基于OC6000e智能平臺的聯合循環機組性能監測診斷

胡海航,韓鵬飛,黎師祺

(1.華電浙江龍游有限公司,浙江 龍游 324400; 2.武漢大學 動力與機械學院,武漢 430072)

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基于OC6000e智能平臺的聯合循環機組性能監測診斷

胡海航1,韓鵬飛2,黎師祺2

(1.華電浙江龍游有限公司,浙江 龍游 324400; 2.武漢大學 動力與機械學院,武漢 430072)

針對目前中國在燃氣-蒸汽聯合循環機組性能檢測和診斷研究比較薄弱的問題,筆者以華電浙江龍游熱電廠2×200 MW單軸燃氣-蒸汽聯合循環機組為研究對象,建立了OC6000e聯合循環機組性能監測系統,通過數據接口與系統進行數據交換,實現了聯合循環參數的在線監測、相關性能參數的計算、參數耗差分析和在線診斷的功能。

聯合循環機組;性能監測;系統組態;性能診斷;數據交互

目前,聯合循環發電方式以其高效率、低污染的特性已被世界各國所重視。中國對聯合循環機組運行的性能檢測和診斷系統的研究起步較晚,在燃氣-蒸汽聯合循環機組故障診斷和運行優化等方面的研究比較薄弱,不能實時準確地監控機組運行經濟性。因此,本文以華電浙江龍游熱電廠2×200 MW單軸燃氣-蒸汽聯合循環機組(包括2臺PG9171E型燃氣輪機、1臺LB19型背壓式蒸汽輪機、1臺LCZ125型抽凝式汽輪機以及2臺雙壓余熱鍋爐)為研究對象,開發了OC6000e聯合循環性能監測診斷系統,實現機組運行實時數據的在線監控、參數耗差分析,能夠通過耗差分析定量計算重要參數不佳對機組運行經濟性的影響,并通過故障診斷初步定位故障原因,為運行人員優化運行提供指導,更好地保障了機組運行的安全性和經濟性。

1 性能監測系統的建立

1.1 聯合循環性能指標計算

機組性能參數反映了機組的運行狀態,通過機組性能指標的計算和監控并與設計參數進行比較,可以判斷設備運行狀況,以及根據問題調整機組運行參數或者尋找影響機組運行的原因,本文根據監測參數,計算得到了聯合循環各部分及總體的性能指標。

1) 燃氣輪機性能指標。燃氣輪機是空氣進行壓縮、與燃料混合點燃以及燃燒產物膨脹做功的場所,由于其功率占無補燃聯合循環機組總功率的2/3,因而燃氣輪機的熱力性能對于整個機組的影響很大[1]。衡量燃氣輪機運行效果的指標主要有燃氣輪機的熱效率、燃氣輪機熱耗率、燃氣輪機氣耗率。

2) 底循環性能指標。余熱鍋爐與汽輪機系統組成了聯合循環電站的底循環,底循環對燃機排氣所攜帶的熱量利用越充分,則整個機組的運行效果越好。在余熱鍋爐和汽輪機的各個參數中,最能直觀體現其運行效果的參數有余熱鍋爐效率、汽輪機效率和循環效率。

3) 系統整體性能指標。衡量整個聯合循環機組運行效果的經濟性指標有聯合循環機組效率、全廠熱耗率、全廠氣耗率和蒸燃功比。

全廠信息監控主界面及性能參數監控界面如圖1、圖2所示。

圖1 全廠信息監控主界面圖

圖2 性能參數監控界面圖

1.2 機組耗差分析及目標值計算

聯合循環機組偏離正常運行狀態時,其氣耗會相應地增加,增加值為氣耗增。用耗差分析理論將整個機組的氣耗增表示為與其有關參數的函數,當其中1個參數偏離目標值而其余參數與目標值一致時,該參數造成的標準氣耗增就是整個機組的氣耗增,因此某個參數對機組經濟性影響就是其偏離目標值的氣耗增[2]。通過對每個參數標準氣耗增的計算,可以很清晰地看出不同參數偏離目標值時對整個機組運行的影響,運行人員可以通過不同參數帶來的氣耗增情況找出影響機組運行的主要問題。

