大型火电机组电站风机在线监测系统开发及应用

石清鑫，徐西俊，孙大伟，郑 金，许金辉

(1.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710032；2.国家能源蓬莱发电有限公司，山东 烟台 265601)

目前，电站风机已普遍采用轴流式风机，但轴流式风机存在失速特性，且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烟风系统的阻力变大时，轴流式风机极易发生抢风失速现象。另外，随着节能降耗政策的不断推进，作为火电机组用电大户的电站风机，其能耗指标一直备受关注，采用变频器进行电站风机变速调节已成为一种成熟有效的节能改造技术[1-2]。对于变频调节的电站风机，从风机运行安全性及经济性出发，不同运行工况下，风机开度调节与变速调节存在最佳匹配关系。然而，目前电站风机的运行监控系统一般是电厂通用的DCS系统，其主要是通过采集电站风机的振动幅值、电流、轴承温度、开度、压力等物理量进行实时监测，仅能简略反映风机运行状态，对其运行安全性的表象进行反馈，而无有效的分析控制手段，导致对风机运行异常状况只能事后反应处理，即风机已经出现抢风、失速等异常现象后，再采取相应的措施甚至停机检修去处理异常工况，难以指导风机开度与转速的最佳匹配运行。因此，如何对电站轴流式风机的效率及安全性进行在线监测、故障诊断及智能调节，使风机工况点始终位于高效区及安全区内运行，是目前电站风机领域亟待解决的技术问题。

转机设备的状态监测及故障诊断系统最早应用于汽轮机等主机设备，随着网络信息技术及电厂技术标准的提高，近些年来在通风机监测领域陆续出现了针对矿用通风机及电站风机的在线状态监测及故障诊断的系统[3-7]。早在2008年，陆明春等[8]便开发出了一种大型旋转机械远程在线监测和故障诊断系统，用于对辅机旋转设备进行状态监测及故障诊断，很大程度上减轻了现场点检工作人员的工作强度。在通风机领域，2009年程江宁[9]对风机在线监测和故障诊断系统设计进行了研究，以矿山风机及电机的监测系统为对象，设计出了网络化的风机在线监测与故障诊断系统，有效实现了对矿山风机的监测。同年，严开勇等[10]采用单片机、现场总线及网络通信技术，设计了一种风机在线监测系统，现场实践证明，该系统的监测数据具有较高的精度及可靠性。

然而，目前的电站风机在线监控的研究及应用，都主要从机械振动角度进行监测诊断[11-14]，而对于从气动性能角度出发的智能在线监测，还存在众多问题亟须解决，这也限制了电站风机在线监测系统的推广应用。

本文针对电站风机状态参数的采集、数据传输及分析处理、失速预警机理及算法、监控系统软件平台等多个方面开展研究，搭建了完善的数据采集系统及软件平台，并将其部署在某330 MW火电机组的三大风机上，实现了电站风机气动性能智能监控及安全预警，提高了风机的运行经济性及安全性。

1 数据采集

1.1 流量测量

烟风系统的流道截面积大，直管段短且内撑杆较多，介质含尘且具有腐蚀性，使得目前通用的流量测量技术均存在精度低、可靠性差等问题。本文基于数值模拟与试验测试技术相结合的方法，对多点式矩阵流量计结构进行优化改进，并基于流场模拟结果确定可靠的流量计安装位置，对安装后的流量计进行详尽准确的流量标定，实现了流量的快捷准确测量。

多点矩阵式流量计的主要设计原则如下：

1)测点布置尽可能按照《电站锅炉风机现场性能试验》标准的要求进行布置；

2)考虑到低负荷动压偏小而导致的测量不敏感问题，各个流量计均基于文丘里管原理设计静压扩压装置；

3)考虑到烟气介质具有高腐蚀性及含尘量大因素，设计静压测量传感器与动压测量传感器独立单排设置，且考虑检修更换，配备法兰安装结构设计。

多点矩阵式流量计结构示意图见图1。

图1 多点矩阵式流量计结构示意图

为了保证流量测量设备的可靠性及准确性，基于轴流风机本体内部流场的特点及风机开度与流量的关系曲线，使用风机本体差压法进行流量测量及基于性能曲线与开度的流量计算方法，采用以多点式矩阵式流量计为主，差压法及基于风机特性曲线的计算法为辅的思路，增设自动切换、滤波及修正模块，通过智能算法实现3种流量测量方法的相互校验和智能故障退出及检修预警，以保证流量测量的可靠性。轴流风机本体流量测量结构如图2所示。

图2 轴流风机本体流量测量结构示意图

1.2 数据采集系统

在线监测系统是在精确快速获取电站风机各物理状态量的基础上实现的。因而，准确地实时采集监测参数至关重要。

数据采集及传输系统示意图见图3。增设电站风机入口流量测点，以及在新装或已有的各类压力、温度等测点进行风机运行状态参数的物理信号采集，并利用就地采集柜将数据进行转换；通过光纤、网关及交换机建立数据传输网络，最终将就地实测数据、电机综合保护装置监测数据及DCS监控数据传输至电站风机在线智能监测系统工控机上，以实现电站风机设备的在线性能实时监测及运行点可视化、运行状态异常分析诊断及预警。

