大型汽輪機在線性能監測診斷系統關鍵技術及應用

郭江龍，常澍平，曹爭選，商 威，胡建偉

(1.河北省電力研究院，石家莊 050021；2.河北國華定洲發電有限責任公司，河北 保定 073000)

0 引言

我國從20世紀80年代開始引進國外大型汽輪機組。在最初較長一段時間，由于設備昂貴和機組運行水平的限制，電廠技術人員主要關心設備的安全性，而較少考慮機組的整體性能，加上早期DCS產品的操作系統通常是各DCS廠商自行研制的專用型操作系統，系統二次開發難度大、代價高，因而在線性能監測和診斷方面的技術研究較少。20世紀90年代末，隨著電站運行水平的不斷提高，國內發電廠在把機組安全穩定運行作為生產管理重點的同時，逐漸將機組熱經濟性的提高作為工作重點之一，在線對機組進行性能監測與診斷已成為電廠節能技術重要研究方向之一。特別是近年來隨著煤價的持續攀升、《節能發電調度辦法(試行)》(國辦發[2007]53號)的頒布實施，各電力公司、發電集團及投資方更加關注機組的整體性能，電站性能監測與診斷越來越被重視。

目前，相關系統軟件的開發和應用還處于初級階段，國內有能力開發這類軟件的單位不少。華北電力大學、清華大學、上海交通大學、東南大學和浙江大學等在這方面作了較多的研究工作，而且取得了一定的成果，但大多數處于開發研究和試驗階段，能夠推廣應用于市場的成熟產品較少。

1 系統概況

大型汽輪機在線性能監測診斷系統采集機組實時運行數據，進行機組性能指標的計算，并對產生能量損耗部位的數值進行分析，以指導機組運行檢修，達到節能降耗、提高運行經濟水平的目標。

系統借助虛擬專用網絡VPN(Virtual Private Network)技術，進一步實現了遠程監測功能，既可以作為發電集團及相關投資方節能管理的有效手段，也可以作為推行節能發電調度模式中以能耗作為同類電廠調度排序的重要技術支撐。

系統采用Delphi開發平臺，分數據采集、數據處理和數據顯示3個主要模塊，模塊之間通過數據文件相關聯。數據采集模塊利用電廠已有的信息管理系統，采集所需要的機組實時運行數據，并存入特定數據文件；數據處理模塊導入該數據文件后，通過系統內置的計算程序，對數據進行二次加工，然后將計算結果存入另一特定數據文件；數據顯示模塊負責將這2個數據文件內容以熱力系統圖、表格等形式在前臺直觀顯示。數據預處理、汽輪機排汽焓計算和能耗診斷模塊化設計等是系統研發中的關鍵技術。

2 數據預處理

汽輪機在線性能計算與診斷所需要的原始數據主要來源于電廠MIS系統或DCS工作站。在復雜的現場條件下，各種影響因素的共同作用可能造成這些測量數據失真。這就需要對測量數據進行預處理，以保證在線性能計算和診斷的準確性。

2.1 常用方法

常用數據預處理方法包括以下3類：

a.合法性檢測。根據被測量參數的物理意義，設定參數值的有效性范圍。

b.時間序列檢測。根據被測量參數變化具有時間上的連續性的特征，利用時間序列，剔除測量值的異常跳變點。

c.關聯性檢測。根據被測量參數間的關聯程度(如被測量參數間上下游關聯、左右側關聯、缸壓力流量關聯、加熱器抽汽壓損關聯等)檢測數據的有效性。

2.2 難點

一般而言，所有測量數據都需要進行合法性檢測和時間序列檢測。只有汽輪機主蒸汽、再熱蒸汽參數，排汽參數，流量和功率等系統邊界參數，由于對機組性能指標計算影響較大，還必須進行關聯性檢測。數據關聯性檢測的核心在于尋求一個獨立于這2個基準流量之外的參數，作為第三方依據對基準流量進行校核。在關聯性檢測中，作為計算基準的流量測量參數有其特殊性，如何對其測量值進行辨識、剔除和修補，是整個數據預處理的難點。

GB/T 8117.2-2008《汽輪機熱力性能驗收試驗規程》和ASME PTC 6-2004《Steam Turbines》(簡稱“試驗標準”)中給出了以給水流量或除氧器入口凝結水流量為基準流量的汽輪機性能指標計算方法。理論上，基準流量無論采用給水流量，還是除氧器入口凝結水流量，機組性能指標計算結果是一致的；而工程實際中，受各種因素影響(如流量測量裝置本身、測量信號傳輸和轉換環節等)，當采用不同基準流量所計算的機組性能指標出現較大偏差時，單純對基準流量數據進行合法性檢測或是時間序列檢測是不夠的，必須判定基準流量測量數據的真實性，并進行數據修補。

