一种基于失速安全裕量评估的轴流式电站风机失速预警方法与流程

1.本发明属于风力发电技术领域，具体涉及一种基于失速安全裕量评估的轴流式电站风机失速预警方法。


背景技术：

2.目前，电站风机已普遍采用轴流式风机，而轴流式风机存在失速特性，且其对烟风系统阻力参数变化非常敏感；当风机选型不合理或机组改造后由于各方面原因导致烟风系统阻力变大，轴流风机极易发生抢风失速现象。若风机进去失速状态后，将风机将处于非稳定状态运行，风机出力降低、振动值将急剧增大，若不及时干预，则有可能造成风机设备的破坏，从而，影响火电机组的正常运行。目前，电站风机通常是通过配置风机失速差压开关进行失速报警，然而，由于基于失速差压开关的失速报警是利用风机失速时的风机内部流场变化而进行的报警，其属于失速故障已经发生的事后预警，并要求运行人员必须及时反应及操作干预，否则仍将造成风机跳机的事故，因而，如何可靠高效地进行轴流风机失速事前预警仍是电站风机安全运行亟需解决的技术问题。
3.目前，诸多学者通过提取风机正常工况及异常工况的各状态参数中(如电流、开度、进出口压力、振动等)的变化规律，通过大量历史记录数据构造监测模型，并通过对实时状态参数与监测模型进行比对，用以判断及预测风机是否失速，然而，该方法受限于异常工况的样本数量，其监测模型精度难以保证，易造成误报和漏报。而通过对电站风机运行性能参数进行实时监测，实时评估风机实际运行点与风机理论失速线的距离，实时获取风机的失速安全裕量系数，从而可基于失速安全裕量系数进行失速预警，该方法具有物理意义明确、准确度高等优点，具有重要的应用价值。实际应用过程中，由于电站风机所处的管网系统运行特点不同及风机运行点所在的等开度压力曲线变化规律不同，仅根据风机失速安全系数及相关标准规定的限值进行评判仍可能存在失速误报或漏报的情况。


技术实现要素：

4.为实现轴流式电站风机的失速预警，本发明提供了一种基于失速安全裕量评估的轴流式电站风机失速预警方法。
5.本发明采用如下技术方案来实现的：
6.一种基于失速安全裕量评估的轴流式电站风机失速预警方法，包括以下步骤：
7.1)基于轴流风机现场性能试验及风机失速线标定试验，对风机性能曲线进行评估及修正，获得实际风机性能曲线及其实际失速线；
8.2)构建电站风机数据采集系统，获取电站风机实时气动性能参数，计算风机实时运行点参数，并将其标示在修正后的性能曲线上；
9.3)对修正后的轴流式电站风机的性能曲线进行离散化并构建各开度下的压力-流量曲线簇及实际失速线，计算各开度下的失速临界点；
10.4)根据风机实测运行参数及其在其性能曲线上的分布，获取运行点所处的临近等
开度压力-流量曲线，并计算风机实测运行点到该两条临近等开度压力-流量曲线的最小距离，进而计算得到风机实测运行点所在的等开度线的失速临界点；
11.5)通过计算风机实测运行点及其等开度线的失速临界点的相对关系，进行风机是否临近失速的判断，并通过设置阈值进行失速预警。
12.本发明进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法如下：
13.101)根据锅炉常规运行范围，选取n个典型负荷工况进行风机性能试验，其中n≥3，包括正常运行的最大负荷及最大负荷工况，获取得到风机主要性能参数，包括风机入口体积流量q、风机全压p、风机叶片开度β和风机效率η；
14.102)根据风机实测性能参数与设计性能曲线对应的设计参数的偏差，包括开度偏差δβ及效率偏差δη，评估实际风机性能曲线是否偏离其设计性能曲线，若δβ＞3
°
或δη＞5％，则根据多个工况下的开度及效率偏差值对风机性能曲线进行修正；
15.103)根据轴流风机结构特点，利用集流器出口静压与风机入口静压差进行风机流量测量，选择多个风机开度下开展进行风机失速线逼近试验，获取各开度下的风机失速临界点，采用三次样条曲线拟合得到风机实际失速线ps＝fs(q)，并根据风机历史监测参数进行补充及验证。
16.本发明进一步的改进在于，步骤2)中，获取风机运行参数(q，p)，具体如下：
17.通过安装于风机入口的多点矩阵式流量计，实时测量风机入口管道某截面的平均动压pd，进而根据伯努利方程计算得到风机入口体积流量q；
18.基于风机进出口静压测点、温度测点及大气压力测量装置，获取得到风机进口静压p
in
、风机出口静压p
out
、风机进口温度t
in
，风机出口温度t
out
，以及大气压力pe；
