何志瞧,沈 利,楊 威,琚 敏,葉學(xué)民

(1.浙江浙能蘭溪發(fā)電有限責(zé)任公司,浙江 金華 321000;2.浙江浙能電力股份有限公司,浙江 杭州 310007;3.浙江浙能技術(shù)研究院有限公司,浙江 杭州 311121;4.華北電力大學(xué)動(dòng)力工程系,河北 保定 071003)

0 引言

隨著“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)的提出,火電機(jī)組靈活性調(diào)峰任務(wù)日益艱巨,參與深度調(diào)峰已成為火力發(fā)電行業(yè)優(yōu)化改造的主流方向之一[1]。因軸流風(fēng)機(jī)對(duì)煙風(fēng)系統(tǒng)阻力的變化非常敏感,當(dāng)煙道阻力特性發(fā)生變化,尤其是阻力增大時(shí),軸流風(fēng)機(jī)易發(fā)生搶風(fēng)失速現(xiàn)象[2]。因此,建立風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)警系統(tǒng)對(duì)于指導(dǎo)風(fēng)機(jī)運(yùn)行具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

崔愷等[3]提出一種基于廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組異常狀態(tài)預(yù)警方法。該方法在評(píng)價(jià)指標(biāo)連續(xù)超過(guò)設(shè)定閾值時(shí),能使機(jī)組發(fā)出異常預(yù)警。孫建平等[4]采用多變量狀態(tài)估計(jì)技術(shù)(multiple state estimation technology,MSET)對(duì)汽動(dòng)引風(fēng)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè),驗(yàn)證了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與狀態(tài)預(yù)警的準(zhǔn)確性。李峰等[5]采用MSET對(duì)某引風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了故障準(zhǔn)確預(yù)警。劉濤等[6]提出了基于多元狀態(tài)評(píng)估和偏離度的方法,實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)故障預(yù)警。韓萬(wàn)里等[7]基于主元分析和多元狀態(tài)評(píng)估構(gòu)建了風(fēng)機(jī)故障預(yù)警模型,并將模型應(yīng)用于上海某電廠。王博和吳智群[8]提出一種基于密度峰聚類(lèi)的多元狀態(tài)估計(jì)方法,并建立了故障預(yù)警模型。

上述研究表明,目前故障預(yù)警系統(tǒng)多基于風(fēng)機(jī)健康運(yùn)行時(shí)的歷史數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)而判斷風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài),且流量監(jiān)測(cè)多采用單一測(cè)量方法,致使結(jié)果準(zhǔn)確性有待提高。因此,本文通過(guò)三種測(cè)量方法相互協(xié)調(diào)的方式提高流量測(cè)量準(zhǔn)確性,設(shè)定不同失速安全閾值以確定風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的分級(jí)預(yù)警區(qū)。在此基礎(chǔ)上,本文基于C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了軸流風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和失速預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可準(zhǔn)確發(fā)出不同等級(jí)的預(yù)警信號(hào),提示運(yùn)行人員調(diào)整風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài),從而確保風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。

1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)傳感器獲取實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)并顯示到上位機(jī)操作畫(huà)面中,以準(zhǔn)確反映風(fēng)機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、運(yùn)行狀態(tài)可視化等功能。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)性能曲線、煙道阻力特性、鍋爐運(yùn)行參數(shù)及風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)。其中,鍋爐運(yùn)行參數(shù)取自電廠安全儀表系統(tǒng)(safety instrumentation system,SIS)。風(fēng)機(jī)流量從每臺(tái)風(fēng)機(jī)入口測(cè)得,靜壓取自風(fēng)機(jī)入口和出口處的數(shù)據(jù)。由于煙道截面尺寸大、內(nèi)部流動(dòng)較復(fù)雜,且煙氣含塵使得難以準(zhǔn)確測(cè)量流量參數(shù),因此本文系統(tǒng)采用三種方法同時(shí)進(jìn)行流量測(cè)量。

1.1 多點(diǎn)式矩陣流量計(jì)

