楊 嶺,孟祥松,朱 艷,景海增,賈瑞雪

(1.大港油田對(duì)外合作項(xiàng)目部,天津 300280) (2.上海數(shù)映科技有限公司,上海 201702)

1 引 言

隨著火電機(jī)組裝機(jī)容量不斷增加,高參數(shù)和大容量逐漸成為高壓加熱器未來(lái)的發(fā)展方向[1],火電機(jī)組的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,且在電廠中各個(gè)火電機(jī)組之間都存在聯(lián)系,人們?cè)诖吮尘跋聦?duì)電廠的安全性提出了較高的要求?；?zé)嵯到y(tǒng)在汽輪機(jī)熱力系統(tǒng)工作過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用[2]。機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中的安全性和熱經(jīng)濟(jì)性直接受高壓加熱器運(yùn)行狀態(tài)的影響。計(jì)算高壓加熱系統(tǒng)的故障率,監(jiān)視高壓加熱系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),是保障機(jī)組安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。

余興剛[3]等人采用弗留格爾公式結(jié)合高壓加熱器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)建立功率變工況計(jì)算模型,在異常工況下和疏水閥泄露工況下利用該模型計(jì)算高壓加熱器的耗熱率,以此為依據(jù)獲取高壓加熱器的故障率,但該方法忽視了溫度檢測(cè)。龐占洲[4]等人通過(guò)負(fù)荷分段方式獲得高壓加熱器的運(yùn)行數(shù)據(jù),采用最小二乘方法擬合處理上述運(yùn)行數(shù)據(jù),構(gòu)建多變量回歸模型,利用多變量回歸模型計(jì)算高壓加熱器的故障率,該方法檢測(cè)到的給水壓力和給水流量誤差較大,存在推算精度低的問(wèn)題。

為了解決上述方法中存在的問(wèn)題,提出數(shù)字化高壓加熱器故障率自適應(yīng)推算方法。

2 高壓加熱器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

用V表示高壓加熱器的空間容積;ρ表示高壓加熱器的飽和蒸汽密度,構(gòu)建高壓加熱器在工作狀態(tài)下的質(zhì)量平衡方程如下:

(1)

式中:V′為汽側(cè)水空間在高壓加熱器系統(tǒng)中的容積,m3;τ為過(guò)渡時(shí)間,s;ρ′為飽和水密度,kg/m3;F為加熱器在運(yùn)行過(guò)程中的汽、水流量,m3/s。

用h″表示飽和蒸汽焓;Ws表示冷卻管與汽側(cè)蒸汽之間存在的換熱量,數(shù)字化高壓加熱器在運(yùn)行狀態(tài)下的汽側(cè)能量平衡方程如下:

(2)

式中:h為是水、汽流量的焓值,kJ/kg;h′為飽和水焓,kJ/kg。

用mw表示管內(nèi)給水的質(zhì)量;tw2表示給水出口溫度;Fw表示高壓加熱器的給水流量,建立如下水側(cè)能量平衡方程:

(3)

式中:Cp為加熱器系統(tǒng)的給水比熱容,kJ/(kg·℃);tw1為給水入口對(duì)應(yīng)的溫度,℃。

用M表示高壓加熱器系統(tǒng)中水側(cè)管子對(duì)應(yīng)的質(zhì)量,通過(guò)下式描述水側(cè)的傳熱過(guò)程[5-6]:

(4)

式中:tm為金屬管壁在加熱器工作狀態(tài)下的溫度,℃;Ww為高壓加熱器與金屬管壁之間的換熱量,kJ。

Gw為水側(cè)管子在加熱器中的表面積,則水側(cè)在高壓加熱器中的傳熱過(guò)程可利用下式描述:

Ws=Gwβw[tm-(tw1+tw2/2)]

(5)

式中:βw為水側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)。

用V0表示高壓加熱器汽側(cè)空間的總?cè)莘e,當(dāng)容積平衡時(shí),存在V″+V′=V0。

結(jié)合上述方程,通過(guò)下式計(jì)算給水出口溫度在高壓加熱器工作過(guò)程中的變動(dòng)率:

(6)

通過(guò)下式描述金屬管壁在高壓加熱器中的溫度變化情況:

(7)

設(shè)L為高壓加熱器的水位,當(dāng)加熱器的橫截面積在高度方向不發(fā)生變化時(shí),其計(jì)算公式如下:

L=KmV′

(8)

式中:Km為水位波動(dòng)系數(shù)。

設(shè)Ks為蒸汽側(cè)的受熱面積;Kw為被水淹沒(méi)的受熱面積,其計(jì)算公式分別如下:

(9)

式中:L0為高壓加熱器底部與最下端管子之間存在的距離,m;Lm為高壓加熱器底部與最上端管子之間存在的距離,m。

3 高壓加熱器故障率推算

根據(jù)高壓加熱器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建高壓加熱器故障模型:

(10)

式中:G1、G2為給水入口和出口在高壓加熱器中的流量,m3/s;c1為管側(cè)水對(duì)應(yīng)的比熱容,kJ/(kg·℃);t1為給水入口處對(duì)應(yīng)的溫度,℃;c2為殼側(cè)水對(duì)應(yīng)的比熱容,kJ/(kg·℃);t2為給水出口處對(duì)應(yīng)的溫度,℃;Gdi、Gdo分別為疏水入口和出口對(duì)應(yīng)的流量,m3/s;tdi、tdo分別為疏水入口和出口在高壓加熱器中對(duì)應(yīng)的溫度,℃;Gc為蒸汽在加熱器蒸汽入口處的流量,m3/s;cg為殼氣體對(duì)應(yīng)的比熱容,kJ/(kg·℃);ts為飽和蒸汽溫度,℃;ζ為時(shí)間,s;Vt為管內(nèi)在高壓加熱器的容積,m3;ρ1為水在管內(nèi)的密度,m3/s;Mt為管束金屬在高壓加熱器內(nèi)的質(zhì)量,kg;ct為金屬比熱容,kJ/(kg·℃);V1為殼側(cè)水容積,m3;ρ2為殼側(cè)水密度,m3;Vg為殼側(cè)對(duì)應(yīng)的汽體容積,m3;ρ3為汽體在殼側(cè)的密度,m3/s;cg為殼側(cè)汽體比熱容,kJ/(kg·℃)。

在上述模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建如下機(jī)理模型K1:

K1=f(t1,t2,tdi,tdo,φ)

(11)

式中:φ為影響因子。

對(duì)式(11)求偏導(dǎo),獲得報(bào)警狀態(tài)下高壓加熱器給水端的故障模型ΔK1:

ΔK1=μ1Δt1+μ2Δt2+μ3Δtdi+μ4Δtdo+μ5Δφ

(12)

式中:ΔK1為給水端在高壓加熱器報(bào)警狀態(tài)下的增量;常數(shù)μ1、μ2、μ3、μ4、μ5的計(jì)算公式如下:

根據(jù)實(shí)際發(fā)生故障時(shí)高壓加熱器中變化較大的參數(shù)以及上述計(jì)量模型,提取φ、t2、tdo作為高壓加熱器的主要故障參數(shù)。

(13)

利用Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[7-8]建立高壓加熱器故障率推算模型,將提取的主要故障參數(shù)φ、t2、tdo輸入高壓加熱器故障率推算模型中,完成高壓加熱器故障的自適應(yīng)推算。

建立高加熱器故障率推算模型的具體流程如下:

(1)提取工作狀態(tài)下高壓加熱器的故障參數(shù),并對(duì)其展開相關(guān)預(yù)處理[9-10];

(2)將高壓加熱器的故障參數(shù)作為Elman網(wǎng)絡(luò)的輸入,確定節(jié)點(diǎn)在Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出層、輸入層、結(jié)構(gòu)層和隱含層中的數(shù)量,設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);

(3)采用改進(jìn)粒子群算法[11-12]訓(xùn)練Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),獲得最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和權(quán)值,將高壓加熱器故障參數(shù)輸入訓(xùn)練后的Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中,推算高壓加熱器的故障率。