19.基于上述风机气动参数，根据相关通风机现场性能试验标准进行数据处理及计算，获取得到风机主要运行参数，即风机入口体积流量q及风机全压p。
20.本发明进一步的改进在于，步骤3)中，获取各开度下的实际失速临界点集合{(qs,ps)
β
}，具体如下：
21.301)对修正后的轴流风机性能曲线进行离散化，获得各开度下的坐标点集合{(qi,pi)
β
}，其中β∈[βmin,βmax]，i＝1,2,3,
…
,n；
[0022]
302)基于各等开度压力-流量曲线的坐标点集合{(qi,pi)}，采用最小二乘法进行近似拟合，获得各等开度压力-流量曲线的拟合关系式p
β
＝f
β
(q)；其算法如下：
[0023]
给定数据点{(qj，pj)}和一组函数gk(q)，j＝1,2,...,m，k＝1,2，...，n，求数a1，a2，...,an，且m》n，使函数
[0024]
f(q)＝a1g1(q)+a2g2(q)+...+a
ngn
(q)
[0025]
满足
[0026][0027]
其中近似函数的形式采用多项式f(q)＝a0+a1q+a2q2+...+a
nqn
；
[0028]
303)基于各等开度压力-流量曲线的拟合模型p
β
＝f
β
(q)及风机实际失速线ps＝fs(q)，构建方程p
β-ps＝f
β
(q)-fs(q)＝0，采用二分法求解得到等开度线与风机实际失速线的交点集合{(qs,ps)
β
}，即各开度下的实际失速临界点集合。
[0029]
本发明进一步的改进在于，步骤4)中，具体实现方法如下：
[0030]
401)根据风机运行参数(q，p)、各等开度压力-流量曲线的拟合模型p
β
＝f
β
(q)及风机实际失速线ps＝fs(q)，计算风机运行点所处的等开度线与风机实际失速线的交点(qs，ps)，即失速临界点；
[0031]
402)基于风机运行点(q，p)及其等开度线的失速临界点(qs，ps)，计算风机压力失速裕量系数k
p
、流量失速裕量系数kq及失速安全系数k；
[0032]
403)根据不同风机类型，设定不同失速预警判定条件。
[0033]
本发明进一步的改进在于，步骤401)中，构建风机运行参数与各等开度压力-流量曲线的距离函数，并通过黄金分割一维优化算法计算得到风机运行点到各等开度曲线的最小距离d
β
，β∈[βmin,βmax]；
[0034][0035]
采用冒泡排序法对风机运行点到各等开度曲线的最小距离d
β
进行排序，获取离风机运行点最近的两条等开度曲线p
β
＝f1(q)及p
β
＝f2(q)及其开度值β1及β2、风机运行点到该两条开度曲线的最小距离值d1、d2,且d1＜d2；
[0036]
在等开度线离散度集合{(qs,ps)
β
}中，寻找开度值β＝β1及β＝β2的两个失速临界点(q
s,β1
,p
s,β1
)及(q
s,β2
,p
s,β2
)；
[0037]
当d1＝0时，qs＝q
s,β1
，ps＝p
s,β1
，否则，根据等开度线之间的等比例变化规律，构建求解方程如下：
[0038][0039]
其中，p＝fs(q)，q∈[q
s,β1
,β
s,β2
]；
[0040]
采用二分法求解方程，得到风机运行点所处的等开度线与风机实际失速线的交点(qs，ps)。
[0041]
本发明进一步的改进在于，步骤402)中，k
p
＝ps/p，kq＝q/qs，
[0042]
本发明进一步的改进在于，步骤403)中，对于一次风机，满足以下任一条件并发出预警信号：
[0043]
1)k≤1.4；
[0044]
2)k
p
≤1.15；
[0045]
3)kq≤1.1或q-qs≤1.1
×
单台磨故障退出时的流量变化量δq；
[0046]
对于送风机，满足以下任一条件并发出预警信号：
[0047]
1)k≤1.4；
[0048]
2)k
p
≤1.15；
[0049]
3)kq≤1.1；
[0050]
对于引风机，满足以下任一条件并发出预警信号：
[0051]
1)k≤1.4
[0052]
2)k
p
≤1.15或p
s-p≤δp，δp根据现场试验及历史数据分析获取；
[0053]
3)kq≤1.1。
[0054]
本发明至少具有如下有益的技术效果：
[0055]
本发明提供了一种基于失速安全裕量评估的轴流式电站风机失速预警方法，通过