靠背式動(dòng)壓測(cè)量技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、流量修正系數(shù)穩(wěn)定,以及便于根據(jù)不同管道截面進(jìn)行定制化設(shè)置等優(yōu)點(diǎn),是目前常用的煙風(fēng)系統(tǒng)流量測(cè)量方案之一。

本文系統(tǒng)采用穩(wěn)壓濾波裝置剔除異常數(shù)據(jù),以提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。由于小流量時(shí)易出現(xiàn)測(cè)量不敏感的問(wèn)題,本文對(duì)流量計(jì)設(shè)計(jì)了靜壓擴(kuò)壓裝置。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和流場(chǎng)分析結(jié)果可知,氣流經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)后呈螺旋狀流動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量精度差。為此,本文將流量計(jì)布置在風(fēng)機(jī)入口處,且盡量靠近入口收斂段,以提高其測(cè)量精度。

采用多點(diǎn)式矩陣測(cè)量流量時(shí),測(cè)點(diǎn)間距相等[9]。

多點(diǎn)式矩陣流量測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 多點(diǎn)式矩陣流量測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Multi-point matrix flow measurement point layout diagram

1.2 差壓流量計(jì)

軸流風(fēng)機(jī)入口處至集流器出口處的流場(chǎng)均勻性好,且風(fēng)機(jī)入口靜壓與集流器出口靜壓間的壓差值較大,因此靜壓差與流速的修正系數(shù)較為穩(wěn)定。本文采用文丘里管測(cè)量風(fēng)機(jī)流量。體積流量計(jì)算式為:

(1)

式中:Q為風(fēng)機(jī)體積流量,m3/s;p為靜壓,Pa;ρ為氣體密度,kg/m3;A為流道截面積,m2;Cq為流量修正系數(shù);下標(biāo)1、2分別表示風(fēng)機(jī)入口和集流器出口。

風(fēng)機(jī)入口的靜壓測(cè)點(diǎn)布置在集流器入口,出口靜壓測(cè)點(diǎn)布置在集流器出口。風(fēng)機(jī)靜壓測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)靜壓測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Fan static pressure measurement point layout diagram

1.3 基于風(fēng)機(jī)性能曲線的流量計(jì)算

風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí),其實(shí)際運(yùn)行性能與設(shè)計(jì)性能基本吻合。因此,本文結(jié)合風(fēng)機(jī)實(shí)際開(kāi)度、進(jìn)出口靜壓與設(shè)計(jì)性能曲線,獲取風(fēng)機(jī)流量。通過(guò)對(duì)比多點(diǎn)式矩陣測(cè)量結(jié)果、差壓式流量計(jì)測(cè)量結(jié)果與性能曲線對(duì)應(yīng)值來(lái)修正實(shí)際流量,直至偏差在允許范圍內(nèi),即可獲得風(fēng)機(jī)的實(shí)際流量值。

實(shí)踐表明,矩陣式流量計(jì)精度高,但由于測(cè)孔較為精密和受氣流波動(dòng)影響,易出現(xiàn)流量值虛跳和堵塞的現(xiàn)象。而采用差壓法和基于風(fēng)機(jī)特性曲線的計(jì)算方法均存在精度偏低的問(wèn)題。因此,本文在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)對(duì)流量的計(jì)算方法進(jìn)行優(yōu)化,即以多點(diǎn)式矩陣流量計(jì)為主、差壓法和基于風(fēng)機(jī)特性曲線的計(jì)算方法為輔的方式,增設(shè)自動(dòng)切換、濾波及修正模塊,以保證流量測(cè)量的可靠性。

2 失速計(jì)算模型

對(duì)于電站風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),除監(jiān)測(cè)其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性外,還需監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)及安全性。風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)靠近失速線時(shí),會(huì)存在發(fā)生失速的風(fēng)險(xiǎn)。因此,本文通過(guò)分析風(fēng)機(jī)失速特征,建立了風(fēng)機(jī)失速預(yù)測(cè)模型,提出了表征風(fēng)機(jī)失速的危險(xiǎn)性量化指標(biāo),進(jìn)而制定了風(fēng)機(jī)失速狀況的不同等級(jí)預(yù)警機(jī)制。

