大型汽輪機熱力參數(shù)異常測點識別軟件的開發(fā)

張 莉, 張 琰

(1.上海電力學院, 上海 200090; 2.國核工程有限公司, 上海 200233)

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大型汽輪機熱力參數(shù)異常測點識別軟件的開發(fā)

張 莉1, 張 琰2

(1.上海電力學院, 上海 200090; 2.國核工程有限公司, 上海 200233)

考慮電力生產(chǎn)單位的實際情況,開發(fā)了一種汽輪機熱力參數(shù)異常識別軟件.該識別軟件具有一定的通用性,可以較好地對機組負荷60%以上工況的測點進行異常識別,能夠?qū)ψR別出的異常測點進行報警,同時給出異常測點的建議值.

大型汽輪機; 熱力參數(shù); 測點; 異常識別; 軟件

超超臨界機組發(fā)電技術(shù)作為一種效率高、單機容量大、可靠性好、環(huán)保指標先進的新型發(fā)電技術(shù),已經(jīng)越來越受到世界各國的關(guān)注,我國也是如此.然而隨著工作蒸汽參數(shù)的大幅度提高,機組主要設備面臨的安全性和經(jīng)濟性挑戰(zhàn)也更加嚴峻.[1-2]尤其是汽輪機,其高溫部件在變工況運行時須承受更大的熱應力和各種侵蝕損傷,從而影響機組的安全運行和壽命.因此,開展超超臨界汽輪機經(jīng)濟性診斷、變工況熱應力分析及壽命預測等工作就顯得十分必要.而這些工作的展開,都要以獲得準確的機組結(jié)構(gòu)和熱力參數(shù)數(shù)據(jù)作為前提和基礎.

目前,電力生產(chǎn)單位普遍采用集散控制系統(tǒng)(DCS)來實現(xiàn)機組的數(shù)據(jù)采集工作.然而DCS系統(tǒng)本身的抗干擾、硬件故障等問題以及數(shù)據(jù)傳輸過程中的失真問題使得數(shù)據(jù)的準確性難以保證.[3]這會直接導致后續(xù)的應力分析和壽命診斷工作出現(xiàn)錯誤,影響機組的安全經(jīng)濟運行,甚至出現(xiàn)事故.因此,對汽輪機變工況運行中的主要參數(shù)進行實時監(jiān)測,對機組DCS系統(tǒng)采集到的運行數(shù)據(jù)進行甄別,以便及時發(fā)現(xiàn)異常測點并采取相應對策,保證應力計算和經(jīng)濟性分析的準確性,進而保證機組在安全、經(jīng)濟的工況下運行,具有重要的意義.

本文將考慮電力生產(chǎn)單位的實際情況,開發(fā)一種汽輪機熱力參數(shù)異常識別軟件.該軟件能夠?qū)ψR別出的異常測點進行報警,提醒運行控制人員及時進行處理,同時給出異常測點的建議值,從而為汽輪機部件熱應力分析與壽命診斷、汽輪機運行經(jīng)濟性研究等工作提供準確的基礎數(shù)據(jù).

1 識別方案原理

在一定的已知條件下,通過在汽輪機內(nèi)展開熱力計算[4-5]實現(xiàn)測點異常的識別,識別過程如下:根據(jù)汽輪機額定工況的參數(shù)計算得到蒸汽熱力過程線,依次選取各抽汽點狀態(tài)參數(shù)為基準,通過蒸汽熱力膨脹過程線的平推,計算其余抽汽口的狀態(tài)參數(shù),得到若干組抽汽點狀態(tài)參數(shù)的計算值,將抽汽點狀態(tài)參數(shù)計算值與就地儀表顯示的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進行對照,識別是否存在異常測點.

