電技術(shù),已經(jīng)越來越受到世界各國的關(guān)注,我國也是如此.然而隨著工作蒸汽參數(shù)的大幅度提高,機(jī)組主要設(shè)備面臨的安全性和經(jīng)濟(jì)性挑戰(zhàn)也更加嚴(yán)峻.[1-2]尤其是汽輪機(jī),其高溫部件在變工況運(yùn)行時(shí)須承受更大的熱應(yīng)力和各種侵蝕損傷,從而影響機(jī)組的安全運(yùn)行和壽命.因此,開展超超臨界汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性診斷、變工況熱應(yīng)力分析及壽命預(yù)測等工作就顯得十分必要.而這些工作的展開,都要以獲得準(zhǔn)確的機(jī)組結(jié)構(gòu)和熱力參數(shù)數(shù)據(jù)作為前提和基礎(chǔ).

目前,電力生產(chǎn)單位普遍采用集散控制系統(tǒng)(DCS)來實(shí)現(xiàn)機(jī)組的數(shù)據(jù)采集工作.然而DCS系統(tǒng)本身的抗干擾、硬件故障等問題以及數(shù)據(jù)傳輸過程中的失真問題使得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性難以保證.[3]這會(huì)直接導(dǎo)致后續(xù)的應(yīng)力分析和壽命診斷工作出現(xiàn)錯(cuò)誤,影響機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,甚至出現(xiàn)事故.因此,對汽輪機(jī)變工況運(yùn)行中的主要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,對機(jī)組DCS系統(tǒng)采集到的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別,以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常測點(diǎn)并采取相應(yīng)對策,保證應(yīng)力計(jì)算和經(jīng)濟(jì)性分析的準(zhǔn)確性,進(jìn)而保證機(jī)組在安全、經(jīng)濟(jì)的工況下運(yùn)行,具有重要的意義.

本文將考慮電力生產(chǎn)單位的實(shí)際情況,開發(fā)一種汽輪機(jī)熱力參數(shù)異常識別軟件.該軟件能夠?qū)ψR別出的異常測點(diǎn)進(jìn)行報(bào)警,提醒運(yùn)行控制人員及時(shí)進(jìn)行處理,同時(shí)給出異常測點(diǎn)的建議值,從而為汽輪機(jī)部件熱應(yīng)力分析與壽命診斷、汽輪機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性研究等工作提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 識別方案原理

在一定的已知條件下,通過在汽輪機(jī)內(nèi)展開熱力計(jì)算[4-5]實(shí)現(xiàn)測點(diǎn)異常的識別,識別過程如下:根據(jù)汽輪機(jī)額定工況的參數(shù)計(jì)算得到蒸汽熱力過程線,依次選取各抽汽點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)為基準(zhǔn),通過蒸汽熱力膨脹過程線的平推,計(jì)算其余抽汽口的狀態(tài)參數(shù),得到若干組抽汽點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)的計(jì)算值,將抽汽點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)計(jì)算值與就地儀表顯示的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對照,識別是否存在異常測點(diǎn).

由于在未進(jìn)行識別前,無法確定抽汽點(diǎn)蒸汽參數(shù)是否正確,不適宜展開以抽汽點(diǎn)蒸汽參數(shù)為基礎(chǔ)的考慮汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)熱平衡的汽水流量計(jì)算.根據(jù)汽輪機(jī)原理知識,識別計(jì)算可利用弗留格爾公式,假定變工況下汽輪機(jī)各級組前(后)壓力和額定工況下相應(yīng)級組前(后)壓力的比值與變工況和額定工況時(shí)的各級組蒸汽流量比值近似相等,進(jìn)而借此確定汽輪機(jī)每一級組前(即各抽汽點(diǎn))或級前的蒸汽壓力.此外,盡管汽輪機(jī)在工況發(fā)生變化時(shí),各級組或各級內(nèi)蒸汽的工作過程也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化,但由汽輪機(jī)原理知識可知,凝汽式汽輪機(jī)在負(fù)荷變化時(shí),除調(diào)節(jié)級和末級之外,各中間壓力級組或壓力級,若忽略級組或級前蒸汽溫度的變化,則級組或級的內(nèi)效率基本不變,即變工況時(shí)各級組或級的熱力過程線可以由額定工況下的熱力過程線逐級類推獲得,這一規(guī)律大大簡化了級組或級前蒸汽狀態(tài)參數(shù)的確定過程.

