基于系統(tǒng)多工況運(yùn)行參數(shù)的設(shè)備性能指標(biāo)評(píng)估方法*

張鐵風(fēng) 倪 何

（海軍工程大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

熱力系統(tǒng)設(shè)備的性能會(huì)隨使用時(shí)間的增加而逐漸退化，因此掌握設(shè)備運(yùn)行時(shí)的性能指標(biāo)，對(duì)于設(shè)備的使用管理和維修保障都非常有意義［1～2］。然而設(shè)備的可觀測(cè)參數(shù)與設(shè)備的性能指標(biāo)之間，通常不是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，設(shè)備某一組可觀測(cè)參數(shù)可能對(duì)應(yīng)了多組可能的性能指標(biāo)［3～4］。因此難以通過(guò)可觀測(cè)的參數(shù)反推系統(tǒng)中各設(shè)備的性能指標(biāo)［5～7］。

在以往對(duì)于估算設(shè)備性能指標(biāo)的研究中，絕大多數(shù)文獻(xiàn)都是采用智能算法進(jìn)行求解，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等［8～11］。文獻(xiàn)［11］采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥摩擦力建模，并與實(shí)際的閥門(mén)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析了閥門(mén)的性能指標(biāo)。文獻(xiàn)［12～13］改變熱力設(shè)備的可觀測(cè)參數(shù)，估算它們對(duì)設(shè)備性能指標(biāo)產(chǎn)生的影響。文獻(xiàn)［14］通過(guò)改變離心泵的流量，得到不同流量下的性能指標(biāo)并繪制離心泵的性能曲線(xiàn)，與理論曲線(xiàn)對(duì)比，分析產(chǎn)生差異的原因。

由前人研究可知，智能算法雖然操作簡(jiǎn)單，但是需要大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)并結(jié)合先驗(yàn)知識(shí)，難以應(yīng)用于實(shí)際工程當(dāng)中；并且，在測(cè)量?jī)x表充足的情況下，得到設(shè)備的性能指標(biāo)相對(duì)容易，但當(dāng)儀表?yè)p壞或者丟失時(shí)，則難以對(duì)設(shè)備性能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。因此基于系統(tǒng)的構(gòu)架建立設(shè)備性能指標(biāo)與可觀測(cè)參數(shù)的關(guān)系模型進(jìn)行分析，并構(gòu)建可觀測(cè)參數(shù)與性能指標(biāo)的反問(wèn)題模型，以較少的可觀測(cè)量來(lái)評(píng)估設(shè)備的性能指標(biāo)，并追溯設(shè)備性能指標(biāo)改變的原因。

2 系統(tǒng)建模

2.1 對(duì)象描述

本文所涉及到的熱力管網(wǎng)系統(tǒng)是由離心泵和調(diào)節(jié)閥組成的，如圖1所示。離心泵為泵所輸送液體提供能量，其性能指標(biāo)通常有封閉揚(yáng)程H0和折合系數(shù)k；調(diào)節(jié)閥是調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的流量，其性能指標(biāo)通常為流量系數(shù)KV（100）。在系統(tǒng)運(yùn)行期間，根據(jù)儀表不同，能觀測(cè)到的參數(shù)通常由泵前后的壓力P1、P2；閥后壓力P3及流經(jīng)系統(tǒng)液體的流量Q。通過(guò)這些參數(shù)，構(gòu)建設(shè)備性能指標(biāo)與可觀測(cè)參數(shù)的關(guān)系模型。

圖1 對(duì)象系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.2 離心泵

在考慮流體流經(jīng)泵時(shí)所受阻力的影響，離心泵的實(shí)際揚(yáng)程H與流量Q的關(guān)系可簡(jiǎn)化為［15］

式中H0為離心泵的封閉揚(yáng)程；k為離心泵的折合系數(shù)；Q為液體流量。

離心泵的揚(yáng)程是泵所抽送的單位重量液體從泵進(jìn)口處到出口處能量的增值，即單位重量液體通過(guò)泵所獲取的有效能量。當(dāng)流體無(wú)粘性且不可壓縮，泵出入口處的流速與高度差距不大時(shí)，離心泵封閉揚(yáng)程H0為［16］