2.3 除氧器入口高壓加熱器疏水流量計算模型

從能量、質量平衡角度，除氧器入口高壓加熱器(簡稱“高加”)疏水流量、凝結水流量和給水流量之間，存在著特定的映射關系，以任一流量為基準，都可以推導出其它2個流量。在300 MW等級以上大型汽輪機組，除了給水管道和除氧器入口凝結水管道上加裝有流量測量裝置外，一般在進入除氧器的高加疏水管道上也設計安裝有流量測量裝置。因此，除氧器入口高加疏水流量作為一個獨立的參數，對給水流量和除氧器入口凝結水流量進行關聯性檢測具備可行性。

機組典型高加系統測點的布置見圖1，以除氧器入口高加疏水流量為基準流量計算給水流量的數學模型見式(1)。

圖1 機組典型高加系統測點布置

(1)

式中：Dss為進入除氧器入口高加疏水流量測量值，t/h；Dgs為給水流量計算值，t/h；n為高加序號數，加熱器序號由高至低排列；qn為第n個高壓加熱器抽汽放熱量，kJ/kg；γn為第n個高壓加熱器疏水放熱量，kJ/kg；τn為第n個高壓加熱器給水吸熱量，kJ/kg；αn為第n級加熱器抽汽系數，中間過程量；βn為進入第n個高加的疏水抽汽管降，kJ/kg。

根據式(1)，可以建立除氧器入口高加疏水流量和給水流量之間的關聯，進而建立與除氧器入口凝結水流量之間的關聯。這3個流量測量值之間一一對應的數學、物理關系，可以有效進行關聯性檢測，以保證測量數據的準確性，并可根據需要進行數據修補。

3 汽輪機排汽焓計算

汽輪機熱力系統典型算法包括常規熱平衡、等效熱降、循環函數和能效分布矩陣法等，無論是機組性能指標的計算，還是對局部擾動進行能耗診斷都離不開汽輪機排汽焓值的計算。而汽輪機排汽點在濕蒸汽區，焓值不能通過壓力、溫度直接確定，在線測量排汽干度技術又尚不成熟，因此汽輪機排汽焓的計算一直是大型汽輪機在線性能監測與診斷系統研發的瓶頸問題之一。

3.1 傳統計算方法

汽輪機排汽焓的計算方法主要有以下幾種[1]：

a.能量平衡法。將汽輪機及回熱系統看作一個封閉的熱力單元，利用熱平衡方程、物質平衡方程和汽輪機功率方程，根據單元能量守恒原則，計算排汽焓。 該法很難全面考慮單元的能量進出，使用極為不便，目前很少使用。

b.曲線外推法。根據汽輪機在過熱蒸汽區入口蒸汽狀態點和抽汽狀態點做熱力過程線，并平滑外推到濕蒸汽區，由此確定排汽焓。該法精度不夠，尤其是在汽輪機低負荷時。

c.余速損失法。認為機組背壓變化將影響末級相對內效率，而這一末級相對內效率的變化主要由末級余速損失的變化引起。該方法需要事先知道汽輪機在額定參數時末級級前壓力，擬和“末級前后壓比-排汽余速損失”曲線。

d.曲線迭代法。以機組熱平衡方程為收斂條件，迭代計算，其精度與所選取的基準流量測量誤差密切相關，同時迭代初值的選取也會影響熱經濟性在線計算的時間周期。

另外，熵增分析法、基于神經網絡的各種分析方法[2]等在汽輪機排汽焓計算中也有所應用。

3.2 以性能指標為紐帶的計算方法

試驗標準中給出了一種確定汽輪機性能指標的計算方法，這種計算方法區別于汽輪機熱力系統典型算法的特點在于通過直接測量流量、功率和相關壓力、溫度等數據，在不需要確定排汽焓值的情況下，即可直接確定機組性能指標。如果以機組性能指標為紐帶，將這2種方法相結合進而推算汽輪機排汽焓值理論上是可行的，計算流程如圖2所示。

圖2 汽輪機排汽焓計算流程

計算步驟如下：

a.根據試驗標準計算方法，結合所采集的汽輪機主蒸汽，再熱熱(冷)段，給水，相關高加進出口蒸汽和水側壓力、溫度、基準流量和功率等參數，計算汽輪機性能指標，以RH1表示；

b.根據汽輪機常規計算方法，如常規熱平衡、等效熱降、能效分布矩陣等方法，結合所采集的汽輪機各缸進出口參數，所有加熱器進出口蒸汽和水側壓力、溫度參數，在假定汽輪機排汽焓的基礎上，計算汽輪機性能指標，以RH2表示；

c.比較RH1和RH2，當兩者差值的絕對值大于所假定的誤差值ε時，重新假定汽輪機排汽焓，計算RH2，直至小于誤差值ε，此時汽輪機排汽焓的假定值，即為真值。

4 能耗診斷模塊化設計

大型汽輪機組是由多個子系統按熱功轉換規律的要求連接而成的一個復雜的組合系統，特別是不同型號機組間的門桿、軸封等輔助系統差異性較大，因此針對某一具體機組所開發的能耗診斷模塊很難整體移植到其他機組上，客觀上導致大型汽輪機在線性能監測與診斷系統研發周期很長，制約其在工程領域大范圍的推廣應用。

