石清鑫，徐西俊，孫大偉，鄭 金，許金輝

(1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032；2.國(guó)家能源蓬萊發(fā)電有限公司，山東 煙臺(tái) 265601)

目前，電站風(fēng)機(jī)已普遍采用軸流式風(fēng)機(jī)，但軸流式風(fēng)機(jī)存在失速特性，且對(duì)煙風(fēng)系統(tǒng)阻力參數(shù)變化非常敏感。當(dāng)風(fēng)機(jī)選型不合理或機(jī)組改造后煙風(fēng)系統(tǒng)的阻力變大時(shí)，軸流式風(fēng)機(jī)極易發(fā)生搶風(fēng)失速現(xiàn)象。另外，隨著節(jié)能降耗政策的不斷推進(jìn)，作為火電機(jī)組用電大戶的電站風(fēng)機(jī)，其能耗指標(biāo)一直備受關(guān)注，采用變頻器進(jìn)行電站風(fēng)機(jī)變速調(diào)節(jié)已成為一種成熟有效的節(jié)能改造技術(shù)[1-2]。對(duì)于變頻調(diào)節(jié)的電站風(fēng)機(jī)，從風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全性及經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，不同運(yùn)行工況下，風(fēng)機(jī)開(kāi)度調(diào)節(jié)與變速調(diào)節(jié)存在最佳匹配關(guān)系。然而，目前電站風(fēng)機(jī)的運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)一般是電廠通用的DCS系統(tǒng)，其主要是通過(guò)采集電站風(fēng)機(jī)的振動(dòng)幅值、電流、軸承溫度、開(kāi)度、壓力等物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，僅能簡(jiǎn)略反映風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)其運(yùn)行安全性的表象進(jìn)行反饋，而無(wú)有效的分析控制手段，導(dǎo)致對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行異常狀況只能事后反應(yīng)處理，即風(fēng)機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)搶風(fēng)、失速等異?，F(xiàn)象后，再采取相應(yīng)的措施甚至停機(jī)檢修去處理異常工況，難以指導(dǎo)風(fēng)機(jī)開(kāi)度與轉(zhuǎn)速的最佳匹配運(yùn)行。因此，如何對(duì)電站軸流式風(fēng)機(jī)的效率及安全性進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)、故障診斷及智能調(diào)節(jié)，使風(fēng)機(jī)工況點(diǎn)始終位于高效區(qū)及安全區(qū)內(nèi)運(yùn)行，是目前電站風(fēng)機(jī)領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)最早應(yīng)用于汽輪機(jī)等主機(jī)設(shè)備，隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)及電廠技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的提高，近些年來(lái)在通風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域陸續(xù)出現(xiàn)了針對(duì)礦用通風(fēng)機(jī)及電站風(fēng)機(jī)的在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷的系統(tǒng)[3-7]。早在2008年，陸明春等[8]便開(kāi)發(fā)出了一種大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)，用于對(duì)輔機(jī)旋轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷，很大程度上減輕了現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)檢工作人員的工作強(qiáng)度。在通風(fēng)機(jī)領(lǐng)域，2009年程江寧[9]對(duì)風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，以礦山風(fēng)機(jī)及電機(jī)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為對(duì)象，設(shè)計(jì)出了網(wǎng)絡(luò)化的風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦山風(fēng)機(jī)的監(jiān)測(cè)。同年，嚴(yán)開(kāi)勇等[10]采用單片機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)總線及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的精度及可靠性。

然而，目前的電站風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控的研究及應(yīng)用，都主要從機(jī)械振動(dòng)角度進(jìn)行監(jiān)測(cè)診斷[11-14]，而對(duì)于從氣動(dòng)性能角度出發(fā)的智能在線監(jiān)測(cè)，還存在眾多問(wèn)題亟須解決，這也限制了電站風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

