鮑仕瑞

摘要：西北地區(qū)由于富煤缺少，直接空冷機組得到快速發(fā)展，然而其風(fēng)沙大導(dǎo)致空冷凝汽器（ACC）積灰嚴(yán)重，可降低其5%-15%的換熱性能，提高了直冷機組的發(fā)電煤耗和運行成本。本文基于ACC的結(jié)構(gòu)型式和傳熱過程，建立ACC換熱性能理論計算模型，提取關(guān)鍵特征影響因素，采用LS-SVM算法建立ACC的積灰熱阻的預(yù)測模型，采用阿克蘇熱電ACC現(xiàn)場監(jiān)測參數(shù)，驗證預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：預(yù)測模型能有效的降低換熱系數(shù)的計算復(fù)雜度，誤差絕對百分比達(dá)2.06%，滿足現(xiàn)場應(yīng)用要求，為ACC運行狀態(tài)智能監(jiān)測提供了新方法。

關(guān)鍵詞：直冷機組;凝汽器;積灰熱阻;最小二乘支持向量機;換熱系數(shù)

1引言

我國燃煤發(fā)電量占比高達(dá)72%，其所需的煤炭與水資源地理分布矛盾顯著，為了克服火電機組增加的需求和缺水之間的矛盾，從2002年開始，有著明顯節(jié)水和環(huán)保效用的直接空冷機組，被廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電[1]。然而"三北"地區(qū)揚塵多，灰塵易于積聚在空冷凝汽器（Air Cooled Condenser，ACC）翅片管上，ACC長期置于室外運行，其特有的緊密排布結(jié)構(gòu)使其更易累積灰垢[2]。灰垢的累積增加了翅片管散熱的難度，降低了冷流體帶走的熱量[3]，抬高了汽輪機背壓，嚴(yán)重影響汽輪機效率和整個機組運行的經(jīng)濟性、安全性[4]。

目前空冷系統(tǒng)的運行狀態(tài)僅以ACC真空壓力數(shù)據(jù)信息進行表征，環(huán)境氣溫，排汽熱負(fù)荷，迎面風(fēng)速和傳熱系數(shù)等主要影響因素都未進行測量[5]，實際的運行過程中，只能依靠人工運維經(jīng)驗進行風(fēng)機轉(zhuǎn)速的調(diào)整，難以實現(xiàn)智能化。ACC的清洗維護也是依據(jù)運維人員人工觀測，清洗效果的評測也缺乏相應(yīng)的技術(shù)手段。

與理論計算、實驗關(guān)聯(lián)式相比，支持向量機（support vector machine，SVM）是一種在統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新的機器學(xué)習(xí)算法。SVM可消除人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢、易陷入局部最小、存在過擬合等問題[6]，由于其具有學(xué)習(xí)速度快、樣本數(shù)量要求少、全局最優(yōu)、泛化能力強等優(yōu)點在回歸預(yù)測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，本文提出一種基于LS-SVM的空冷凝汽器積灰熱阻預(yù)測方法，實現(xiàn)ACC積灰狀態(tài)快速、智能預(yù)測，為ACC清洗與智能化運維提供依據(jù)。

2 ACC積灰狀態(tài)監(jiān)測實驗

2.1 ACC積灰分析方法

基于熱平衡原理，汽輪機排汽經(jīng)過ACC，其排汽散熱量等于冷卻空氣吸收的熱量。

式中，Q為排汽熱負(fù)荷，kW;U為積灰狀態(tài)ACC總換熱系數(shù)，W/（m2·K）;A為ACC空氣側(cè)換熱面積，m2;ΔTlm為對數(shù)平均溫差，℃;ma為冷流體的質(zhì)量流量，kg/s;cpa為空氣比熱容，W/（m2·K）。

空冷器的對數(shù)溫差為：

式中，Ts為汽輪機排汽溫度，℃;Ta，i為ACC入口風(fēng)溫，℃;Ta，o為ACC出口風(fēng)溫，℃。

積灰狀態(tài)的熱阻為：

式中，U0為清潔狀態(tài)ACC總換熱系數(shù)，W/（m2·K）。由式（1）-（4）可得，ACC的積灰熱阻與直冷機組熱負(fù)荷、排汽溫度及壓力、冷卻風(fēng)量、ACC翅片管入口風(fēng)溫、出口風(fēng)溫密切相關(guān)。

2.2 ACC積灰監(jiān)測實驗

為了獲取ACC翅片管實際運行數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測ACC運行狀態(tài)，監(jiān)測系統(tǒng)示意圖如圖1所示，選取新疆某350MW直冷機組C列空冷單元作為實驗對象，在該換熱面均勻的選取3排4列共12個點布置溫度傳感器，在布置過程中盡量避開逆流單元防止產(chǎn)生較大誤差。選用探頭長度為220mm、直徑φ1.5mm和探頭長度為20mm、直徑φ1.5mm的兩種T型熱電偶;而熱電偶的溫度感受端位于探頭的最前端，因此將長度為220mm的熱電偶探頭從迎風(fēng)面穿過翅片管蛇形翅片間隙，探頭即可在背風(fēng)面露出2-3mm用以測量背風(fēng)面冷流體溫度;將長度為20mm的熱電偶直接固定在同一點的迎風(fēng)面處，以測量翅片管迎風(fēng)面冷流體溫度;上述探頭均不與翅片管接觸。