數(shù)字化高壓加熱器故障率推算模型如圖1所示,高壓加熱器現(xiàn)場(chǎng)圖形如圖2所示。

圖1 高壓加熱器故障率推算模型

圖2 高壓加熱器

4 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證數(shù)字化高壓加熱器故障率自適應(yīng)推算方法的整體有效性,需要對(duì)其展開測(cè)試,在測(cè)試過(guò)程中引入文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法作為對(duì)比方法。

采用所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法對(duì)下述高壓加熱器的故障率展開推算。

上述高壓加熱器的主要參數(shù)如表1所示。

表1 高壓加熱器主要參數(shù)

采用所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法在高壓加熱器泄露前、泄露出現(xiàn)及惡化和泄露穩(wěn)定情況下檢測(cè)高壓加熱器的疏水溫度和給水出口溫度,對(duì)比不同方法檢測(cè)結(jié)果的絕對(duì)誤差,測(cè)試結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 疏水溫度絕對(duì)誤差

圖4 給水出口溫度絕對(duì)誤差

由圖3和圖4可知,采用所提方法測(cè)試時(shí),疏水溫度絕對(duì)誤差和給水出口溫度絕對(duì)誤差在三個(gè)階段中均保持在0左右,而文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的疏水溫度絕對(duì)誤差和給水出口溫度絕對(duì)誤差雖然在泄露前保持在0左右,但在泄露出現(xiàn)及惡化和泄露穩(wěn)定情況下的誤差曲線出現(xiàn)明顯波動(dòng),表明在泄露出現(xiàn)及惡化和泄露穩(wěn)定情況下文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法無(wú)法準(zhǔn)確地檢測(cè)高壓加熱器的疏水溫度和給水出口溫度。

采用所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法測(cè)試高壓加熱器不同負(fù)荷下的給水壓力和給水流量,測(cè)試結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 給水壓力

圖6 給水流量

分析圖5和圖6中的數(shù)據(jù)可知,隨著高壓加熱器負(fù)荷的增大,給水壓力和給水流量不斷增大,采用所提方法測(cè)試時(shí),獲得的變化曲線與實(shí)際曲線貼近,采用文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法測(cè)試時(shí),獲得的變化曲線與實(shí)際曲線之間存在較大誤差,通過(guò)上述測(cè)試可知,所提方法可準(zhǔn)確地測(cè)量高壓加熱器的給水壓力和給水流量。

選取推算精度作為指標(biāo),采用上述方法在相同環(huán)境下展開多次高壓加熱器故障率推算測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同方法的推算精度

由圖7可知,三種方法的推算精度隨著推算次數(shù)的增加均有所提高,所提方法在首次推算過(guò)程中就取得80%的推算精度,在第5次推算時(shí),推算精度接近100%,文獻(xiàn)[3]方法的最終推算精度未達(dá)到80%,文獻(xiàn)[4]方法在第4次推算時(shí)獲得最高精度80%,通過(guò)上述測(cè)試可知,所提方法的推算精度優(yōu)于文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法,因?yàn)樗岱椒?gòu)建了數(shù)字化高壓加熱器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,可以獲取高壓加熱器在工作狀態(tài)下的特點(diǎn),提取主要故障參數(shù),提高了方法的推算精度。

5 結(jié) 語(yǔ)

火電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和熱經(jīng)濟(jì)效益直接受高壓加熱器的影響,由于振動(dòng)、侵蝕和流體沖刷等因素,高壓加熱器容易出現(xiàn)泄露故障,研究高壓加熱器故障率推算方法具有重要意義。目前高壓加熱器故障率推算方法存在推算精度低的問(wèn)題,提出數(shù)字化高壓加熱器故障率自適應(yīng)推算方法,該方法構(gòu)建動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型對(duì)高壓加熱器的工作特點(diǎn)展開分析,以此為依據(jù)采用Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立故障率推算模型,有效解決了目前方法中存在的問(wèn)題,為高壓加熱器故障的維修提供了相關(guān)依據(jù)。