大型汽轮机热力参数异常测点识别软件的开发

张 莉, 张 琰

(1.上海电力学院, 上海 200090; 2.国核工程有限公司, 上海 200233)



大型汽轮机热力参数异常测点识别软件的开发

张 莉1, 张 琰2

(1.上海电力学院, 上海 200090; 2.国核工程有限公司, 上海 200233)

考虑电力生产单位的实际情况,开发了一种汽轮机热力参数异常识别软件.该识别软件具有一定的通用性,可以较好地对机组负荷60%以上工况的测点进行异常识别,能够对识别出的异常测点进行报警,同时给出异常测点的建议值.

大型汽轮机; 热力参数; 测点; 异常识别; 软件

超超临界机组发电技术作为一种效率高、单机容量大、可靠性好、环保指标先进的新型发电技术,已经越来越受到世界各国的关注,我国也是如此.然而随着工作蒸汽参数的大幅度提高,机组主要设备面临的安全性和经济性挑战也更加严峻.[1-2]尤其是汽轮机,其高温部件在变工况运行时须承受更大的热应力和各种侵蚀损伤,从而影响机组的安全运行和寿命.因此,开展超超临界汽轮机经济性诊断、变工况热应力分析及寿命预测等工作就显得十分必要.而这些工作的展开,都要以获得准确的机组结构和热力参数数据作为前提和基础.

目前,电力生产单位普遍采用集散控制系统(DCS)来实现机组的数据采集工作.然而DCS系统本身的抗干扰、硬件故障等问题以及数据传输过程中的失真问题使得数据的准确性难以保证.[3]这会直接导致后续的应力分析和寿命诊断工作出现错误,影响机组的安全经济运行,甚至出现事故.因此,对汽轮机变工况运行中的主要参数进行实时监测,对机组DCS系统采集到的运行数据进行甄别,以便及时发现异常测点并采取相应对策,保证应力计算和经济性分析的准确性,进而保证机组在安全、经济的工况下运行,具有重要的意义.

本文将考虑电力生产单位的实际情况,开发一种汽轮机热力参数异常识别软件.该软件能够对识别出的异常测点进行报警,提醒运行控制人员及时进行处理,同时给出异常测点的建议值,从而为汽轮机部件热应力分析与寿命诊断、汽轮机运行经济性研究等工作提供准确的基础数据.

1 识别方案原理

在一定的已知条件下,通过在汽轮机内展开热力计算[4-5]实现测点异常的识别,识别过程如下:根据汽轮机额定工况的参数计算得到蒸汽热力过程线,依次选取各抽汽点状态参数为基准,通过蒸汽热力膨胀过程线的平推,计算其余抽汽口的状态参数,得到若干组抽汽点状态参数的计算值,将抽汽点状态参数计算值与就地仪表显示的数据或数据采集系统采集到的数据进行对照,识别是否存在异常测点.

由于在未进行识别前,无法确定抽汽点蒸汽参数是否正确,不适宜展开以抽汽点蒸汽参数为基础的考虑汽轮机回热系统热平衡的汽水流量计算.根据汽轮机原理知识,识别计算可利用弗留格尔公式,假定变工况下汽轮机各级组前(后)压力和额定工况下相应级组前(后)压力的比值与变工况和额定工况时的各级组蒸汽流量比值近似相等,进而借此确定汽轮机每一级组前(即各抽汽点)或级前的蒸汽压力.此外,尽管汽轮机在工况发生变化时,各级组或各级内蒸汽的工作过程也会相应发生变化,但由汽轮机原理知识可知,凝汽式汽轮机在负荷变化时,除调节级和末级之外,各中间压力级组或压力级,若忽略级组或级前蒸汽温度的变化,则级组或级的内效率基本不变,即变工况时各级组或级的热力过程线可以由额定工况下的热力过程线逐级类推获得,这一规律大大简化了级组或级前蒸汽状态参数的确定过程.