本文基于ASP.NET Core Web框架的瀏覽器/服務(wù)器(browser/server,B/S)架構(gòu),開(kāi)發(fā)了電站風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)電站風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障診斷和安全預(yù)警。該系統(tǒng)集電站風(fēng)機(jī)的流量、壓力、溫度及電流等參數(shù)的采集、濾波、分析和診斷等功能于一體,可實(shí)現(xiàn)異常報(bào)警、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等,為機(jī)組運(yùn)行人員的調(diào)控提供指導(dǎo)。

風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài),結(jié)合失速預(yù)警模型,對(duì)火電機(jī)組電站風(fēng)機(jī)監(jiān)控管理功能擴(kuò)展,提高了風(fēng)機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及安全性。該系統(tǒng)軟件平臺(tái)基于C#面向?qū)ο蟪绦蛘Z(yǔ)言開(kāi)發(fā)。軟件框架如圖3所示。

圖3 軟件框架示意圖Fig.3 Schematic diagram of software framework

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和失速預(yù)警系統(tǒng)的客戶端作為表現(xiàn)層,經(jīng)應(yīng)用層各模塊的處理和通信接口輸入輸出,實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的連接。該系統(tǒng)的采集服務(wù)器直接獲取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信點(diǎn)傳送的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),經(jīng)網(wǎng)絡(luò)串口協(xié)議發(fā)送到存儲(chǔ)層。運(yùn)行人員可在線查看風(fēng)機(jī)性能曲線,或調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中歷史數(shù)據(jù),以形成趨勢(shì)圖。若風(fēng)機(jī)處于異常工況,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將報(bào)警信息和日志反饋到數(shù)據(jù)庫(kù)中,在客戶端和分布式控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)的報(bào)警畫(huà)面中同時(shí)展示。此外,系統(tǒng)可在客戶端中設(shè)置相應(yīng)參數(shù),發(fā)送的指令信息經(jīng)DCS處理后,間接控制就地設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn),以使風(fēng)機(jī)及時(shí)脫離失速區(qū)。

2.1 流量和壓力安全裕量

對(duì)于軸流風(fēng)機(jī),其性能曲線存在“駝峰型”失速區(qū)。風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)P1及其對(duì)應(yīng)失速點(diǎn)P2如圖4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)P1及其對(duì)應(yīng)失速點(diǎn)P2Fig.4 Fan operating point P1 and its corresponding stall point P2

圖4中:P為風(fēng)機(jī)全壓,Pa;Q為體積流量,m3/s。

根據(jù)風(fēng)機(jī)的P1(Q,P)及其開(kāi)度α,可確定開(kāi)度線與理論失速線的失速點(diǎn)P2(Qs,Ps),從而得到風(fēng)機(jī)流量安全裕量kq和壓力安全裕量kp[10]。

(2)

式中:s為臨界失速點(diǎn)。

(3)

2.2 失速安全裕量

根據(jù)P1(Q,P)和P2(Qs,Ps) ,可確定失速安全裕量系數(shù)M,進(jìn)而判斷風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)與失速線間的距離[11]。

(4)

式中:β為設(shè)置的安全閾值。

當(dāng)M>1時(shí),表示風(fēng)機(jī)在安全區(qū)運(yùn)行;當(dāng)M<1時(shí),表示風(fēng)機(jī)在靠近失速區(qū)運(yùn)行。M值越大,風(fēng)機(jī)抗管路系統(tǒng)干擾能力越強(qiáng);反之,則風(fēng)機(jī)抗干擾能力越弱,越易發(fā)生失速現(xiàn)象。

3 失速預(yù)警系統(tǒng)

為便于運(yùn)行人員及時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài),可通過(guò)設(shè)定不同安全閾值和失速安全裕量系數(shù),建立不同等級(jí)的安全預(yù)警區(qū),從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)異常運(yùn)行狀態(tài)預(yù)警。為此,本文通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)提取的風(fēng)機(jī)流量和壓力等參數(shù),確定風(fēng)機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行工況點(diǎn);同時(shí),結(jié)合設(shè)定安全預(yù)警區(qū)的性能曲線,顯示風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài),并給出相應(yīng)運(yùn)行提示。風(fēng)機(jī)預(yù)警區(qū)分布如圖5所示。