图3 数据采集及传输系统示意图

2 风机失速及性能异常预警

2.1 失速预警

大量电站风机性能试验及故障诊断数据分析说明了两点：一是由于风机实际运行环境与设计工况存在偏差，且存在腐蚀、磨损等问题，所以风机在运行一定时间后，其不稳定区将会变化，往往是扩大趋势；二是目前风机选型设计均按照选型导则实施，风机性能曲线中关于理论失速线的设计也偏于激进，导致风机运行点在满足理论失速裕量的情况下仍会出现失速。因而需综合各风机运行实际状态及性能曲线特点制订失速预警机制。

根据风机的失速机理及电站风机运行特点，本文提出综合风机流量安全裕量、风机压力安全裕量及风机理论失速裕量系数来判断实际运行点离非稳定区域的距离，从而通过监测该参数来实现风机失速预警。

基于风机实际运行点(Q，P)及其开度α，确定风机等开度线与理论失速线的交点(Qs，Ps)，则风机流量安全裕量为

(1)

风机压力安全裕量为

(2)

风机理论失速裕量系数为

(3)

为了实现风机运行异常事前预警，根据烟风系统及风机运行特点，可制订不同等级预警机制。根据电站风机热态性能试验数据，以及烟气系统运行特点及风机性能曲线的特征，建立电站风机在线监测模型，以通过设定失速裕量参数指标阈值，智能建立不同级别运行区域(见图4)，并根据风机运行点所处位置进行智能预警。

图4 风机预警区域示意图

2.2 气动性能异常预警

对于动调轴流风机，其常见的机械故障为叶片卡涩、叶片不同步、叶片积垢腐蚀等，这些机械故障可以通过监测振动值发现，但更大程度会反映在风机气动性能上，如风机叶片卡涩会导致风机动叶开度反馈值与风机运行点在其性能曲线上的开度值偏差逐渐增大，叶片不同步则将影响风机特性，导致风机角度偏差增大，风机运行效率与性能曲线对应的效率值偏差大等。因此，通过测试获取风机实际运行参数，建立风机实测效率及开度监控模型，实时评估风机开度偏差、风机效率偏差、风机转速偏差等指标的变化情况，并及时预警，提示检修人员进行检修，可防止事故的进一步发生。

3 电站风机在线监测平台

基于面向对象编程语言C#及B-S架构，对大型电站锅炉烟风系统运行在线分析评估平台进行开发，系统模块结构图如图5所示。该系统从专业采集的角度，将对电站风机的流量、压力、温度及电参数等参数的采集、滤波、分析和诊断等相关功能集于一体，可实现实时监测、风机运行状况可视化、异常报警、数据分析、信号滤波、数据统计分析、数据存储、数据导出，为用户提供统一的数据采集、处理、诊断、分析的解决方案，并指导机组运行人员进行调控。

图5 系统模块结构图

4 工程应用

对某330 MW火电机组的2台引风机、2台送风机及2台一次风机开展现场热态性能试验，以确定电站风机监控模型输入边界，并明确流量测量方案；在6台风机入口增设多点矩阵式流量计，在每台风机进出口、风机集流器出口分别增设静压测点，在风机入口增设温度测点，并采用压力变送器及温度变送器将测量的物理量转换为电信号；每台风机就地设数据采集柜，配置阀门、压力变送器、端子排、PLC设备、网关、电源转换器、隔离器等；在电子间设中央控制柜，配置工控机、交换机、显示器、串口服务器等；通过光纤及交换机实现就地数据采集柜与中央控制柜的通信，建立数据传输网络，增设COM卡建立与DCS系统的通信，通过光纤将数据传输至显示终端，如DCS系统、局域网内电脑及显示器。

通过搭建及部署电站风机在线监测系统，实现了三大风机的实时在线监测，使电站风机运行状态点动态显示在风机性能曲线上。进行三级智能预警及诊断，指导运行人员有的放矢地调控，有效预防电站风机设备的运行异常，提高了风机运行经济性及安全性。

5 结论

1)本文提出以多点矩阵式流量计测量为主、风机本体差压法及基于风机开度与性能曲线的流量计算法为辅的电站风机流量测量及校对方法，在实现快捷准确测量流量的同时，大大提高了流量测量的可靠性。

2)利用现场热态性能试验及电站风机设计性能曲线，建立了电站风机在线监控模型；利用提取电站风机性能曲线特性及风机开度与效率实测值，建立了电站风机气动性能监控模型；构建了电站风机在线监测数据采集及传输系统；实现了三大风机运行点在风机性能曲线图上分布的实时显示；实现了风机的失速安全裕量、风机开度偏差等综合评判指标实时监控；建立了电站风机三级失速预警模式。这些措施可有效地预防和解决风机在运行中出现的问题，保证锅炉安全经济运行。

3)实践表明，本文提出的电站风机在线监测系统能有效提高风机运行经济性及安全性，具有推广价值。