監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場測試如圖2所示，在C、D兩列的人行步道上對稱布置兩個溫度采集箱，分別收集60m換熱面兩側(cè)各30m的溫度數(shù)據(jù)，每個采集箱各采集6個點共12個傳感器的溫度數(shù)據(jù);將采集來的數(shù)據(jù)再傳入安裝在箱面上的THTZ多路溫度記錄儀中，該記錄儀由廠用直流220V電源供電，最多滿足32路工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號輸入，并將數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)報文Modbus-Rtu協(xié)議通過RS485通信標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)返回行進控制柜的核心板內(nèi);溫度記錄儀本身也可存儲數(shù)據(jù)達(dá)2年，將U盤插入面板上的usb接口即可選擇讀取數(shù)據(jù)。

基于新疆350MW直冷機組現(xiàn)場實驗測試，額定工況迎面風(fēng)速2.1m/s條件下，獲得ACC積灰工況下90個工況的換熱性能數(shù)據(jù)，通過計算得知，ACC綜合換熱系數(shù)由清潔狀態(tài)下的29.5W/（m2·K）下降至21.47-27.47W/（m2·K），實驗結(jié)果如表1所示。

3LS-SVM預(yù)測建模與結(jié)果討論

3.1 LS-SVM建模

LSSVM 理論由J.A.K.Suykens和J.Vandewalle 于1999 年提出，是一種SVM模型。LS-SVM在保持了標(biāo)準(zhǔn)的SVM優(yōu)點的基礎(chǔ)上，顯著降低了計算成本，并且LS-SVM與正規(guī)化網(wǎng)絡(luò)和高斯過程相關(guān)聯(lián)，更重視對原規(guī)則的解釋。在求解一般支持向量機（SVM）問題基礎(chǔ)上，引入在約束條件，求解最小化的問題，就構(gòu)成了解LS-SVM問題。

約束條件為：

通常通過引入核函數(shù)[21]解決非線性回歸問題。常用的核函數(shù)有RBF核函數(shù)、線性和函數(shù)、多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)核函數(shù)和多項式核函數(shù)。本文選用RBF核函數(shù)，如式（8）所示。

基于ACC積灰監(jiān)測實驗數(shù)據(jù)，選取與灰塵沉積關(guān)聯(lián)性強的5個運行狀態(tài)參數(shù)：汽輪機排汽熱負(fù)荷Q、排汽溫度ts、ACC入口風(fēng)溫ta，i和出口風(fēng)溫ta，o作為輸入變量，將積灰狀態(tài)下ACC積灰熱阻作為輸出變量，基于LS-SVM建立運行工況下ACC積灰熱阻預(yù)測模型。

3.2 預(yù)測結(jié)果及模型檢驗

從積灰現(xiàn)場實驗的90組檢測數(shù)據(jù)中隨機抽取60組樣本作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)樣本，其它30組數(shù)據(jù)作為驗證樣本。檢驗結(jié)果如圖3所示，由圖3可知，對于不同的工況，由換熱模型計算出的ACC積灰熱阻檢測值波動性較大，包括輕微積灰、嚴(yán)重積灰等多種狀態(tài)，而本文建立的LS-SVM模型預(yù)測數(shù)值趨勢與檢測值一致性較好，說明基于LS-SVM的積灰狀態(tài)預(yù)測方法可實現(xiàn)ACC積灰熱阻的快速、準(zhǔn)確預(yù)測。

為了定量評價所建立LS-SVM模型的精度，采用均方根誤差（root mean squared errors， RMSE），絕對百分比誤差（mean absolute percentage errors，MAPE）定量評估，計算方法如下：

式中，n是樣本總數(shù)，yi，exp為實驗檢測值，yi，pre為LS-SVM預(yù)測值，是檢測值均值。根據(jù)所選取測試樣本集以及預(yù)測結(jié)果，可得其檢驗結(jié)果RMSE=0.47，MAPE=2.59%。

4結(jié)論

本文基于LS-SVM算法，采用燃煤電站直冷機組空冷凝汽器換熱模型提取積灰狀態(tài)特征參數(shù)，對積灰狀態(tài)換熱面換熱系數(shù)和清潔度進行建模預(yù)測，利用LS-SVM建立的空冷凝汽器積灰工況下積灰熱阻的預(yù)測模型準(zhǔn)確率較高，為空冷凝汽器經(jīng)濟、安全清洗提供了依據(jù)，使其清洗指導(dǎo)原則得以實施，在此基礎(chǔ)上可實現(xiàn)智能化清洗。

參考文獻(xiàn)

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