2 識別條件分類

根據(jù)上述的識別原理,和機(jī)組汽輪機(jī)運(yùn)行時(shí)電廠能夠獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的詳細(xì)程度,將識別條件分為以下兩類:

(1) 已知機(jī)組功率,主蒸汽狀態(tài)參數(shù),調(diào)節(jié)級汽室蒸汽狀態(tài)參數(shù),主蒸汽流量,末級排汽壓力或凝汽器壓力,各抽汽點(diǎn)狀態(tài)參數(shù),額定工況下各抽汽點(diǎn)的抽汽量;

(2) 已知機(jī)組功率,主蒸汽狀態(tài)參數(shù),調(diào)節(jié)級汽室蒸汽狀態(tài)參數(shù),主蒸汽流量,末級排汽壓力或凝汽器壓力,額定工況下各抽汽點(diǎn)的抽汽量,額定工況下各級前(后)蒸汽狀態(tài)參數(shù).

兩類識別條件分別對應(yīng)兩種不同的識別程序,即簡化計(jì)算識別和詳細(xì)計(jì)算識別.

3 兩種識別程序的計(jì)算方法

3.1 簡化計(jì)算識別方案的識別步驟

汽輪機(jī)以抽汽口為分界點(diǎn),將汽輪機(jī)劃分為若干級組,依次選取過熱蒸汽區(qū)的各個(gè)抽汽口作為基準(zhǔn)點(diǎn),經(jīng)過計(jì)算得到若干組抽汽狀態(tài)參數(shù);通過各組相應(yīng)抽汽點(diǎn)的比較,確定是否具有異常測點(diǎn)并判別出異常測點(diǎn)的位置,實(shí)現(xiàn)報(bào)警.識別步驟如下.

步驟1 假定變工況下汽輪機(jī)各級組前(后)壓力和額定工況下相應(yīng)級組前(后)壓力的比值與變工況和額定工況時(shí)的各級組蒸汽流量比值相等,選取某一抽汽口為基準(zhǔn)點(diǎn),計(jì)算出變工況下的流量比,作為應(yīng)用弗留格爾公式計(jì)算級前壓力的基礎(chǔ).

步驟2 由額定工況下各級組前、后的熱力參數(shù),計(jì)算出額定工況下各級組的內(nèi)效率,作為后續(xù)計(jì)算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

步驟3 將汽輪機(jī)的所有壓力級視為一個(gè)級組,以汽輪機(jī)的排汽壓力為背壓,利用弗留格爾公式及前期計(jì)算出的流量比計(jì)算出變工況下各級組前,即各抽汽點(diǎn)的蒸汽壓力.

步驟4 以選定的基準(zhǔn)點(diǎn)為起點(diǎn),向前、后分別類推額定工況下各級組的熱力過程線,過程線與各級組壓力線的交點(diǎn),即為各抽汽口的狀態(tài)點(diǎn),由該點(diǎn)便可確定各抽汽點(diǎn)的溫度.

步驟5 分別以各抽汽點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn),重復(fù)上述步驟,得到一系列抽汽口的狀態(tài)參數(shù).將相應(yīng)抽汽口的狀態(tài)參數(shù)相互比較,相對誤差超過所設(shè)定的誤差限的測點(diǎn)即為判別出的異常測點(diǎn).誤差限的確定詳見文獻(xiàn)[6].

3.2 詳細(xì)計(jì)算識別方案的識別步驟

詳細(xì)計(jì)算識別方案的原理和具體的識別步驟與簡化計(jì)算識別方案沒有本質(zhì)區(qū)別,只是由于已知額定工況下各級前(后)的蒸汽參數(shù),可以逐級計(jì)算出級內(nèi)效率.在變工況計(jì)算時(shí),亦可以用逐級平推熱力過程線來代替簡化識別方案中的以抽汽點(diǎn)為分界平推各級組過程線的方法.

具體思路如下:選取工質(zhì)狀態(tài)位于過熱蒸汽區(qū)的某一抽汽口作為基準(zhǔn)點(diǎn),由弗留格爾公式計(jì)算出變工況時(shí)該級的流量比,并以此流量比作為定值應(yīng)用于其他所有級;利用弗留格爾公式依次計(jì)算出其他各級前(后)的蒸汽壓力;以該基準(zhǔn)點(diǎn)作為計(jì)算起點(diǎn),以級為單位,在各級內(nèi)平推額定工況下的蒸汽過程線得到變工況下級內(nèi)的熱力過程線,確定各級前(后)的蒸汽溫度,即確定了各級前(后)的蒸汽狀態(tài)參數(shù),當(dāng)然也包括各抽汽點(diǎn)的蒸汽狀態(tài)參數(shù).依次選取過熱蒸汽區(qū)的各個(gè)抽汽口作為基準(zhǔn)點(diǎn),經(jīng)過計(jì)算得到若干組抽汽點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù);通過各組抽汽點(diǎn)參數(shù)的計(jì)算值及其現(xiàn)場數(shù)據(jù)間的比較,確定是否具有異常測點(diǎn),并判別出異常測點(diǎn)的位置,實(shí)現(xiàn)報(bào)警.識別步驟參見簡化計(jì)算識別方案的識別步驟.