2 识别条件分类

根据上述的识别原理,和机组汽轮机运行时电厂能够获得的基础数据的详细程度,将识别条件分为以下两类:

(1) 已知机组功率,主蒸汽状态参数,调节级汽室蒸汽状态参数,主蒸汽流量,末级排汽压力或凝汽器压力,各抽汽点状态参数,额定工况下各抽汽点的抽汽量;

(2) 已知机组功率,主蒸汽状态参数,调节级汽室蒸汽状态参数,主蒸汽流量,末级排汽压力或凝汽器压力,额定工况下各抽汽点的抽汽量,额定工况下各级前(后)蒸汽状态参数.

两类识别条件分别对应两种不同的识别程序,即简化计算识别和详细计算识别.

3 两种识别程序的计算方法

3.1 简化计算识别方案的识别步骤

汽轮机以抽汽口为分界点,将汽轮机划分为若干级组,依次选取过热蒸汽区的各个抽汽口作为基准点,经过计算得到若干组抽汽状态参数;通过各组相应抽汽点的比较,确定是否具有异常测点并判别出异常测点的位置,实现报警.识别步骤如下.

步骤1 假定变工况下汽轮机各级组前(后)压力和额定工况下相应级组前(后)压力的比值与变工况和额定工况时的各级组蒸汽流量比值相等,选取某一抽汽口为基准点,计算出变工况下的流量比,作为应用弗留格尔公式计算级前压力的基础.

步骤2 由额定工况下各级组前、后的热力参数,计算出额定工况下各级组的内效率,作为后续计算的基础数据.

步骤3 将汽轮机的所有压力级视为一个级组,以汽轮机的排汽压力为背压,利用弗留格尔公式及前期计算出的流量比计算出变工况下各级组前,即各抽汽点的蒸汽压力.

步骤4 以选定的基准点为起点,向前、后分别类推额定工况下各级组的热力过程线,过程线与各级组压力线的交点,即为各抽汽口的状态点,由该点便可确定各抽汽点的温度.

步骤5 分别以各抽汽点为基准点,重复上述步骤,得到一系列抽汽口的状态参数.将相应抽汽口的状态参数相互比较,相对误差超过所设定的误差限的测点即为判别出的异常测点.误差限的确定详见文献[6].

3.2 详细计算识别方案的识别步骤

详细计算识别方案的原理和具体的识别步骤与简化计算识别方案没有本质区别,只是由于已知额定工况下各级前(后)的蒸汽参数,可以逐级计算出级内效率.在变工况计算时,亦可以用逐级平推热力过程线来代替简化识别方案中的以抽汽点为分界平推各级组过程线的方法.

具体思路如下:选取工质状态位于过热蒸汽区的某一抽汽口作为基准点,由弗留格尔公式计算出变工况时该级的流量比,并以此流量比作为定值应用于其他所有级;利用弗留格尔公式依次计算出其他各级前(后)的蒸汽压力;以该基准点作为计算起点,以级为单位,在各级内平推额定工况下的蒸汽过程线得到变工况下级内的热力过程线,确定各级前(后)的蒸汽温度,即确定了各级前(后)的蒸汽状态参数,当然也包括各抽汽点的蒸汽状态参数.依次选取过热蒸汽区的各个抽汽口作为基准点,经过计算得到若干组抽汽点的状态参数;通过各组抽汽点参数的计算值及其现场数据间的比较,确定是否具有异常测点,并判别出异常测点的位置,实现报警.识别步骤参见简化计算识别方案的识别步骤.

4 识别软件的设计

4.1 编程语言

识别软件的编写选择Visual Basic作为软件系统的编程语言.之所以选择VB语言编写识别软件是因为:

(1) VB语言功能强大,容易掌握;

(2) VB是一个开放、灵活的开发平台,可以用多种不同的方法来扩充VB的功能,包括第三方定制控件、OLE(对象的链接和嵌入)、服务器及DLL(动态链接库);

(3) 多数电厂目前所使用的监测、计算软件的源代码都是使用汇编语言编制的,用VB语言编制的软件可以很好地与其他软件实现对接.本软件的开发中用到了DLL以实现一些关键功能.