由于在未進行識別前,無法確定抽汽點蒸汽參數(shù)是否正確,不適宜展開以抽汽點蒸汽參數(shù)為基礎的考慮汽輪機回熱系統(tǒng)熱平衡的汽水流量計算.根據(jù)汽輪機原理知識,識別計算可利用弗留格爾公式,假定變工況下汽輪機各級組前(后)壓力和額定工況下相應級組前(后)壓力的比值與變工況和額定工況時的各級組蒸汽流量比值近似相等,進而借此確定汽輪機每一級組前(即各抽汽點)或級前的蒸汽壓力.此外,盡管汽輪機在工況發(fā)生變化時,各級組或各級內(nèi)蒸汽的工作過程也會相應發(fā)生變化,但由汽輪機原理知識可知,凝汽式汽輪機在負荷變化時,除調(diào)節(jié)級和末級之外,各中間壓力級組或壓力級,若忽略級組或級前蒸汽溫度的變化,則級組或級的內(nèi)效率基本不變,即變工況時各級組或級的熱力過程線可以由額定工況下的熱力過程線逐級類推獲得,這一規(guī)律大大簡化了級組或級前蒸汽狀態(tài)參數(shù)的確定過程.

2 識別條件分類

根據(jù)上述的識別原理,和機組汽輪機運行時電廠能夠獲得的基礎數(shù)據(jù)的詳細程度,將識別條件分為以下兩類:

(1) 已知機組功率,主蒸汽狀態(tài)參數(shù),調(diào)節(jié)級汽室蒸汽狀態(tài)參數(shù),主蒸汽流量,末級排汽壓力或凝汽器壓力,各抽汽點狀態(tài)參數(shù),額定工況下各抽汽點的抽汽量;

(2) 已知機組功率,主蒸汽狀態(tài)參數(shù),調(diào)節(jié)級汽室蒸汽狀態(tài)參數(shù),主蒸汽流量,末級排汽壓力或凝汽器壓力,額定工況下各抽汽點的抽汽量,額定工況下各級前(后)蒸汽狀態(tài)參數(shù).

兩類識別條件分別對應兩種不同的識別程序,即簡化計算識別和詳細計算識別.

3 兩種識別程序的計算方法

3.1 簡化計算識別方案的識別步驟

汽輪機以抽汽口為分界點,將汽輪機劃分為若干級組,依次選取過熱蒸汽區(qū)的各個抽汽口作為基準點,經(jīng)過計算得到若干組抽汽狀態(tài)參數(shù);通過各組相應抽汽點的比較,確定是否具有異常測點并判別出異常測點的位置,實現(xiàn)報警.識別步驟如下.

步驟1 假定變工況下汽輪機各級組前(后)壓力和額定工況下相應級組前(后)壓力的比值與變工況和額定工況時的各級組蒸汽流量比值相等,選取某一抽汽口為基準點,計算出變工況下的流量比,作為應用弗留格爾公式計算級前壓力的基礎.

步驟2 由額定工況下各級組前、后的熱力參數(shù),計算出額定工況下各級組的內(nèi)效率,作為后續(xù)計算的基礎數(shù)據(jù).

步驟3 將汽輪機的所有壓力級視為一個級組,以汽輪機的排汽壓力為背壓,利用弗留格爾公式及前期計算出的流量比計算出變工況下各級組前,即各抽汽點的蒸汽壓力.

步驟4 以選定的基準點為起點,向前、后分別類推額定工況下各級組的熱力過程線,過程線與各級組壓力線的交點,即為各抽汽口的狀態(tài)點,由該點便可確定各抽汽點的溫度.

步驟5 分別以各抽汽點為基準點,重復上述步驟,得到一系列抽汽口的狀態(tài)參數(shù).將相應抽汽口的狀態(tài)參數(shù)相互比較,相對誤差超過所設定的誤差限的測點即為判別出的異常測點.誤差限的確定詳見文獻[6].

3.2 詳細計算識別方案的識別步驟

詳細計算識別方案的原理和具體的識別步驟與簡化計算識別方案沒有本質(zhì)區(qū)別,只是由于已知額定工況下各級前(后)的蒸汽參數(shù),可以逐級計算出級內(nèi)效率.在變工況計算時,亦可以用逐級平推熱力過程線來代替簡化識別方案中的以抽汽點為分界平推各級組過程線的方法.

