風機實時監測和失速預警系統開發及應用研究

何志瞧,沈 利,楊 威,琚 敏,葉學民

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

0 引言

隨著“碳達峰”和“碳中和”目標的提出,火電機組靈活性調峰任務日益艱巨,參與深度調峰已成為火力發電行業優化改造的主流方向之一[1]。因軸流風機對煙風系統阻力的變化非常敏感,當煙道阻力特性發生變化,尤其是阻力增大時,軸流風機易發生搶風失速現象[2]。因此,建立風機實時監測和故障預警系統對于指導風機運行具有重要的實際應用價值。

崔愷等[3]提出一種基于廣義回歸神經網絡的風力發電機組異常狀態預警方法。該方法在評價指標連續超過設定閾值時,能使機組發出異常預警。孫建平等[4]采用多變量狀態估計技術(multiple state estimation technology,MSET)對汽動引風機進行狀態監測,驗證了實時數據與狀態預警的準確性。李峰等[5]采用MSET對某引風機實現了故障準確預警。劉濤等[6]提出了基于多元狀態評估和偏離度的方法,實現了風機實時故障預警。韓萬里等[7]基于主元分析和多元狀態評估構建了風機故障預警模型,并將模型應用于上海某電廠。王博和吳智群[8]提出一種基于密度峰聚類的多元狀態估計方法,并建立了故障預警模型。

上述研究表明,目前故障預警系統多基于風機健康運行時的歷史數據,通過數據對比進而判斷風機運行狀態,且流量監測多采用單一測量方法,致使結果準確性有待提高。因此,本文通過三種測量方法相互協調的方式提高流量測量準確性,設定不同失速安全閾值以確定風機運行狀態的分級預警區。在此基礎上,本文基于C語言開發了軸流風機實時監測和失速預警系統。該系統可準確發出不同等級的預警信號,提示運行人員調整風機運行狀態,從而確保風機的安全運行。

1 實時監測系統

風機實時監測系統通過傳感器獲取實時運行參數并顯示到上位機操作畫面中,以準確反映風機當前的運行狀態,從而實現實時監測、運行狀態可視化等功能。該系統數據包括風機設計性能曲線、煙道阻力特性、鍋爐運行參數及風機運行狀態參數。其中,鍋爐運行參數取自電廠安全儀表系統(safety instrumentation system,SIS)。風機流量從每臺風機入口測得,靜壓取自風機入口和出口處的數據。由于煙道截面尺寸大、內部流動較復雜,且煙氣含塵使得難以準確測量流量參數,因此本文系統采用三種方法同時進行流量測量。

1.1 多點式矩陣流量計

靠背式動壓測量技術具有結構簡單、流量修正系數穩定,以及便于根據不同管道截面進行定制化設置等優點,是目前常用的煙風系統流量測量方案之一。

本文系統采用穩壓濾波裝置剔除異常數據,以提高試驗數據的準確性。由于小流量時易出現測量不敏感的問題,本文對流量計設計了靜壓擴壓裝置。根據現場試驗數據統計和流場分析結果可知,氣流經過風機后呈螺旋狀流動,進而導致測量精度差。為此,本文將流量計布置在風機入口處,且盡量靠近入口收斂段,以提高其測量精度。

采用多點式矩陣測量流量時,測點間距相等[9]。

多點式矩陣流量測點布置如圖1所示。

圖1 多點式矩陣流量測點布置圖Fig.1 Multi-point matrix flow measurement point layout diagram

1.2 差壓流量計

軸流風機入口處至集流器出口處的流場均勻性好,且風機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較為穩定。本文采用文丘里管測量風機流量。體積流量計算式為:

(1)

式中:Q為風機體積流量,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;下標1、2分別表示風機入口和集流器出口。

風機入口的靜壓測點布置在集流器入口,出口靜壓測點布置在集流器出口。風機靜壓測點布置如圖2所示。

圖2 風機靜壓測點布置圖Fig.2 Fan static pressure measurement point layout diagram

1.3 基于風機性能曲線的流量計算

風機正常運行時,其實際運行性能與設計性能基本吻合。因此,本文結合風機實際開度、進出口靜壓與設計性能曲線,獲取風機流量。通過對比多點式矩陣測量結果、差壓式流量計測量結果與性能曲線對應值來修正實際流量,直至偏差在允許范圍內,即可獲得風機的實際流量值。

實踐表明,矩陣式流量計精度高,但由于測孔較為精密和受氣流波動影響,易出現流量值虛跳和堵塞的現象。而采用差壓法和基于風機特性曲線的計算方法均存在精度偏低的問題。因此,本文在系統開發時對流量的計算方法進行優化,即以多點式矩陣流量計為主、差壓法和基于風機特性曲線的計算方法為輔的方式,增設自動切換、濾波及修正模塊,以保證流量測量的可靠性。

2 失速計算模型

對于電站風機的實時監測,除監測其運行經濟性外,還需監測其運行狀態及安全性。風機運行工況點靠近失速線時,會存在發生失速的風險。因此,本文通過分析風機失速特征,建立了風機失速預測模型,提出了表征風機失速的危險性量化指標,進而制定了風機失速狀況的不同等級預警機制。