本文針對(duì)電站風(fēng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)的采集、數(shù)據(jù)傳輸及分析處理、失速預(yù)警機(jī)理及算法、監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)等多個(gè)方面開(kāi)展研究，搭建了完善的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及軟件平臺(tái)，并將其部署在某330 MW火電機(jī)組的三大風(fēng)機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了電站風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能智能監(jiān)控及安全預(yù)警，提高了風(fēng)機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及安全性。

1 數(shù)據(jù)采集

1.1 流量測(cè)量

煙風(fēng)系統(tǒng)的流道截面積大，直管段短且內(nèi)撐桿較多，介質(zhì)含塵且具有腐蝕性，使得目前通用的流量測(cè)量技術(shù)均存在精度低、可靠性差等問(wèn)題。本文基于數(shù)值模擬與試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)相結(jié)合的方法，對(duì)多點(diǎn)式矩陣流量計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并基于流場(chǎng)模擬結(jié)果確定可靠的流量計(jì)安裝位置，對(duì)安裝后的流量計(jì)進(jìn)行詳盡準(zhǔn)確的流量標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)了流量的快捷準(zhǔn)確測(cè)量。

多點(diǎn)矩陣式流量計(jì)的主要設(shè)計(jì)原則如下：

1)測(cè)點(diǎn)布置盡可能按照《電站鍋爐風(fēng)機(jī)現(xiàn)場(chǎng)性能試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行布置；

2)考慮到低負(fù)荷動(dòng)壓偏小而導(dǎo)致的測(cè)量不敏感問(wèn)題，各個(gè)流量計(jì)均基于文丘里管原理設(shè)計(jì)靜壓擴(kuò)壓裝置；

3)考慮到煙氣介質(zhì)具有高腐蝕性及含塵量大因素，設(shè)計(jì)靜壓測(cè)量傳感器與動(dòng)壓測(cè)量傳感器獨(dú)立單排設(shè)置，且考慮檢修更換，配備法蘭安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

多點(diǎn)矩陣式流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 多點(diǎn)矩陣式流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

為了保證流量測(cè)量設(shè)備的可靠性及準(zhǔn)確性，基于軸流風(fēng)機(jī)本體內(nèi)部流場(chǎng)的特點(diǎn)及風(fēng)機(jī)開(kāi)度與流量的關(guān)系曲線，使用風(fēng)機(jī)本體差壓法進(jìn)行流量測(cè)量及基于性能曲線與開(kāi)度的流量計(jì)算方法，采用以多點(diǎn)式矩陣式流量計(jì)為主，差壓法及基于風(fēng)機(jī)特性曲線的計(jì)算法為輔的思路，增設(shè)自動(dòng)切換、濾波及修正模塊，通過(guò)智能算法實(shí)現(xiàn)3種流量測(cè)量方法的相互校驗(yàn)和智能故障退出及檢修預(yù)警，以保證流量測(cè)量的可靠性。軸流風(fēng)機(jī)本體流量測(cè)量結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軸流風(fēng)機(jī)本體流量測(cè)量結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在精確快速獲取電站風(fēng)機(jī)各物理狀態(tài)量的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。因而，準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)參數(shù)至關(guān)重要。

數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖3。增設(shè)電站風(fēng)機(jī)入口流量測(cè)點(diǎn)，以及在新裝或已有的各類壓力、溫度等測(cè)點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的物理信號(hào)采集，并利用就地采集柜將數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；通過(guò)光纖、網(wǎng)關(guān)及交換機(jī)建立數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，最終將就地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、電機(jī)綜合保護(hù)裝置監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及DCS監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸至電站風(fēng)機(jī)在線智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工控機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)電站風(fēng)機(jī)設(shè)備的在線性能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及運(yùn)行點(diǎn)可視化、運(yùn)行狀態(tài)異常分析診斷及預(yù)警。

