基于閥后溫降模型的疏水閥門狀態(tài)評判

張衛(wèi)斌1，鄭 熙1，呂 品2，展 元3

（1.國能黃金埠發(fā)電有限公司，江西 上饒 335100；2.北京品德技術(shù)有限公司，北京 102200；3.華北電力大學(xué)河北省發(fā)電過程仿真與優(yōu)化控制技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定 071000）

0 引言

閥門是電廠普遍使用的熱力設(shè)備，作為管路中的控制裝置在使用過程中起著開閉管路、控制流向、調(diào)節(jié)輸送介質(zhì)參數(shù)以及保護管路和設(shè)備正常運行[1]的作用。但由于閥門自身質(zhì)量問題或者工作人員操作不當(dāng)，可能會造成閥門的泄漏等許多問題，嚴重影響機組運行安全和效率[2,3]。有研究表明，當(dāng)200MW機組和300MW機組的蒸汽泄漏量達到主蒸汽流量的2%時，機組煤耗率將分別上升4.01和4.53g/(kW·h)[4]。因此，若能提前發(fā)現(xiàn)閥門泄漏，不僅可以使閥門得到及時維修或更換，而且可以明顯減少能耗。

目前，國內(nèi)外對諸如閥門等設(shè)備的運行狀態(tài)越來越重視，旨在確保設(shè)備的良好運行，延長使用壽命，減少故障發(fā)生率，提高機組運行的可靠性、安全性和生產(chǎn)效率[5]。吳祖斌等[6]通過大數(shù)據(jù)挖掘，展開發(fā)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的相關(guān)研究，結(jié)合專家知識庫，針對電廠發(fā)電設(shè)備故障及異常情況，建立故障預(yù)警及診斷模型，并在監(jiān)控畫面進行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障趨勢預(yù)警。張云鵬等[7]利用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷技術(shù)，通過采集設(shè)備實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合邏輯診斷模型和可視化技術(shù)對設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)控和故障診斷。王娜[8]分析深度學(xué)習(xí)的特點，結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)和深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)(DNN)，構(gòu)建出基于多重卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合的模型，并對工業(yè)設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集和分析，進行模型的訓(xùn)練和實驗驗證，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的健康監(jiān)測。林偉國等[9]通過對閥門不同狀態(tài)下的信號時頻域特征對比分析，提出了基于小波包能量分率的閥門內(nèi)漏聲波信號特征提取方法，可以對閥門不同狀態(tài)進行有效區(qū)分。劉瑤等[10]提出了基于聲發(fā)射技術(shù)和門控循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障檢測方法，用重構(gòu)的去噪數(shù)據(jù)進行處理來提高模型效果，從而提高檢測精度。常毅君等[11]通過研究閥門前后管道溫差以及閥門開關(guān)度扭矩，對閥門運行時的嚴密情況進行確認，判斷閥門實時狀態(tài)，實現(xiàn)閥門運行綜合管理。許勇等[12]以核電設(shè)備為對象，從整體敘述基于數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的狀態(tài)評估研究內(nèi)容，在介紹核電廠設(shè)備狀態(tài)檢修維護現(xiàn)狀和故障模式的基礎(chǔ)上，闡述了核電設(shè)備狀態(tài)評估方法以及深度學(xué)習(xí)在該領(lǐng)域中的探索研究。陳玉昇等[13]基于深度信念網(wǎng)絡(luò)(DBN)對事故進行研究，將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于核電設(shè)備的狀態(tài)評估。耿蘇杰等[14]利用融合模糊函數(shù)改進的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)故障診斷和狀態(tài)評估方法，構(gòu)造特征信息，量化模糊狀態(tài)，對電力設(shè)備進行故障診斷和全景狀態(tài)評估。

現(xiàn)有方法多利用機器學(xué)習(xí)或者深度學(xué)習(xí)的方法實現(xiàn)閥門狀態(tài)判斷，存在計算量大、實時性差的缺點。本文從疏水閥門機理特性分析入手，建立閥后溫降模型結(jié)構(gòu)特征，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動模型和機理模型串聯(lián)的混合模型結(jié)構(gòu)，保證模型精度的同時，提高狀態(tài)判斷的實時性。