本文基于ASP.NET Core Web框架的瀏覽器/服務器(browser/server,B/S)架構,開發了電站風機實時監測和預警系統,以實現電站風機實時監測、故障診斷和安全預警。該系統集電站風機的流量、壓力、溫度及電流等參數的采集、濾波、分析和診斷等功能于一體,可實現異常報警、數據分析、數據存儲、數據導出等,為機組運行人員的調控提供指導。

風機實時監測和預警系統通過監測風機運行狀態,結合失速預警模型,對火電機組電站風機監控管理功能擴展,提高了風機運行經濟性及安全性。該系統軟件平臺基于C#面向對象程序語言開發。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

實時監測和失速預警系統的客戶端作為表現層,經應用層各模塊的處理和通信接口輸入輸出,實現了與現場設備之間的連接。該系統的采集服務器直接獲取現場設備通信點傳送的實時數據,經網絡串口協議發送到存儲層。運行人員可在線查看風機性能曲線,或調用數據庫中歷史數據,以形成趨勢圖。若風機處于異常工況,系統會自動將報警信息和日志反饋到數據庫中,在客戶端和分布式控制系統(distributed control system,DCS)的報警畫面中同時展示。此外,系統可在客戶端中設置相應參數,發送的指令信息經DCS處理后,間接控制就地設備的運轉,以使風機及時脫離失速區。

2.1 流量和壓力安全裕量

對于軸流風機,其性能曲線存在“駝峰型”失速區。風機運行點P1及其對應失速點P2如圖4所示。

圖4 風機運行點P1及其對應失速點P2Fig.4 Fan operating point P1 and its corresponding stall point P2

圖4中:P為風機全壓,Pa;Q為體積流量,m3/s。

根據風機的P1(Q,P)及其開度α,可確定開度線與理論失速線的失速點P2(Qs,Ps),從而得到風機流量安全裕量kq和壓力安全裕量kp[10]。

(2)

式中:s為臨界失速點。

(3)

2.2 失速安全裕量

根據P1(Q,P)和P2(Qs,Ps) ,可確定失速安全裕量系數M,進而判斷風機工況點與失速線間的距離[11]。

(4)

式中:β為設置的安全閾值。

當M>1時,表示風機在安全區運行;當M<1時,表示風機在靠近失速區運行。M值越大,風機抗管路系統干擾能力越強;反之,則風機抗干擾能力越弱,越易發生失速現象。

3 失速預警系統

為便于運行人員及時調整風機運行狀態,可通過設定不同安全閾值和失速安全裕量系數,建立不同等級的安全預警區,從而實現風機異常運行狀態預警。為此,本文通過實時監測和預警系統提取的風機流量和壓力等參數,確定風機當前的運行工況點;同時,結合設定安全預警區的性能曲線,顯示風機運行狀態,并給出相應運行提示。風機預警區分布如圖5所示。

圖5 風機預警區分布圖Fig.5 Fan warning area distribution map

圖5中給出了不同等級下的失速預警線。當運行工況點處于預警線3以下時,如圖5中A點和B點所示,實時監測和失速預警系統則顯示風機“正?！?。當運行工況點位于預警線3與預警線2之間時,系統顯示“輕微”,提示需加強風機和煙風系統監控。當運行工況點處于預警線2與預警線1之間時,系統顯示“中等”,提示需控制升降負荷速率、控制風機開度調節速率。當運行工況點處于預警線1上方時,系統顯示“嚴重”,提示需限制風機開度上升。

4 實際應用

本文以浙江某燃煤發電機組的引風機為對象,測試了風機實時監測和失速預警系統。因該機組運行年限較長,風機存在磨損等現象,需確定風機實際性能與設計性能曲線間的偏差,并將結果輸入系統,作為判別失速的邊界條件。

在上述機組運行過程中,風機實時監測和失速預警系統發出的不同等級預警如圖6所示。

圖6 風機實時監測和失速預警系統發出的不同等級預警Fig.6 Different levels of warning from real-time fan monitoring and stall warning systems

圖6(a)表明,B側引風機運行工況點位于預警線3和預警線2之間。此時:系統發出“輕微”預警;故障提示為風機偏離設計工況;葉片非同步調整或葉片卡澀。

圖6(b)表明,B側引風機運行工況點位于預警線2和預警線1之間。此時:系統發出“中等”預警;故障提示為風機與管網匹配性較差;風機運行點靠近失速區。

圖6(c)表明,B側引風機運行工況點越過預警線1。此時:系統發出“嚴重”預警;故障提示為風機已非常靠近不穩定運行區;調節機構存在故障。

上述運行結果表明,風機實時監測和失速預警系統可準確反映風機的當前運行狀態,通過在失速前發出預警信號,提醒運行人員采取相關措施,進而保障風機的安全、穩定運行。

5 結論

本文基于C語言開發了軸流風機實時監測和失速預警系統。該系統通過結合SIS提取的機組運行數據和不同流量測量方案的優點,實現了風機流量的準確測量。根據風機運行工況點所處位置及預警區,該系統可準確發出相應等級的預警提示,實現了風機運行狀態的分等級預警功能。

在浙江某電廠燃煤鍋爐機組的實際應用結果表明,該系統實現了風機運行狀態的可視化,驗證了系統的可靠性。當風機運行點靠近失速線時,該系統通過發出不同等級預警信號提醒運行人員及時調整風機運行狀態,保證了風機的安全運行。