圖5 風(fēng)機(jī)預(yù)警區(qū)分布圖Fig.5 Fan warning area distribution map

圖5中給出了不同等級(jí)下的失速預(yù)警線。當(dāng)運(yùn)行工況點(diǎn)處于預(yù)警線3以下時(shí),如圖5中A點(diǎn)和B點(diǎn)所示,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和失速預(yù)警系統(tǒng)則顯示風(fēng)機(jī)“正?！?。當(dāng)運(yùn)行工況點(diǎn)位于預(yù)警線3與預(yù)警線2之間時(shí),系統(tǒng)顯示“輕微”,提示需加強(qiáng)風(fēng)機(jī)和煙風(fēng)系統(tǒng)監(jiān)控。當(dāng)運(yùn)行工況點(diǎn)處于預(yù)警線2與預(yù)警線1之間時(shí),系統(tǒng)顯示“中等”,提示需控制升降負(fù)荷速率、控制風(fēng)機(jī)開(kāi)度調(diào)節(jié)速率。當(dāng)運(yùn)行工況點(diǎn)處于預(yù)警線1上方時(shí),系統(tǒng)顯示“嚴(yán)重”,提示需限制風(fēng)機(jī)開(kāi)度上升。

4 實(shí)際應(yīng)用

本文以浙江某燃煤發(fā)電機(jī)組的引風(fēng)機(jī)為對(duì)象,測(cè)試了風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和失速預(yù)警系統(tǒng)。因該機(jī)組運(yùn)行年限較長(zhǎng),風(fēng)機(jī)存在磨損等現(xiàn)象,需確定風(fēng)機(jī)實(shí)際性能與設(shè)計(jì)性能曲線間的偏差,并將結(jié)果輸入系統(tǒng),作為判別失速的邊界條件。

在上述機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中,風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和失速預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出的不同等級(jí)預(yù)警如圖6所示。

圖6 風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和失速預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出的不同等級(jí)預(yù)警Fig.6 Different levels of warning from real-time fan monitoring and stall warning systems

圖6(a)表明,B側(cè)引風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)位于預(yù)警線3和預(yù)警線2之間。此時(shí):系統(tǒng)發(fā)出“輕微”預(yù)警;故障提示為風(fēng)機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況;葉片非同步調(diào)整或葉片卡澀。

圖6(b)表明,B側(cè)引風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)位于預(yù)警線2和預(yù)警線1之間。此時(shí):系統(tǒng)發(fā)出“中等”預(yù)警;故障提示為風(fēng)機(jī)與管網(wǎng)匹配性較差;風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)靠近失速區(qū)。

圖6(c)表明,B側(cè)引風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)越過(guò)預(yù)警線1。此時(shí):系統(tǒng)發(fā)出“嚴(yán)重”預(yù)警;故障提示為風(fēng)機(jī)已非?？拷环€(wěn)定運(yùn)行區(qū);調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)存在故障。

上述運(yùn)行結(jié)果表明,風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和失速預(yù)警系統(tǒng)可準(zhǔn)確反映風(fēng)機(jī)的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài),通過(guò)在失速前發(fā)出預(yù)警信號(hào),提醒運(yùn)行人員采取相關(guān)措施,進(jìn)而保障風(fēng)機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)論

本文基于C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了軸流風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和失速預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)結(jié)合SIS提取的機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)和不同流量測(cè)量方案的優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)流量的準(zhǔn)確測(cè)量。根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)所處位置及預(yù)警區(qū),該系統(tǒng)可準(zhǔn)確發(fā)出相應(yīng)等級(jí)的預(yù)警提示,實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的分等級(jí)預(yù)警功能。

在浙江某電廠燃煤鍋爐機(jī)組的實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的可視化,驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)靠近失速線時(shí),該系統(tǒng)通過(guò)發(fā)出不同等級(jí)預(yù)警信號(hào)提醒運(yùn)行人員及時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài),保證了風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行。