具體思路如下:選取工質(zhì)狀態(tài)位于過熱蒸汽區(qū)的某一抽汽口作為基準點,由弗留格爾公式計算出變工況時該級的流量比,并以此流量比作為定值應用于其他所有級;利用弗留格爾公式依次計算出其他各級前(后)的蒸汽壓力;以該基準點作為計算起點,以級為單位,在各級內(nèi)平推額定工況下的蒸汽過程線得到變工況下級內(nèi)的熱力過程線,確定各級前(后)的蒸汽溫度,即確定了各級前(后)的蒸汽狀態(tài)參數(shù),當然也包括各抽汽點的蒸汽狀態(tài)參數(shù).依次選取過熱蒸汽區(qū)的各個抽汽口作為基準點,經(jīng)過計算得到若干組抽汽點的狀態(tài)參數(shù);通過各組抽汽點參數(shù)的計算值及其現(xiàn)場數(shù)據(jù)間的比較,確定是否具有異常測點,并判別出異常測點的位置,實現(xiàn)報警.識別步驟參見簡化計算識別方案的識別步驟.

4 識別軟件的設計

4.1 編程語言

識別軟件的編寫選擇Visual Basic作為軟件系統(tǒng)的編程語言.之所以選擇VB語言編寫識別軟件是因為:

(1) VB語言功能強大,容易掌握;

(2) VB是一個開放、靈活的開發(fā)平臺,可以用多種不同的方法來擴充VB的功能,包括第三方定制控件、OLE(對象的鏈接和嵌入)、服務器及DLL(動態(tài)鏈接庫);

(3) 多數(shù)電廠目前所使用的監(jiān)測、計算軟件的源代碼都是使用匯編語言編制的,用VB語言編制的軟件可以很好地與其他軟件實現(xiàn)對接.本軟件的開發(fā)中用到了DLL以實現(xiàn)一些關(guān)鍵功能.

4.2 水和水蒸汽熱力性質(zhì)函數(shù)庫

汽輪機內(nèi)蒸汽參數(shù)的計算中需要確定多處工質(zhì)的狀態(tài)參數(shù),本文編制的“大型汽輪機熱力參數(shù)異常測點識別軟件”中水和水蒸汽的狀態(tài)參數(shù)的確定使用VB的動態(tài)鏈接庫(DLL)功能實現(xiàn)對《IAPWS-IF97/IFC67水和蒸汽性質(zhì)計算程序》的調(diào)用,所調(diào)用的“水和水蒸汽熱力性質(zhì)函數(shù)庫”系上海發(fā)電設備成套設計研究院楊宇高工編制的 《IAPWS-IF97/IFC67水和蒸汽性質(zhì)計算程序》.

4.3 軟件介紹

4.3.1 軟件功能

采用VB 6.0對汽輪機異常測點識別的方案進行了可視化編程,用戶可以根據(jù)對汽輪機額定工況下原始數(shù)據(jù)的掌握情況選擇合適的程序進行異常測點的識別.異常測點的識別及報警結(jié)果可以在軟件界面上直接輸出.出于使軟件界面簡單明了的目的,變工況的具體計算結(jié)果沒有在界面上直接輸出,而是選擇直接輸出到Microsoft Excel表格中,供用戶查詢、后續(xù)處理、打印使用.

4.3.2 界面介紹

軟件界面以窗口形式展現(xiàn),分為歡迎界面、操作和顯示界面,具體如圖1和圖2所示.

(1) 歡迎界面 歡迎界面為用戶打開本應用程序后顯示的初始界面.界面分為兩部分:一是軟件名稱“大型汽輪機熱力參數(shù)異常測點識別軟件”;二是操作按鈕“進入”、“關(guān)于”、“退出”.用戶單擊不同的按鈕可進行相應的操作.

圖1 軟件的歡迎界面

(2) 程序選擇區(qū) 程序選擇區(qū)包括“簡化計算識別”和“詳細計算識別”兩個單選框.選擇不同的單選框?qū)⒏鶕?jù)不同的計算程序進行計算并顯示結(jié)果.