參數氣耗增的確定與其目標值有很大關系,而聯合循環機組運行受環境與負荷影響較大。本文在確定目標值時充分考慮了環境因素與機組負荷,通過設計協議及權威軟件的計算得出了不同負荷、不同環境溫度下機組運行的目標值,通過二維曲面插值的方法得到機組在不同負荷、不同環境溫度下參數目標值,確保耗差計算的精確性。

耗差分析界面是用棒圖的形式顯示分析對象的目標值、實際值和實際值偏離目標值造成的標準氣耗增的值。為了測試性能監測系統的可靠性,本文通過靜態歷史數據模擬機組運行,觀察監測系統目標值、實測值、實測值與目標值之間的偏差、耗差值,測試結果如圖3所示。

圖3 系統耗差分析界面圖

從圖3可以看出,余熱鍋爐的排氣溫度目標值為550.0 ℃,實際值548.7 ℃,降低1.3 ℃,引起氣耗增0.224 Nm3/kW·h。同理,由其他的耗差分析界面圖可以看出,余熱鍋爐高壓節點溫差目標值為6.4 ℃,實際值為10 ℃,升高了3.6 ℃,引起氣耗增0.056 Nm3/kW·h;排煙溫度目標值為105.2 ℃,實際值為110.5 ℃,升高了5.3 ℃,引起氣耗增0.843 Nm3/kW·h;除氧器節點溫差目標值為10 ℃,實際值為13.3 ℃,升高了3.3 ℃,引起氣耗增0.4 Nm3/kW·h;高壓節點溫差目標值為20 ℃,實際值為24.9 ℃,升高了4.9 ℃,引起氣耗增0.006 Nm3/kW·h。對比這些參數可以發現,對機組效率影響最大的參數是排煙溫度,其次是除氧器節點溫差,據此,運行人員可以實時觀測并采取相應措施。

1.3 基于邏輯表格法的故障診斷模塊開發

針對傳統故障樹分析診斷系統診斷程序更新困難、時效性差的缺點[3],該聯合循環性能監測診斷系統首次采用邏輯表格代替故障樹診斷程序中的診斷流程圖,即邏輯表格每列中存儲故障原因對應參數的存儲地址、參數目標值存儲地址、參數允許偏差、偏差計算公式系數以及診斷結果。在故障診斷時,通過參數目標值、實測值的偏差與偏差計算公式得到的允許偏差相比較,判斷該參數對應的設備是否出現故障,是否需要判斷下一個目標參數列。

邏輯表格采用Excel工作表的形式實現,每個故障診斷的對象都對應1個邏輯表格,運行人員在實際運用中可以方便地修改Excel改變診斷結果。

為了調用邏輯表格,采用Visual C++語言編寫了邏輯表格調用程序。由于故障診斷流程需要的具體參數的數據、判斷條件和診斷結果都包含在邏輯表格中,邏輯表格的調用程序有很強的獨立性和通用性。通過耗差參數對應的故障診斷按鈕,調用故障診斷程序。

同樣,采用靜態歷史數據測試系統故障診斷的可靠性,在用歷史數據測試時觀察凝汽器背壓,目標值為6.4 kPa,實際值為6.8 kPa,若偏差值超過正常運行范圍,則點擊診斷按鈕,程序會給出相應的診斷結果,包括凝汽器背壓升高的原因(如U形水封破壞、軸加工作不正常、軸端汽封泄漏等),供運行人員檢修前參考。靜態數據測試表明系統的故障診斷程序是可靠的,能夠實現初步的故障判斷功能。

2 系統組態搭建與數據交互的應用

2.1 組態平臺

組態軟件是一個模塊化建模及運行的集成環境,其以圖形化模塊為基本單位,通過模塊間輸入輸出的連接來實現中間數據的傳遞,以此來構建數據交互和系統分析的整個過程[4]。

該聯合循環機組性能監測診斷系統是依托GE新華控制工程公司的OC6000e組態平臺,利用該軟件平臺的自帶數據庫及其系統配置、組態建模和圖形界面的編輯功能,實現機組運行時的性能監測和故障診斷。OC6000e軟件是美國通用集團在其既有的分散式控制系統的基礎上,結合其在電站控制方面的工程經驗所研發的控制系統,如圖4所示。

圖4 OC6000e分散式控制系統簡圖

2.2 性能指標組態

對聯合循環機組而言,需要計算的經濟性指標主要包括:

1) 全廠經濟性指標:聯合循環機組供電氣耗率、聯合循環機組熱效率、聯合循環蒸燃功比等。

2) 主機經濟性指標:燃氣輪機效率、燃氣輪機氣耗率、壓氣機效率、余熱鍋爐效率、汽輪機效率等。

根據聯合循環機組性能指標的計算方法,將所需組態功能模塊按照順序相互連接。當組態軟件運行時,輸出模塊便能輸出計算得到的數值[8]。以燃氣輪機的供電熱耗率為例進行分析,組態模型如圖5所示。

圖5 燃氣輪機熱耗率組態模型圖

2.3 目標值與耗差組態

1) 目標值組態。通過計算目標值,得到了燃機、余熱鍋爐、汽輪機各參數在不同溫度、不同負荷下的目標值[9]。聯合循環機組參數實時目標值可以根據這些數據構成二維表格,由溫度值和負荷率插值得到。在計算目標值的組態模型中,最核心的模塊是插值模塊,環境溫度和機組實時負荷率從插值模塊的兩個引腳輸入模塊,從輸出引腳可以得到當前運行工況該參數的目標值。

2) 聯合循環機組的耗差計算流程與目標值計算類似。首先計算級組實時負荷率,同時取耗差計算參數實測值與目標值的差,將兩個參數作為耗差插值模塊引腳,輸入耗差插值模塊,便可求得該數據的實時氣耗增。

2.4 系統與SIS系統數據交互

聯合循環機組性能監測系統是建立在聯合循環電廠SIS系統上的性能監控與運行優化系統[10]。軟件服務器OC6000e系統組態軟件通過讀取SIS系統數據服務器實時運行數據以及歷史數據,在組態模型中進行聯合循環機組經濟性參數和耗差數據計算,并將計算結果存儲、輸出,從而實現機組運行經濟性的監督與優化指導。性能監測與診斷系統的整體結構如圖6所示。

圖6 性能監測與診斷系統結構圖

2.5 系統與故障診斷程序的數據交互

故障診斷軟件在讀取邏輯表格內容邏輯判斷前,首先要根據診斷參數的測點名與OC6000e系統數據庫通信,獲取對應測點的實時數據。由于C++程序無法直接調用數據庫的內容,因此需要調用COM組件提供的各種API函數后,故障診斷軟件才可以和OC6000e DCS平臺進行數據交互,對OC6000e的DPU進行相應的控制操作。

故障診斷程序根據邏輯表格中相應的測點名,通過API函數庫中數據讀取函數,對OC6000e DPU進行操作,讀取對應參數實測值與目標值,并經過診斷程序邏輯判斷,最終給出故障診斷結果。

3 結 論

1) 華電浙江龍游熱電廠聯合循環機組性能監測診斷系統能夠實現機組性能參數在線計算、各參數的目標值確定、耗差分析及故障診斷的功能,可以實時、準確地監控機組運行經濟性,診斷出故障原因,為運行人員優化運行提供指導。

2) 該電廠聯合循環機組性能監測診斷系統主要功能通過了模擬理論調試,初步實現了性能監測與診斷功能,還需要不斷地進行調試與改進,以滿足機組實際運行要求。

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(責任編輯 侯世春)

Performance monitoring diagnosis of combined cycle unitsbased on OC6000e intelligent platform

HU Haihang1, HAN Pengfei2, LI Shiqi2

(1.CHD Zhejiang Longyou Thermal Power Company Limited, Longyou 324400; 2.School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

Aiming at the weaknesses in performance detection and diagnosis research of gas-steam combined cycle units in China, this paper established, taking the 2×200 MW single-shaft gas-steam combined cycle unit in CHD Zhejiang Longyou Thermal Power Plant as an example, its performance monitoring system based on OC6000e intelligent platform, and realized online monitoring of combined cycle parameters, calculation of relevant performance parameters, analysis of parameters loss differential and online diagnosis through data exchange between data interface and system.

combined cycle units; performance monitoring; system configuration; performance diagnosis; data exchange

2015-09-25。

胡海航(1977—),工程師,研究方向為聯合循環系統調試與優化。

TM611.31

A

2095-6843(2016)02-0185-04