式中，p1、p2為泵進(jìn)出口液體的壓力；γ為液體的重度。

聯(lián)立式（1）和式（2）可得

2.3 調(diào)節(jié)閥

調(diào)節(jié)閥前后管道直徑相同，流速相同，流經(jīng)管道流體的流量通常根據(jù)管道的阻力與壓差決定［17］，設(shè)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度不變，流體重度不變，則流體的流量Q可表示為

式中P2、P3為閥前后壓力；Kv（L）表示調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)；γ為液體的重度。

式中，L表示閥門(mén)的開(kāi)度；KV（100）為閥門(mén)開(kāi)度全開(kāi)時(shí)的流量系數(shù)。

聯(lián)立式（3）和式（4）可得

2.4 設(shè)備性能與指標(biāo)可觀測(cè)參數(shù)之間的關(guān)系分析

由2.2和2.3可知離心泵與調(diào)節(jié)閥的性能指標(biāo)與可觀測(cè)參數(shù)之間的關(guān)系，當(dāng)實(shí)際工程中，假設(shè)系統(tǒng)中流體的流量Q保持不變，且系統(tǒng)工作時(shí)，管路壓差與揚(yáng)程或阻力在數(shù)值上相等，即P=H=F，則聯(lián)立式（3）和式（6）可知：

式中ΔP1分別表示泵前后壓差P2-P1；ΔP2閥前后壓差P3-P2。

由式（8）可知，此時(shí)設(shè)備的性能指標(biāo)H0、k、KV只與閥前后壓力與調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度有關(guān)。但實(shí)際工程中，系統(tǒng)中的流量不是恒定的，如果流量計(jì)損壞或者遺失，則無(wú)法用式（3）和式（6）中的可觀測(cè)參數(shù)估算設(shè)備的性能指標(biāo)，即用現(xiàn)有的方法難以得出結(jié)論。

3 設(shè)備的性能指標(biāo)計(jì)算可觀測(cè)參數(shù)

3.1 仿真模型建立

離心泵和調(diào)節(jié)閥組成的熱力管路系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)有揚(yáng)程H、排量Q；可觀測(cè)參數(shù)主要有閥門(mén)的開(kāi)度L、泵進(jìn)出口壓力P1、P2和閥后壓力P3和流量Q等。本文采用SimuWorks仿真軟件建立離心泵和調(diào)節(jié)閥的熱力管路模型，所建模型如圖2所示。

圖2 熱力管路系統(tǒng)仿真模型

3.2 設(shè)備性能指標(biāo)計(jì)算可觀測(cè)參數(shù)

由上一章節(jié)已知離心泵揚(yáng)程H與排量Q的關(guān)系和管路的壓差P與流量Q的關(guān)系。通過(guò)改變?cè)O(shè)備的性能指標(biāo)，計(jì)算在不同開(kāi)度下設(shè)備的流量和壓差。已知離心泵設(shè)計(jì)時(shí)性能指標(biāo)H0=100m與k=0.05；閥門(mén)的性能指標(biāo)KV(100)=7，此時(shí)的流量和壓差隨閥門(mén)開(kāi)度的變化曲線(xiàn)如圖3所示。

由圖2所建模型仿真計(jì)算得到封閉揚(yáng)程H0分別為100m和200m時(shí)，在不同開(kāi)度下流量和壓差的變化曲線(xiàn)，如圖3所示。

隨著設(shè)備的使用，設(shè)備的性能指標(biāo)發(fā)生變化，圖4和圖5分別為改變了泵的封閉揚(yáng)程H0（由100m變至50m）和折合系數(shù)k（由0.05變至0.03）與閥門(mén)流量系數(shù)KV（100）（由7變至5）時(shí)，不同開(kāi)度下流量與壓差的曲線(xiàn)。

圖4 不同性能指標(biāo)下的流量曲線(xiàn)

圖5 不同性能指標(biāo)下的壓差曲線(xiàn)