轴流风机现场性能试验及风机失速线标定试验，对风机性能曲线进行评估及修正；基于电站风机数据采集系统，获取电站风机实时气动性能参数；基于修正后的轴流式电站风机的性能曲线计算得到各等开度线下的失速临界点；根据风机实测运行点在其性能曲线上的分布，计算得到风机实测运行点所在的等开度线的失速临界点；通过计算风机实测运行点的失速压力裕量系数、失速流量裕量系数及失速安全系数等指标，进行风机是否临近失速的判断，并通过设置阈值进行失速预警。因此，本发明具有物理意义明确、鲁棒性强且可靠性高的特点，适用于大型燃煤机组轴流风机失速预警，为轴流式电站风机的安全运行调控提供可靠依据。
附图说明
[0056]
图1为本发明的原理示意图。
[0057]
图2为本发明的风机运行点及各临近等开度线失速临界点在风机性能曲线上的分布示意图。
[0058]
图3为风机典型工况运行点在其性能曲线上的分布示意图。
[0059]
其中，图1中，q为风机入口体积流量，单位m3/s，p为风机全压，单位pa，β为风机性能曲线的开度值，单位
°
，d1为风机风机实际运行点到等开度线1之间的最小距离，d2为风机风机实际运行点到等开度线2之间的最小距离，q
s，β1
为风机等开度线1的临近失速点流量，单位m3/s，p
s，β1
为风机等开度线1的临近失速点全压，单位pa，q
s，β2
为风机等开度线2的临近失速点流量，单位m3/s，p
s，β2
为风机等开度线2的临近失速点全压，单位pa，qs为风机运行点所处等开度线的临近失速点流量，单位m3/s，ps为所处等开度线的临近失速点全压，单位pa，k为失速安全系数，k
p
为失速压力裕量系数，kq为失速流量裕量系数。
具体实施方式
[0060]
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0061]
如图1和图2所示，本发明提供的一种基于失速安全裕量评估的轴流式电站风机失速预警方法，包括：基于轴流风机现场性能试验及风机失速线标定试验，对风机性能曲线进行评估及修正；构建电站风机数据采集系统，获取电站风机实时气动性能参数；对修正后的轴流式电站风机的性能曲线进行离散化并构建各开度下的压力-流量曲线簇，计算各开度下的失速临界点；根据风机实测运行点在其性能曲线上的分布，获取运行点所处的临近等开度压力-流量曲线，并计算风机实测运行点到该两条临近等开度压力-流量曲线的最小距离，进而计算得到风机实测运行点所在的等开度线的失速临界点；通过计算风机实测运行点及其等开度线的失速临界点的相对关系，进行风机是否临近失速的判断，并通过设置阈值进行失速预警。具体实施方法如下：
[0062]
1、开展轴流风机现场热态性能试验及风机失速线标定试验，对风机性能曲线进行评估及修正。
[0063]
①
根据锅炉常规运行范围，选取n个典型负荷工况进行风机性能试验，其中n≥3，包括正常运行的最大负荷及最大负荷工况，获取得到风机主要性能参数，包括风机入口体积流量q、风机全压p、风机叶片开度β、风机效率η等。
[0064]
②
根据风机实测性能参数与设计性能曲线对应的设计参数的偏差，包括开度偏差δβ及效率偏差δη，评估实际风机性能曲线是否偏离其设计性能曲线，若δβ＞3
°
或δη＞5％，则根据多个工况下的开度及效率偏差值对风机性能曲线进行修正。
[0065]
③
根据轴流风机结构特点，利用集流器出口静压与风机入口静压差进行风机流量测量，选择多个风机开度下开展进行风机失速线逼近试验，获取各开度下的风机失速临界点，采用三次样条曲线拟合得到风机实际失速线ps＝fs(q)。并根据风机历史监测参数进行补充及验证。
[0066]
2、通过电站风机在线监测系统，实时获取风机运行参数(q，p)。
[0067]
①
通过安装于风机入口的多点矩阵式流量计，实时测量风机入口管道某截面的平均动压pd，进而根据伯努利方程计算得到风机入口体积流量q。
[0068]
②
基于风机进出口静压测点、温度测点及大气压力测量装置，获取得到风机进口静压p
in
、风机出口静压p
out
、风机进口温度t
in
，风机出口温度t
out
，大气压力pe等。
[0069]
③
根据相关通风机现场性能试验标准进行数据处理及计算，获取得到风机主要运行参数，即风机入口体积流量q及风机全压p。
[0070]
3、对修正后的轴流风机性能曲线进行离散化{(qi,pi)
β
}，其中β
∈
[βmin,βmax]，i＝1,2,3,
…
,n，获取各开度下的失速临界点集合{(qs,ps)
β
}。
[0071]
①