4.1 國內外研究現狀

國內相關研究較少，較為普遍的是將特定機型的熱力系統固化在系統中，使用者只能調用、分析計算這些特定預設的機型熱力系統，不能實現任意熱力系統的組態，靈活性較差；另外當前的研究多局限于對主系統的計算分析，對輔助系統的定量分析考慮不足，難以有效的進行能耗局部定量分析。

國外相關研究較多，形成了一些成熟產品，如GateCycle、PEPSE和GT Pro等系統軟件平臺，一方面由于此類軟件核心技術保密，用戶在其基礎上進行二次開發的難度很大，另一方面由于軟件使用授權問題，導致用戶使用成本增加，不利于大范圍推廣應用。

4.2 模塊化設計解決方案

河北省電力研究院以基于能效分布矩陣方程的電廠熱力系統定量計算方法為核心，研發了一套完整的汽輪機組熱力系統圖形化模擬組件，建立了通用的能耗診斷平臺，能夠使能耗診斷過程以“搭積木”形式靈活組態，實現汽輪機熱力系統的自動識別和能耗的準確定量分析。

由于這些圖形化模擬組件是采用基于組件技術的設計開發思想，利用組件的模塊化、信息屏蔽性、繼承性和可復用性等特點，易于對這些圖形化模擬組件進行二次開發，實現通過讀寫相關數據文件，控制系統自動組態建模、診斷數據結果輸出的功能，適于以此為基礎實現能耗診斷的模塊化設計。開發的組件依次為本體類圖形化組件、組態區功能型組件、回收區功能型組件、備選區功能型組件和輔汽類圖形化組件。

在此基礎上，不同機組的能耗診斷過程可以簡化為以下步驟：

a.根據相關圖形化組件要求，將反映汽輪機實際熱力系統結構的特性參數和經過數據預處理的一次測量數據寫入某一特定數據文件A；

b.根據數據文件A，系統控制這些圖形化組件的創建、排序及參數賦值，并自動完成能耗診斷，將結果輸出至另一特定數據文件B；

c.讀取數據文件B，將能耗診斷結果反饋顯示在大型汽輪機在線性能監測診斷等系統的相關界面上。

5 系統研發實例

以某N600-16.7/537/537型機組為示范對象，在數據預處理、汽輪機排汽焓計算和能耗診斷模塊化設計等方面采取上述解決方案，研發了大型汽輪機在線性能監測診斷系統。系統結構示意和能耗論斷結果如圖3、圖4所示。

圖3 汽輪機熱力系統結構示意

圖4 能耗診斷結果

由圖5可以看出，該機組當前運行工況下熱耗指標為8 091.9 kJ/kWh，偏離設計值296.2 kJ/kWh。其中運行參數影響熱耗27.02 kJ/kWh，占能耗偏差部分的9.12%；汽輪機軸封漏汽影響熱耗31.47 kJ/kWh，占能耗偏差部分的10.62%；汽水工質泄漏影響熱耗50 kJ/kWh，占能耗偏差部分的16.88%；輔機性能影響熱耗4.443 kJ/kWh，占能耗偏差部分的1.5%；汽輪機高、中、低壓缸通流效率影響熱耗占能耗偏差部分的41.25%。

以上部分合計約占能耗偏差的79.37%，尚有20.63%未被診斷。這部分偏差主要集中在兩方面，一是再熱壓損、各抽汽級壓損沒有計入能耗診斷部分；二是高壓門桿、軸封漏氣等數據現場缺乏測量手段，數據取自設計值或性能驗收試驗時數據。

總體而言，系統性能計算及能耗診斷結果基本符合機組實際運行狀況。

6 結論

以河北省南部電網某600 MW汽輪機組為示范對象的大型汽輪機在線性能監測診斷系統集數據監測、性能指標計算和能耗診斷融為一體，且具有遠程監測的功能，具有較強的借鑒性。

a.系統的除氧器入口高加疏水流量計算模型，能夠有效對給水流量、除氧器入口凝結水流量等關鍵數據進行關聯性監測，以判定基準流量測量數據的準確性；

b.以能耗指標為聯系紐帶，將汽輪機性能試驗中采用流量、功率及高加系統內壓力溫度測量數據為基準的能耗指標計算方法和僅采用機組壓力溫度測量數據為基準的基于能效分布矩陣的能耗方法相結合，建立了排汽焓的迭代計算模型，模型精度符合工程需要，為機組能耗的在線分析診斷奠定了基礎；

c.對研制的大型汽輪機能耗診斷平臺中“工作區”等相關核心組件進行了二次開發，實現了通過讀寫相關數據文件，控制系統自動組態建模、能耗診斷數據結果輸出的功能，縮短了能耗診斷模塊這一系統核心的研發周期，為大規模推廣大型汽輪機在線性能監測與診斷系統奠定了基礎。

[1] 郭江龍，張樹芳，陳海平.火電機組排汽焓在線計算方法的研究[J].發電設備，2001(6)：11-14.

[2] 郭江龍，張樹芳，馮衛強，等.火電機組熱經濟性通用計算平臺設計與實現[J].計算機工程與應用, 2007，43(32)：95-97.

本文責任編輯：王洪娟