上述為系統(tǒng)中儀表充足，可觀測(cè)參數(shù)完整的情況，如果系統(tǒng)中儀表?yè)p壞或丟失，導(dǎo)致流量Q不可觀測(cè)，僅閥門(mén)開(kāi)度和壓力可觀測(cè)。那么，僅通過(guò)可觀測(cè)參數(shù)與設(shè)備性能指標(biāo)的關(guān)系無(wú)法解決問(wèn)題，即僅通過(guò)觀測(cè)到管路中的壓力，無(wú)法判斷設(shè)備是否發(fā)生故障。因此如何根據(jù)較少的可觀測(cè)參數(shù)計(jì)算設(shè)備的性能指標(biāo)至關(guān)重要，所以需要通過(guò)非完整的可觀測(cè)參數(shù)估算設(shè)備性能指標(biāo)的反問(wèn)題研究方法，估算設(shè)備的性能指標(biāo)，才能判斷設(shè)備的性能指標(biāo)是否發(fā)生變化，定位故障設(shè)備。

4 可觀測(cè)參數(shù)估算設(shè)備性能指標(biāo)

由上一章節(jié)可知，如流量可測(cè)，則測(cè)得流量為Q=29.14m3/s，泵前后壓力P1=20MPa、P2=77.54 MPa，閥后壓力P3=171.89MPa；Q′=42.20m3/s，泵前后壓力P′1=20MPa、P′2=30.97MPa時(shí)，代入式（3）和式（6）可得離心泵的封閉流量H0=100m和折合系數(shù)k=0.05，調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)KV(1 00)=6。與離心泵設(shè)計(jì)時(shí)的性能指標(biāo)對(duì)比可知，是閥門(mén)的流量系數(shù)K（V100）發(fā)生了改變，因此進(jìn)一步判斷是閥門(mén)出現(xiàn)故障。同理如果計(jì)算得出結(jié)果為離心泵的封閉揚(yáng)程或折合系數(shù)發(fā)生改變，就可判斷是泵發(fā)生故障。

但是隨著設(shè)備的使用，可能會(huì)出現(xiàn)流量計(jì)損壞，無(wú)法直接測(cè)量流量的情況。如果使用傳統(tǒng)的模型計(jì)算，只能得到H0=100m和泵的折合系數(shù)與閥門(mén)流量系數(shù)之間的關(guān)系kKv2(100)=2.5。無(wú)法解出折合系數(shù)與流量系數(shù)，不能判斷系統(tǒng)中哪個(gè)設(shè)備的性能指標(biāo)發(fā)生改變。

因此需要建立可觀測(cè)參數(shù)與設(shè)備性能指標(biāo)的反問(wèn)題模型，通過(guò)少量的可觀測(cè)參數(shù)，反推設(shè)備的性能指標(biāo)，判斷設(shè)備故障原因。通過(guò)模型的仿真計(jì)算得到設(shè)備使用后閥前后壓差隨開(kāi)度變化的曲線(xiàn)，如圖6所示。由圖可知，在恒定轉(zhuǎn)速下，只由可觀測(cè)到的參數(shù)，閥門(mén)的開(kāi)度和壓力點(diǎn)測(cè)得的壓力，可以得到反問(wèn)題研究下的設(shè)備性能曲線(xiàn)。將圖6的壓差-開(kāi)度曲線(xiàn)與圖5中的曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，并比較曲線(xiàn)之間的中間值、期望和方差，圖6的曲線(xiàn)與圖5中閥門(mén)流量系數(shù)KV改變的曲線(xiàn)差異更小，更相似，因此能夠判斷為是閥門(mén)發(fā)生故障。同理如果圖6所得曲線(xiàn)與圖5中離心泵的封閉揚(yáng)程H0或折合系數(shù)k的相似度高，則可判斷是泵發(fā)生故障。

圖6 少量觀測(cè)參數(shù)的曲線(xiàn)

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)離心泵和調(diào)節(jié)閥組成的熱力管網(wǎng)系統(tǒng)的建模仿真，研究可觀測(cè)參數(shù)與設(shè)備性能指標(biāo)之間關(guān)系的正反問(wèn)題方法，得到離心泵和調(diào)節(jié)閥的特性曲線(xiàn)，并通過(guò)特性曲線(xiàn)的變化，找到故障設(shè)備。為只通過(guò)較少的可觀測(cè)量來(lái)評(píng)估設(shè)備的性能指標(biāo)提供一個(gè)解決問(wèn)題的方法，并且通過(guò)性能曲線(xiàn)的變化追溯到設(shè)備性能發(fā)生變化的原因，適用于其他同類(lèi)中小型熱力系統(tǒng)的性能指標(biāo)評(píng)估。