4 識別軟件的設(shè)計(jì)

4.1 編程語言

識別軟件的編寫選擇Visual Basic作為軟件系統(tǒng)的編程語言.之所以選擇VB語言編寫識別軟件是因?yàn)?

(1) VB語言功能強(qiáng)大,容易掌握;

(2) VB是一個(gè)開放、靈活的開發(fā)平臺,可以用多種不同的方法來擴(kuò)充VB的功能,包括第三方定制控件、OLE(對象的鏈接和嵌入)、服務(wù)器及DLL(動(dòng)態(tài)鏈接庫);

(3) 多數(shù)電廠目前所使用的監(jiān)測、計(jì)算軟件的源代碼都是使用匯編語言編制的,用VB語言編制的軟件可以很好地與其他軟件實(shí)現(xiàn)對接.本軟件的開發(fā)中用到了DLL以實(shí)現(xiàn)一些關(guān)鍵功能.

4.2 水和水蒸汽熱力性質(zhì)函數(shù)庫

汽輪機(jī)內(nèi)蒸汽參數(shù)的計(jì)算中需要確定多處工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù),本文編制的“大型汽輪機(jī)熱力參數(shù)異常測點(diǎn)識別軟件”中水和水蒸汽的狀態(tài)參數(shù)的確定使用VB的動(dòng)態(tài)鏈接庫(DLL)功能實(shí)現(xiàn)對《IAPWS-IF97/IFC67水和蒸汽性質(zhì)計(jì)算程序》的調(diào)用,所調(diào)用的“水和水蒸汽熱力性質(zhì)函數(shù)庫”系上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院楊宇高工編制的 《IAPWS-IF97/IFC67水和蒸汽性質(zhì)計(jì)算程序》.

4.3 軟件介紹

4.3.1 軟件功能

采用VB 6.0對汽輪機(jī)異常測點(diǎn)識別的方案進(jìn)行了可視化編程,用戶可以根據(jù)對汽輪機(jī)額定工況下原始數(shù)據(jù)的掌握情況選擇合適的程序進(jìn)行異常測點(diǎn)的識別.異常測點(diǎn)的識別及報(bào)警結(jié)果可以在軟件界面上直接輸出.出于使軟件界面簡單明了的目的,變工況的具體計(jì)算結(jié)果沒有在界面上直接輸出,而是選擇直接輸出到Microsoft Excel表格中,供用戶查詢、后續(xù)處理、打印使用.

4.3.2 界面介紹

軟件界面以窗口形式展現(xiàn),分為歡迎界面、操作和顯示界面,具體如圖1和圖2所示.

(1) 歡迎界面 歡迎界面為用戶打開本應(yīng)用程序后顯示的初始界面.界面分為兩部分:一是軟件名稱“大型汽輪機(jī)熱力參數(shù)異常測點(diǎn)識別軟件”;二是操作按鈕“進(jìn)入”、“關(guān)于”、“退出”.用戶單擊不同的按鈕可進(jìn)行相應(yīng)的操作.

圖1 軟件的歡迎界面

(2) 程序選擇區(qū) 程序選擇區(qū)包括“簡化計(jì)算識別”和“詳細(xì)計(jì)算識別”兩個(gè)單選框.選擇不同的單選框?qū)⒏鶕?jù)不同的計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算并顯示結(jié)果.

(3) 界面操作區(qū) 界面操作區(qū)包括“運(yùn)行”、“報(bào)警”、“返回”按鈕,點(diǎn)擊“運(yùn)行”程序?qū)⑦M(jìn)行變工況計(jì)算;點(diǎn)擊“報(bào)警”將顯示測點(diǎn)的判別結(jié)果;點(diǎn)擊“返回”將退回到歡迎界面.

(4) 數(shù)據(jù)輸入及結(jié)果顯示區(qū) 本區(qū)用于交替顯示“數(shù)據(jù)輸入框”、“結(jié)果顯示框”.“數(shù)據(jù)輸入框”用于已知數(shù)據(jù)的輸入,根據(jù)不同程序分為兩套輸入界面;“結(jié)果顯示框”用于顯示對測點(diǎn)數(shù)據(jù)的判別及報(bào)警結(jié)果.