基于各等开度压力-流量曲线的坐标点集合{(qi,pi)}，采用最小二乘法进行近似拟合，获得各等开度压力-流量曲线的拟合关系式p
β
＝f
β
(q)。其主要算法如下：
[0072]
给定数据点{(qj，pj)}(j＝1,2,...,m)和一组函数gk(q)(k＝1,2，...，n)，求数a1，a2，...,an(假定m》n),使函数
[0073]
f(q)＝a1g1(q)+a2g2(q)+...+a
ngn
(q)
[0074]
满足
[0075][0076]
其中近似函数的形式采用多项式f(q)＝a0+a1q+a2q2+...+a
nqn
。
[0077]
②
基于各等开度压力-流量曲线的拟合模型p
β
＝f
β
(q)及风机实际失速线ps＝fs(q),构建方程p
β-ps＝f
β
(q)-fs(q)＝0，采用二分法求解得到等开度线与风机实际失速线的交点集合{(qs,ps)
β
}。
[0078]
4、根据风机运行参数(q，p)、各等开度压力-流量曲线的拟合模型p
β
＝f
β
(q)及风机实际失速线ps＝fs(q)，计算风机运行点所处的等开度线与风机实际失速线的交点(qs，ps)。
[0079]
①
构建风机运行参数与各等开度压力-流量曲线的距离函数，并通过黄金分割一维优化算法计算得到风机运行点到各等开度曲线的最小距离d
β
，β
∈
[βmin,βmax]。
[0080][0081]
②
采用冒泡排序法对风机运行点到各等开度曲线的最小距离d
β
进行排序，获取离风机运行点最近的两条等开度曲线p
β
＝f1(q)及p
β
＝f2(q)及其开度值β1及β2、风机运行点到该两条开度曲线的最小距离值d1、d2,且d1＜d2。
[0082]
③
在等开度线离散度集合{(qs,ps)
β
}中，寻找开度值β＝β1及β＝β2的两个失速临界点(qs,
β1
,p
s,β1
)及(q
s,β2
,p
s,β2
)。
[0083]
④
当d1＝0时，qs＝q
s,β1
，ps＝p
s,β1
。否则，根据等开度线之间的等比例变化规律，构建求解方程如下：
[0084][0085]
其中，p＝fs(q)，q
∈
[q
s,β1
,β
s,β2
]。
[0086]
采用二分法求解方程，得到风机运行点所处的等开度线与风机实际失速线的交点(qs，ps)。
[0087]
5、基于风机运行点(q，p)及其等开度线的失速临界点(qs，ps)，计算风机压力失速裕量系数k
p
、流量失速裕量系数kq及失速安全系数k。
[0088]kp
＝ps/p
[0089]kq
＝q/qs[0090][0091]
6、根据不同风机类型，设定不同失速预警判定条件。
[0092]
对于一次风机，满足以下任一条件并发出预警信号：
[0093]
1)k≤1.4；
[0094]
2)k
p
≤1.15；
[0095]
3)kq≤1.1或q-qs≤1.1
×
单台磨故障退出时的流量变化量δq。
[0096]
对于送风机，满足以下任一条件并发出预警信号：
[0097]
1)k≤1.4；
[0098]
2)k
p
≤1.15；
[0099]
3)kq≤1.1。
[0100]
对于引风机，满足以下任一条件并发出预警信号：
[0101]
1)k≤1.4；
[0102]
2)k
p
≤1.15或p
s-p≤δp，δp根据现场试验及历史数据分析获取；
[0103]
3)kq≤1.1。
[0104]
7、本发明具有物理意义明确、鲁棒性强且可靠性高的特点，适用于大型燃煤机组轴流风机失速预警，为轴流式电站风机的安全运行调控提供可靠依据。
[0105]
实施例
[0106]
某300mw机组配备两台动调轴流一次风机，采用电机驱动及动叶调节变负荷运行，其典型运行工况下的风机运行点在其性能曲线上的分布如图3所示，各工况的运行点失速裕量参数见表1所示。在机组运行过程中，该风机出现过失速现象，为了提高风机运行安全性，通过增设电站风机在线监测系统对风机气动性能进行实时监测，并采用面向对象程序语言编制算法，对本发明进行实现后嵌入风机在线监测系统中(具体计算过程见表1)，实现了风机的事前预警，电厂运行人员根据预警情况进行及时调控，从而，提高了风机的运行安全性，防止风机失速情况的发生。
[0107]
表1风机典型工况运行点失速预警计算
[0108][0109][0110]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。