圖3 數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)示意圖

2 風(fēng)機(jī)失速及性能異常預(yù)警

2.1 失速預(yù)警

大量電站風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)及故障診斷數(shù)據(jù)分析說(shuō)明了兩點(diǎn)：一是由于風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境與設(shè)計(jì)工況存在偏差，且存在腐蝕、磨損等問(wèn)題，所以風(fēng)機(jī)在運(yùn)行一定時(shí)間后，其不穩(wěn)定區(qū)將會(huì)變化，往往是擴(kuò)大趨勢(shì)；二是目前風(fēng)機(jī)選型設(shè)計(jì)均按照選型導(dǎo)則實(shí)施，風(fēng)機(jī)性能曲線中關(guān)于理論失速線的設(shè)計(jì)也偏于激進(jìn)，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)在滿足理論失速裕量的情況下仍會(huì)出現(xiàn)失速。因而需綜合各風(fēng)機(jī)運(yùn)行實(shí)際狀態(tài)及性能曲線特點(diǎn)制訂失速預(yù)警機(jī)制。

根據(jù)風(fēng)機(jī)的失速機(jī)理及電站風(fēng)機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，本文提出綜合風(fēng)機(jī)流量安全裕量、風(fēng)機(jī)壓力安全裕量及風(fēng)機(jī)理論失速裕量系數(shù)來(lái)判斷實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)離非穩(wěn)定區(qū)域的距離，從而通過(guò)監(jiān)測(cè)該參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)失速預(yù)警。

基于風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)(Q，P)及其開(kāi)度α，確定風(fēng)機(jī)等開(kāi)度線與理論失速線的交點(diǎn)(Qs，Ps)，則風(fēng)機(jī)流量安全裕量為

(1)

風(fēng)機(jī)壓力安全裕量為

(2)

風(fēng)機(jī)理論失速裕量系數(shù)為

(3)

為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)運(yùn)行異常事前預(yù)警，根據(jù)煙風(fēng)系統(tǒng)及風(fēng)機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，可制訂不同等級(jí)預(yù)警機(jī)制。根據(jù)電站風(fēng)機(jī)熱態(tài)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以及煙氣系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)及風(fēng)機(jī)性能曲線的特征，建立電站風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)模型，以通過(guò)設(shè)定失速裕量參數(shù)指標(biāo)閾值，智能建立不同級(jí)別運(yùn)行區(qū)域(見(jiàn)圖4)，并根據(jù)風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)所處位置進(jìn)行智能預(yù)警。

圖4 風(fēng)機(jī)預(yù)警區(qū)域示意圖

2.2 氣動(dòng)性能異常預(yù)警

對(duì)于動(dòng)調(diào)軸流風(fēng)機(jī)，其常見(jiàn)的機(jī)械故障為葉片卡澀、葉片不同步、葉片積垢腐蝕等，這些機(jī)械故障可以通過(guò)監(jiān)測(cè)振動(dòng)值發(fā)現(xiàn)，但更大程度會(huì)反映在風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能上，如風(fēng)機(jī)葉片卡澀會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)動(dòng)葉開(kāi)度反饋值與風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)在其性能曲線上的開(kāi)度值偏差逐漸增大，葉片不同步則將影響風(fēng)機(jī)特性，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)角度偏差增大，風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率與性能曲線對(duì)應(yīng)的效率值偏差大等。因此，通過(guò)測(cè)試獲取風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，建立風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)效率及開(kāi)度監(jiān)控模型，實(shí)時(shí)評(píng)估風(fēng)機(jī)開(kāi)度偏差、風(fēng)機(jī)效率偏差、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏差等指標(biāo)的變化情況，并及時(shí)預(yù)警，提示檢修人員進(jìn)行檢修，可防止事故的進(jìn)一步發(fā)生。

3 電站風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)