圖2 軟件的操作和顯示界面

4.3.3 識程序選擇與參數(shù)輸入

大型汽輪機(jī)異常測點(diǎn)識別軟件包括簡化計(jì)算識別和詳細(xì)計(jì)算識別兩套計(jì)算程序.用戶可根據(jù)已知條件的詳細(xì)程度,在程序選擇區(qū)選擇相應(yīng)的程序單選按鈕,即可進(jìn)入相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入面板.圖3和圖4分別為簡化計(jì)算識別和詳細(xì)計(jì)算識別所需參數(shù)的輸入界面.在輸入界面上按照提示輸入計(jì)算的原始數(shù)據(jù)即可.

圖3 簡化計(jì)算識別的參數(shù)輸入界面

圖4 詳細(xì)計(jì)算識別的參數(shù)輸入界面

4.3.4 輸入數(shù)據(jù)的異常判斷

“詳細(xì)計(jì)算識別”程序中涉及的原始數(shù)據(jù)較多,在數(shù)據(jù)的輸入過程中有可能會(huì)出現(xiàn)一些錯(cuò)誤,這將直接導(dǎo)致異常測點(diǎn)判別的失敗.輸入錯(cuò)誤數(shù)據(jù)造成的結(jié)果常為系統(tǒng)熱力過程出現(xiàn)熵減,低壓缸進(jìn)口出現(xiàn)濕蒸汽等.為避免此類情況出現(xiàn),程序中設(shè)置了預(yù)報(bào)警系統(tǒng),以方便用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤,予以糾正.

4.4 計(jì)算及結(jié)果顯示

當(dāng)用戶選擇了識別程序并輸入了原始數(shù)據(jù)之后,點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕即可進(jìn)行汽輪機(jī)變工況的計(jì)算.計(jì)算結(jié)束將出現(xiàn)提示對話框,點(diǎn)擊“確定”即可進(jìn)一步查看測點(diǎn)的判別結(jié)果,如圖5所示.

圖5 計(jì)算結(jié)束的顯示界面

如前所述,為使軟件輸出界面簡單明了,變工況計(jì)算程序的結(jié)果將不會(huì)在軟件界面中直接輸出,而是會(huì)輸出到Microsoft Excel表格中,供用戶查詢、后續(xù)處理數(shù)據(jù)、打印等.Microsoft Excel軟件具備直觀的界面、出色的計(jì)算功能和強(qiáng)大的圖表工具,是一款功能強(qiáng)大的常用數(shù)據(jù)處理軟件;同時(shí),Excel中處理的數(shù)據(jù)還可以方便地被其他軟件調(diào)用.

計(jì)算過程結(jié)束后,點(diǎn)擊“報(bào)警”按鈕將會(huì)顯示測點(diǎn)的判別結(jié)果.如果有異常測點(diǎn),則顯示對話框用以報(bào)告異常測點(diǎn)的位置,并給出異常測點(diǎn)的建議值;如果沒有異常測點(diǎn),則顯示對話框報(bào)告所有測點(diǎn)數(shù)據(jù)正常.

4.5 適用對象

筆者以某300 MW中間再熱冷凝式汽輪機(jī)組數(shù)據(jù)為例,完成了軟件的編寫、調(diào)試工作.該機(jī)組汽輪機(jī)分為高、中、低壓缸,共有1個(gè)調(diào)節(jié)級和若干壓力級,回?zé)嵯到y(tǒng)按照3個(gè)高壓加熱器、4個(gè)低壓加熱器和一個(gè)除氧器進(jìn)行布置.1段和2段抽汽來自于高壓缸,分別進(jìn)入1#和2#高壓加熱器,第2段抽汽來自于高壓缸出口;3段和4段抽汽來自于中壓缸,分別進(jìn)入3#高壓加熱器和除氧器,第4段抽汽來自于中壓缸出口;5段,6段,7段,8段抽汽均來自于低壓缸,分別進(jìn)入5#，6#，7#，8#低壓加熱器.

盡管本軟件是以某機(jī)組的數(shù)據(jù)進(jìn)行的編寫和調(diào)試工作,但在軟件編制過程中考慮到了同類型機(jī)組的微小差異,諸如汽輪機(jī)級數(shù)、抽汽級數(shù)、抽汽口位置等,軟件對這些差異進(jìn)行了處理,實(shí)現(xiàn)了軟件一定的通用性,即凡與上述汽輪機(jī)及其回?zé)嵯到y(tǒng)布置形式雷同的機(jī)組均可使用本軟件進(jìn)行熱力參數(shù)的異常識別.