1 管壁溫度機理分析

當(dāng)電廠中的疏水閥門管道內(nèi)有工質(zhì)流過時，會進行如圖1所示的傳熱過程。首先，流經(jīng)管道的工質(zhì)與管道內(nèi)壁發(fā)生對流換熱，將熱量傳至管道內(nèi)壁；然后管道內(nèi)外壁之間以熱傳導(dǎo)的方式進行熱量傳遞。同樣地，熱量在管道外壁與保溫層之間也以熱傳導(dǎo)方式進行傳遞，最后保溫層和外部環(huán)境進行對流換熱，熱量向外部環(huán)境散發(fā)，自此完成整個熱量傳遞過程，通常認為以上4種方式傳遞的熱量 Q相等。在圖1中，T0、T1、T2、T3、T4依次表示工質(zhì)、管道內(nèi)壁、管道外壁、保溫層外壁、外部環(huán)境的溫度。

圖1 傳熱過程圖Fig.1 Heat transfer process

下面分別對上述傳熱過程進行分析，從而得出疏水閥后溫降模型的結(jié)構(gòu)特征。

1.1 保溫層與周圍空氣的自然對流換熱

保溫層與周圍空氣的自然對流換熱量為

式（1）中：c3為保溫層比熱；m3為所取工質(zhì)質(zhì)量；d3為保溫層外徑；l為計算時所取控制體長度；h1為換熱系數(shù)；t3為保溫層溫度；t4為外部環(huán)境溫度。

h1的計算式為

式（2）中 ：λa為空氣導(dǎo)熱系數(shù)；Nu為努塞爾數(shù)。

保溫層與周圍空氣之間的傳熱情況屬于橫管大空間自然對流換熱，有

式（3）中：Gr為格拉曉夫數(shù)，Pr為普朗特數(shù)，Pr和n根據(jù)層流和紊流狀態(tài)取值。

Gr計算式為

式（4）中：g為重力加速度；α=1/T，T為周圍空氣的絕對溫度；Δt=t3-t4；μa為空氣動力黏度。

1.2 保溫層、管道內(nèi)壁與外壁之間的熱傳導(dǎo)

保溫層與管道外壁之間的熱傳導(dǎo)可近似視為單層均質(zhì)圓筒壁導(dǎo)熱問題，熱量傳導(dǎo)公式

式（5）中：c2為管道外壁比熱；ρ2為管道外壁密度；V2為管道外壁體積；λb為保溫層導(dǎo)熱系數(shù)；t2為管道外壁溫度；d2既是保溫層內(nèi)壁直徑，也是管道外壁直徑。

同理，管道內(nèi)、外壁之間的熱量交換的傳導(dǎo)公式表示為

式（6）中：c1為管道內(nèi)壁比熱；ρ1為管道內(nèi)壁密度；V1為管道內(nèi)壁體積；λg為管道導(dǎo)熱系數(shù)；t1為管道內(nèi)壁溫度；d1為管道內(nèi)壁直徑。

1.3 管道內(nèi)部流體強制對流換熱

管道內(nèi)部蒸汽或水流動屬于強制對流換熱。對于控制體，有

式（7）中：ρ0為流體密度 ；v0為流速；c0為流體定壓比熱容；h2為內(nèi)部流體與管壁間的換熱系數(shù)；t0為控制體中流體平均溫度。

綜上所述，單獨的保溫層與外部環(huán)境，管道外壁與保溫層，管道內(nèi)外壁之間以及管道內(nèi)工質(zhì)與管道內(nèi)壁的傳熱方程如(1),(5),(6),(7)式所示。依據(jù)上述傳熱方程，將整個傳熱過程進行分析[15]，建立基于該過程的傳熱方程組

取初始條件溫度均為Tk，記

并記

則式（8）可變?yōu)?/p>

對上式進行聯(lián)立求解，得到關(guān)于Tout(t)和Tin(t)的關(guān)系式，對其做拉普拉斯變換得

其中：a=-τ0τ1τ2τ3，

式（10）表明，采用復(fù)合集總參數(shù)法所建立的整個換熱過程的模型是四階系統(tǒng)，系數(shù)計算復(fù)雜。為了方便工程實施，可近似描述為多容慣性環(huán)節(jié)的形式

同時，也可以描述成等容高階慣性環(huán)節(jié)

其中：Tf=(Ta+Tb+Tc+Td)/4。

利用傳遞函數(shù)變換經(jīng)驗公式，等容高階慣性環(huán)節(jié)可以通過提高慣性環(huán)節(jié)常數(shù)實現(xiàn)模型降階，進一步把機理模型等效為具有大慣性的一階環(huán)節(jié)。