基于面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言C#及B-S架構(gòu)，對(duì)大型電站鍋爐煙風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行在線分析評(píng)估平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。該系統(tǒng)從專業(yè)采集的角度，將對(duì)電站風(fēng)機(jī)的流量、壓力、溫度及電參數(shù)等參數(shù)的采集、濾波、分析和診斷等相關(guān)功能集于一體，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況可視化、異常報(bào)警、數(shù)據(jù)分析、信號(hào)濾波、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)導(dǎo)出，為用戶提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、處理、診斷、分析的解決方案，并指導(dǎo)機(jī)組運(yùn)行人員進(jìn)行調(diào)控。

圖5 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

4 工程應(yīng)用

對(duì)某330 MW火電機(jī)組的2臺(tái)引風(fēng)機(jī)、2臺(tái)送風(fēng)機(jī)及2臺(tái)一次風(fēng)機(jī)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)熱態(tài)性能試驗(yàn)，以確定電站風(fēng)機(jī)監(jiān)控模型輸入邊界，并明確流量測(cè)量方案；在6臺(tái)風(fēng)機(jī)入口增設(shè)多點(diǎn)矩陣式流量計(jì)，在每臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)出口、風(fēng)機(jī)集流器出口分別增設(shè)靜壓測(cè)點(diǎn)，在風(fēng)機(jī)入口增設(shè)溫度測(cè)點(diǎn)，并采用壓力變送器及溫度變送器將測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；每臺(tái)風(fēng)機(jī)就地設(shè)數(shù)據(jù)采集柜，配置閥門、壓力變送器、端子排、PLC設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、電源轉(zhuǎn)換器、隔離器等；在電子間設(shè)中央控制柜，配置工控機(jī)、交換機(jī)、顯示器、串口服務(wù)器等；通過(guò)光纖及交換機(jī)實(shí)現(xiàn)就地?cái)?shù)據(jù)采集柜與中央控制柜的通信，建立數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，增設(shè)COM卡建立與DCS系統(tǒng)的通信，通過(guò)光纖將數(shù)據(jù)傳輸至顯示終端，如DCS系統(tǒng)、局域網(wǎng)內(nèi)電腦及顯示器。

通過(guò)搭建及部署電站風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了三大風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，使電站風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)點(diǎn)動(dòng)態(tài)顯示在風(fēng)機(jī)性能曲線上。進(jìn)行三級(jí)智能預(yù)警及診斷，指導(dǎo)運(yùn)行人員有的放矢地調(diào)控，有效預(yù)防電站風(fēng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行異常，提高了風(fēng)機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及安全性。

5 結(jié)論

1)本文提出以多點(diǎn)矩陣式流量計(jì)測(cè)量為主、風(fēng)機(jī)本體差壓法及基于風(fēng)機(jī)開(kāi)度與性能曲線的流量計(jì)算法為輔的電站風(fēng)機(jī)流量測(cè)量及校對(duì)方法，在實(shí)現(xiàn)快捷準(zhǔn)確測(cè)量流量的同時(shí)，大大提高了流量測(cè)量的可靠性。

2)利用現(xiàn)場(chǎng)熱態(tài)性能試驗(yàn)及電站風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)性能曲線，建立了電站風(fēng)機(jī)在線監(jiān)控模型；利用提取電站風(fēng)機(jī)性能曲線特性及風(fēng)機(jī)開(kāi)度與效率實(shí)測(cè)值，建立了電站風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能監(jiān)控模型；構(gòu)建了電站風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集及傳輸系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)了三大風(fēng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)在風(fēng)機(jī)性能曲線圖上分布的實(shí)時(shí)顯示；實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)的失速安全裕量、風(fēng)機(jī)開(kāi)度偏差等綜合評(píng)判指標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)控；建立了電站風(fēng)機(jī)三級(jí)失速預(yù)警模式。這些措施可有效地預(yù)防和解決風(fēng)機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題，保證鍋爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3)實(shí)踐表明，本文提出的電站風(fēng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能有效提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及安全性，具有推廣價(jià)值。