(3) 界面操作區(qū) 界面操作區(qū)包括“運行”、“報警”、“返回”按鈕,點擊“運行”程序?qū)⑦M行變工況計算;點擊“報警”將顯示測點的判別結(jié)果;點擊“返回”將退回到歡迎界面.

(4) 數(shù)據(jù)輸入及結(jié)果顯示區(qū) 本區(qū)用于交替顯示“數(shù)據(jù)輸入框”、“結(jié)果顯示框”.“數(shù)據(jù)輸入框”用于已知數(shù)據(jù)的輸入,根據(jù)不同程序分為兩套輸入界面;“結(jié)果顯示框”用于顯示對測點數(shù)據(jù)的判別及報警結(jié)果.

圖2 軟件的操作和顯示界面

4.3.3 識程序選擇與參數(shù)輸入

大型汽輪機異常測點識別軟件包括簡化計算識別和詳細計算識別兩套計算程序.用戶可根據(jù)已知條件的詳細程度,在程序選擇區(qū)選擇相應的程序單選按鈕,即可進入相應的數(shù)據(jù)輸入面板.圖3和圖4分別為簡化計算識別和詳細計算識別所需參數(shù)的輸入界面.在輸入界面上按照提示輸入計算的原始數(shù)據(jù)即可.

圖3 簡化計算識別的參數(shù)輸入界面

圖4 詳細計算識別的參數(shù)輸入界面

4.3.4 輸入數(shù)據(jù)的異常判斷

“詳細計算識別”程序中涉及的原始數(shù)據(jù)較多,在數(shù)據(jù)的輸入過程中有可能會出現(xiàn)一些錯誤,這將直接導致異常測點判別的失敗.輸入錯誤數(shù)據(jù)造成的結(jié)果常為系統(tǒng)熱力過程出現(xiàn)熵減,低壓缸進口出現(xiàn)濕蒸汽等.為避免此類情況出現(xiàn),程序中設置了預報警系統(tǒng),以方便用戶及時發(fā)現(xiàn)錯誤,予以糾正.

4.4 計算及結(jié)果顯示

當用戶選擇了識別程序并輸入了原始數(shù)據(jù)之后,點擊“運行”按鈕即可進行汽輪機變工況的計算.計算結(jié)束將出現(xiàn)提示對話框,點擊“確定”即可進一步查看測點的判別結(jié)果,如圖5所示.

圖5 計算結(jié)束的顯示界面

如前所述,為使軟件輸出界面簡單明了,變工況計算程序的結(jié)果將不會在軟件界面中直接輸出,而是會輸出到Microsoft Excel表格中,供用戶查詢、后續(xù)處理數(shù)據(jù)、打印等.Microsoft Excel軟件具備直觀的界面、出色的計算功能和強大的圖表工具,是一款功能強大的常用數(shù)據(jù)處理軟件;同時,Excel中處理的數(shù)據(jù)還可以方便地被其他軟件調(diào)用.

計算過程結(jié)束后,點擊“報警”按鈕將會顯示測點的判別結(jié)果.如果有異常測點,則顯示對話框用以報告異常測點的位置,并給出異常測點的建議值;如果沒有異常測點,則顯示對話框報告所有測點數(shù)據(jù)正常.

4.5 適用對象

筆者以某300 MW中間再熱冷凝式汽輪機組數(shù)據(jù)為例,完成了軟件的編寫、調(diào)試工作.該機組汽輪機分為高、中、低壓缸,共有1個調(diào)節(jié)級和若干壓力級,回熱系統(tǒng)按照3個高壓加熱器、4個低壓加熱器和一個除氧器進行布置.1段和2段抽汽來自于高壓缸,分別進入1#和2#高壓加熱器,第2段抽汽來自于高壓缸出口;3段和4段抽汽來自于中壓缸,分別進入3#高壓加熱器和除氧器,第4段抽汽來自于中壓缸出口;5段,6段,7段,8段抽汽均來自于低壓缸,分別進入5#，6#，7#，8#低壓加熱器.