4.2 水和水蒸汽热力性质函数库

汽轮机内蒸汽参数的计算中需要确定多处工质的状态参数,本文编制的“大型汽轮机热力参数异常测点识别软件”中水和水蒸汽的状态参数的确定使用VB的动态链接库(DLL)功能实现对《IAPWS-IF97/IFC67水和蒸汽性质计算程序》的调用,所调用的“水和水蒸汽热力性质函数库”系上海发电设备成套设计研究院杨宇高工编制的 《IAPWS-IF97/IFC67水和蒸汽性质计算程序》.

4.3 软件介绍

4.3.1 软件功能

采用VB 6.0对汽轮机异常测点识别的方案进行了可视化编程,用户可以根据对汽轮机额定工况下原始数据的掌握情况选择合适的程序进行异常测点的识别.异常测点的识别及报警结果可以在软件界面上直接输出.出于使软件界面简单明了的目的,变工况的具体计算结果没有在界面上直接输出,而是选择直接输出到Microsoft Excel表格中,供用户查询、后续处理、打印使用.

4.3.2 界面介绍

软件界面以窗口形式展现,分为欢迎界面、操作和显示界面,具体如图1和图2所示.

(1) 欢迎界面 欢迎界面为用户打开本应用程序后显示的初始界面.界面分为两部分:一是软件名称“大型汽轮机热力参数异常测点识别软件”;二是操作按钮“进入”、“关于”、“退出”.用户单击不同的按钮可进行相应的操作.

图1 软件的欢迎界面

(2) 程序选择区 程序选择区包括“简化计算识别”和“详细计算识别”两个单选框.选择不同的单选框将根据不同的计算程序进行计算并显示结果.

(3) 界面操作区 界面操作区包括“运行”、“报警”、“返回”按钮,点击“运行”程序将进行变工况计算;点击“报警”将显示测点的判别结果;点击“返回”将退回到欢迎界面.

(4) 数据输入及结果显示区 本区用于交替显示“数据输入框”、“结果显示框”.“数据输入框”用于已知数据的输入,根据不同程序分为两套输入界面;“结果显示框”用于显示对测点数据的判别及报警结果.

图2 软件的操作和显示界面

4.3.3 识程序选择与参数输入

大型汽轮机异常测点识别软件包括简化计算识别和详细计算识别两套计算程序.用户可根据已知条件的详细程度,在程序选择区选择相应的程序单选按钮,即可进入相应的数据输入面板.图3和图4分别为简化计算识别和详细计算识别所需参数的输入界面.在输入界面上按照提示输入计算的原始数据即可.

图3 简化计算识别的参数输入界面

图4 详细计算识别的参数输入界面

4.3.4 输入数据的异常判断

“详细计算识别”程序中涉及的原始数据较多,在数据的输入过程中有可能会出现一些错误,这将直接导致异常测点判别的失败.输入错误数据造成的结果常为系统热力过程出现熵减,低压缸进口出现湿蒸汽等.为避免此类情况出现,程序中设置了预报警系统,以方便用户及时发现错误,予以纠正.

4.4 计算及结果显示

当用户选择了识别程序并输入了原始数据之后,点击“运行”按钮即可进行汽轮机变工况的计算.计算结束将出现提示对话框,点击“确定”即可进一步查看测点的判别结果,如图5所示.

图5 计算结束的显示界面

如前所述,为使软件输出界面简单明了,变工况计算程序的结果将不会在软件界面中直接输出,而是会输出到Microsoft Excel表格中,供用户查询、后续处理数据、打印等.Microsoft Excel软件具备直观的界面、出色的计算功能和强大的图表工具,是一款功能强大的常用数据处理软件;同时,Excel中处理的数据还可以方便地被其他软件调用.