5 識別軟件的檢驗(yàn)

首先,將額定工況當(dāng)作變工況的一個(gè)特例來檢驗(yàn)程序編寫的正確性.以額定工況任意監(jiān)測位置處的測點(diǎn)為基準(zhǔn),取該基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)計(jì)參數(shù)展開計(jì)算,得到的其他監(jiān)測點(diǎn)的計(jì)算值均與額定工況的設(shè)計(jì)參數(shù)完全吻合,表明識別軟件沒有邏輯性錯(cuò)誤和語句書寫上的錯(cuò)誤.

其次,通過對測點(diǎn)進(jìn)行人為地異常處理來檢驗(yàn)軟件的識別能力和報(bào)警功能.研究工作對研究對象80%和60%兩個(gè)工況下單個(gè)測點(diǎn)異常和多個(gè)測點(diǎn)異常均進(jìn)行了檢驗(yàn),識別結(jié)果顯示識別軟件能夠很好地識別出異常點(diǎn).另外,研究工作表明,對于低于40%的工況識別不甚理想,分析原因是因?yàn)樵诘拓?fù)荷工況下,汽輪機(jī)內(nèi)的蒸汽工作過程偏離了滿足本軟件開發(fā)基于的弗留格爾公式,所以不建議機(jī)組在較低負(fù)荷情況下使用該軟件.

需要說明的是,由于篇幅原因,論文中沒有給出識別軟件檢驗(yàn)的識別結(jié)果,該結(jié)果的詳細(xì)信息可詳見文獻(xiàn)[7].

6 結(jié) 論

(1) 本文編寫的識別軟件具有一定的通用性,可以較好地對機(jī)組負(fù)荷為60%以上工況的測點(diǎn)進(jìn)行異常識別,基本能夠滿足工程需要;

(2) 本文利用汽輪機(jī)通常能夠提供的計(jì)算條件實(shí)現(xiàn)了汽輪機(jī)熱力參數(shù)的異常識別,保證了大型火電機(jī)組汽輪機(jī)應(yīng)力分析、壽命管理以及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析等工作所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的正確問題.

[1] 史進(jìn)淵,楊宇,孫慶,等.超超臨界汽輪機(jī)部件冷卻技術(shù)的研究[J].動(dòng)力工程,2003,23(6):2 735-2 739.

[2] 毛雪平,王罡,馬志勇,等.超超臨界汽輪機(jī)機(jī)組發(fā)展?fàn)顩r[J].現(xiàn)代電力,2005,22(1):70-73.

[3] 蔣尋寒,曹祖慶．汽輪機(jī)常規(guī)熱力試驗(yàn)和性能監(jiān)測中的儀表問題[J]．發(fā)電設(shè)備,2009(5):342-346.

[4] 李維特,黃保海.汽輪機(jī)變工況熱力計(jì)算[M].北京:中國電力出版社，2001:35-38.

[5] 曹祖慶.汽輪機(jī)變工況特性[M].北京:水利電力出版杜，1991:27-53.

[6] 張莉,張琰.大型汽輪機(jī)熱力參數(shù)異常測點(diǎn)識別的方法研究[J]．汽輪機(jī)技術(shù),2015,57(3):213-216.

[7] 張琰.大型汽輪機(jī)熱力參數(shù)異常測點(diǎn)識別方法研究及軟件開發(fā)[D]．上海:上海電力學(xué)院,2012.

(編輯 桂金星)

Development of Abnormal Identifying Software of Steam Thermal Parameters at Measuring Points on Large Steam Turbine

ZHANG Li1, ZHANG Yan2

(1.ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China; 2.StateNuclearPowerEngineeringCompanyLtd.,Shanghai200233,China)

Considering the actual situation of power production units,an abnormal identifying software of steam thermal parameters is developed.The software has certain universality.It can identify the abnormal steam thermal parameters at the measuring points on more than 60% load.It can alarm for the abnormal measuring points,and it can give the suggested value of the abnormal measuring points.

high-power turbine; thermal parameters; measuring points; abnormality recognition; software

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.05.003

2015-03-23

簡介：張莉(1973-),女,博士,教授,河南商丘人.主要研究方向?yàn)闊崃υO(shè)備的性能分析和數(shù)值模擬. E-mail:mmlzhang@163.com.

TK26; TP311.52

A

1006-4729(2016)05-0422-06