2 閥后溫降模型的建立

根據(jù)在現(xiàn)場輸水管道布置的溫度、壓力、流量測點所采集到的歷史數(shù)據(jù)進行分析與整理，利用兩點法和最小二乘法對其中的部分疏水閥門的溫降變化趨勢進行擬合?；谝陨蠙C理分析，建立基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的溫降模型曲線如圖2。

圖2 疏水閥門溫降模型圖Fig.2 Trap valve temperature drop model

將圖2所示的4個疏水閥后溫降模型進行數(shù)值化的表達和展現(xiàn)，得出單位脈沖響應(yīng)表達式和傳遞函數(shù)的歸一化表達式，最終呈現(xiàn)出表1所示的溫降模型結(jié)果。

表1 疏水閥門溫降模型結(jié)果Table 1 Hydrophobic valve temperature drop model results

結(jié)合上述溫降模型曲線圖和溫降模型表達式，可以看出，利用圖3所示的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型和機理模型串聯(lián)的混合模型結(jié)構(gòu)，所建立的疏水閥后溫降模型的精準度較高，效果明顯，相較于原始數(shù)據(jù)的趨勢擬合是基本一致的，可以作為疏水閥門狀態(tài)評判的可靠依據(jù)。

圖3 串聯(lián)型混合模型結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of a tandem hybrid model

3 閥門狀態(tài)評判

針對閥門狀態(tài)的評判機制，引入有限狀態(tài)機的概念。有限狀態(tài)機[16]是表示有限個狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動作等行為的數(shù)學(xué)模型，實則是一種邏輯模型，其表現(xiàn)形式有狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)移表，被應(yīng)用于編程、電路、協(xié)議、狀態(tài)評判等方面。

對于疏水閥門，其狀態(tài)可呈現(xiàn)出關(guān)閉狀態(tài)、正開狀態(tài)、全開狀態(tài)、正關(guān)狀態(tài)、中間狀態(tài)五種形態(tài)，系統(tǒng)在任意時刻都只會處于有限狀態(tài)集合中的某一狀態(tài)之下，并且這些不同狀態(tài)之間滿足一定的狀態(tài)變化邏輯。由此，建立疏水閥門的有限狀態(tài)機模型，將其用于疏水閥門狀態(tài)整體的管理機制上，即建立不同狀態(tài)之間的相互邏輯關(guān)系，當(dāng)外部條件發(fā)生變化時，由所建狀態(tài)機給出疏水閥門相應(yīng)的處理動作或使其狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移。圖4為一個疏水閥門的有限狀態(tài)機模型。

圖4 疏水閥門的有限狀態(tài)機模型Fig.4 Finite state machine model of a hydrophobic valve

結(jié)合疏水閥門的有限狀態(tài)機模型圖，建立如表2所示的疏水閥門狀態(tài)判定表，對疏水閥門的5種不同狀態(tài)的定義、表現(xiàn)與判定以及狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件與邏輯進行詳細的界定和說明。

表2 疏水閥門狀態(tài)判定Table 2 Determination of the status of the trap valve

由上述有限狀態(tài)機模型和狀態(tài)判定表，可以明確不同狀態(tài)之間的邏輯關(guān)系，便于對疏水閥門狀態(tài)的判定和管理，更加有效地對閥門狀態(tài)進行預(yù)測。

4 閥門狀態(tài)評判實驗結(jié)果

根據(jù)有限狀態(tài)機和狀態(tài)評定表，針對某疏水閥門進行狀態(tài)評判實驗，可得到圖5所示的狀態(tài)評判結(jié)果（部分區(qū)間未進行狀態(tài)標注）。由圖5可清晰看出，所建立的有限狀態(tài)機模型和相關(guān)評判條件是合理的，對于疏水閥門的狀態(tài)評判是可行和有效的。

圖5 疏水閥門狀態(tài)評判結(jié)果圖Fig.5 Hydrophobic valve status evaluation result

5 結(jié)束語

以共性技術(shù)研究為基礎(chǔ)，通過換熱機理和數(shù)據(jù)驅(qū)動方法相結(jié)合的方式，建立了疏水閥后溫降的混合模型，并將有限狀態(tài)機模型引入到疏水閥門的狀態(tài)評判中，結(jié)合所建混合模型，形成了疏水閥門狀態(tài)之間的邏輯評判準則和機制，從而實現(xiàn)對各類疏水閥不同狀態(tài)的準確評判和有效管理。因此，所做的基于閥后溫降模型的疏水閥狀態(tài)評判工作是可行和有益的，可以進一步提高閥門壽命，保障機組運行安全，增強節(jié)能降耗成效，具有良好的社會經(jīng)濟效益。