计算过程结束后,点击“报警”按钮将会显示测点的判别结果.如果有异常测点,则显示对话框用以报告异常测点的位置,并给出异常测点的建议值;如果没有异常测点,则显示对话框报告所有测点数据正常.

4.5 适用对象

笔者以某300 MW中间再热冷凝式汽轮机组数据为例,完成了软件的编写、调试工作.该机组汽轮机分为高、中、低压缸,共有1个调节级和若干压力级,回热系统按照3个高压加热器、4个低压加热器和一个除氧器进行布置.1段和2段抽汽来自于高压缸,分别进入1#和2#高压加热器,第2段抽汽来自于高压缸出口;3段和4段抽汽来自于中压缸,分别进入3#高压加热器和除氧器,第4段抽汽来自于中压缸出口;5段,6段,7段,8段抽汽均来自于低压缸,分别进入5#，6#，7#，8#低压加热器.

尽管本软件是以某机组的数据进行的编写和调试工作,但在软件编制过程中考虑到了同类型机组的微小差异,诸如汽轮机级数、抽汽级数、抽汽口位置等,软件对这些差异进行了处理,实现了软件一定的通用性,即凡与上述汽轮机及其回热系统布置形式雷同的机组均可使用本软件进行热力参数的异常识别.

5 识别软件的检验

首先,将额定工况当作变工况的一个特例来检验程序编写的正确性.以额定工况任意监测位置处的测点为基准,取该基准点的设计参数展开计算,得到的其他监测点的计算值均与额定工况的设计参数完全吻合,表明识别软件没有逻辑性错误和语句书写上的错误.

其次,通过对测点进行人为地异常处理来检验软件的识别能力和报警功能.研究工作对研究对象80%和60%两个工况下单个测点异常和多个测点异常均进行了检验,识别结果显示识别软件能够很好地识别出异常点.另外,研究工作表明,对于低于40%的工况识别不甚理想,分析原因是因为在低负荷工况下,汽轮机内的蒸汽工作过程偏离了满足本软件开发基于的弗留格尔公式,所以不建议机组在较低负荷情况下使用该软件.

需要说明的是,由于篇幅原因,论文中没有给出识别软件检验的识别结果,该结果的详细信息可详见文献[7].

6 结 论

(1) 本文编写的识别软件具有一定的通用性,可以较好地对机组负荷为60%以上工况的测点进行异常识别,基本能够满足工程需要;

(2) 本文利用汽轮机通常能够提供的计算条件实现了汽轮机热力参数的异常识别,保证了大型火电机组汽轮机应力分析、寿命管理以及运行经济性分析等工作所需基础数据的正确问题.

[1] 史进渊,杨宇,孙庆,等.超超临界汽轮机部件冷却技术的研究[J].动力工程,2003,23(6):2 735-2 739.

[2] 毛雪平,王罡,马志勇,等.超超临界汽轮机机组发展状况[J].现代电力,2005,22(1):70-73.

[3] 蒋寻寒,曹祖庆．汽轮机常规热力试验和性能监测中的仪表问题[J]．发电设备,2009(5):342-346.

[4] 李维特,黄保海.汽轮机变工况热力计算[M].北京:中国电力出版社，2001:35-38.

[5] 曹祖庆.汽轮机变工况特性[M].北京:水利电力出版杜，1991:27-53.

[6] 张莉,张琰.大型汽轮机热力参数异常测点识别的方法研究[J]．汽轮机技术,2015,57(3):213-216.

[7] 张琰.大型汽轮机热力参数异常测点识别方法研究及软件开发[D]．上海:上海电力学院,2012.

(编辑 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

简介：张莉(1973-),女,博士,教授,河南商丘人.主要研究方向为热力设备的性能分析和数值模拟. E-mail:mmlzhang@163.com.

TK26; TP311.52

A

1006-4729(2016)05-0422-06