盡管本軟件是以某機組的數(shù)據(jù)進行的編寫和調(diào)試工作,但在軟件編制過程中考慮到了同類型機組的微小差異,諸如汽輪機級數(shù)、抽汽級數(shù)、抽汽口位置等,軟件對這些差異進行了處理,實現(xiàn)了軟件一定的通用性,即凡與上述汽輪機及其回熱系統(tǒng)布置形式雷同的機組均可使用本軟件進行熱力參數(shù)的異常識別.

5 識別軟件的檢驗

首先,將額定工況當作變工況的一個特例來檢驗程序編寫的正確性.以額定工況任意監(jiān)測位置處的測點為基準,取該基準點的設計參數(shù)展開計算,得到的其他監(jiān)測點的計算值均與額定工況的設計參數(shù)完全吻合,表明識別軟件沒有邏輯性錯誤和語句書寫上的錯誤.

其次,通過對測點進行人為地異常處理來檢驗軟件的識別能力和報警功能.研究工作對研究對象80%和60%兩個工況下單個測點異常和多個測點異常均進行了檢驗,識別結(jié)果顯示識別軟件能夠很好地識別出異常點.另外,研究工作表明,對于低于40%的工況識別不甚理想,分析原因是因為在低負荷工況下,汽輪機內(nèi)的蒸汽工作過程偏離了滿足本軟件開發(fā)基于的弗留格爾公式,所以不建議機組在較低負荷情況下使用該軟件.

需要說明的是,由于篇幅原因,論文中沒有給出識別軟件檢驗的識別結(jié)果,該結(jié)果的詳細信息可詳見文獻[7].

6 結(jié) 論

(1) 本文編寫的識別軟件具有一定的通用性,可以較好地對機組負荷為60%以上工況的測點進行異常識別,基本能夠滿足工程需要;

(2) 本文利用汽輪機通常能夠提供的計算條件實現(xiàn)了汽輪機熱力參數(shù)的異常識別,保證了大型火電機組汽輪機應力分析、壽命管理以及運行經(jīng)濟性分析等工作所需基礎數(shù)據(jù)的正確問題.

[1] 史進淵,楊宇,孫慶,等.超超臨界汽輪機部件冷卻技術(shù)的研究[J].動力工程,2003,23(6):2 735-2 739.

[2] 毛雪平,王罡,馬志勇,等.超超臨界汽輪機機組發(fā)展狀況[J].現(xiàn)代電力,2005,22(1):70-73.

[3] 蔣尋寒,曹祖慶．汽輪機常規(guī)熱力試驗和性能監(jiān)測中的儀表問題[J]．發(fā)電設備,2009(5):342-346.

[4] 李維特,黃保海.汽輪機變工況熱力計算[M].北京:中國電力出版社，2001:35-38.

[5] 曹祖慶.汽輪機變工況特性[M].北京:水利電力出版杜，1991:27-53.

[6] 張莉,張琰.大型汽輪機熱力參數(shù)異常測點識別的方法研究[J]．汽輪機技術(shù),2015,57(3):213-216.

[7] 張琰.大型汽輪機熱力參數(shù)異常測點識別方法研究及軟件開發(fā)[D]．上海:上海電力學院,2012.

(編輯 桂金星)

Development of Abnormal Identifying Software of Steam Thermal Parameters at Measuring Points on Large Steam Turbine

ZHANG Li1, ZHANG Yan2

(1.ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China; 2.StateNuclearPowerEngineeringCompanyLtd.,Shanghai200233,China)

Considering the actual situation of power production units,an abnormal identifying software of steam thermal parameters is developed.The software has certain universality.It can identify the abnormal steam thermal parameters at the measuring points on more than 60% load.It can alarm for the abnormal measuring points,and it can give the suggested value of the abnormal measuring points.

high-power turbine; thermal parameters; measuring points; abnormality recognition; software

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.05.003

2015-03-23

簡介：張莉(1973-),女,博士,教授,河南商丘人.主要研究方向為熱力設備的性能分析和數(shù)值模擬. E-mail:mmlzhang@163.com.

TK26; TP311.52

A

1006-4729(2016)05-0422-06