CN104633458B - 一种火电站水泵实时在线汽蚀监测预警系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种火电站水泵实时在线汽蚀监测预警系统及方法，该系统包括与电站DCS控制系统相连的外部监测单元、监测目标水泵、管道流量传感器、泵上游温度传感器和泵上游压力传感器；外部监测单元与电站DCS控制系统之间通过常规电站DCS支持的标准工业MODBUS串口进行双向通讯，接收来自电站DCS控制系统发来的管道流量传感器、泵上游温度传感器和泵上游压力传感器的测量信号，并将泵汽蚀校核结果发送给电站DCS控制系统，利用电站DCS控制系统内置的报警和提示模块即可发出提示和报警，提示运行人员；本发明对提高火电厂的设备管理水平，延长关键设备寿命，降低维护维修成本都具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及火电站自动控制技术领域，具体涉及一种火电站水泵实时在线汽蚀监测预警系统及方法。
背景技术
水泵是最常见的工业设备之一，广泛应用于各种生产工艺过程中，提高液体工质压力，应用范围十分广泛。汽蚀(汽蚀)是水泵损坏的主要因素之一，也是系统设计阶段进行水泵选型必须校核的一项内容。水泵在工作时从入口吸入低压液体工质，并经泵叶片做功提高液体压力后，从泵出口送出高压液体。在泵的吸入端，泵会通过泵叶片的运动和特殊的流道几何形状形成较低的低压区，从而使液体能源源不断被泵吸入。这形成一些局部低压区，如局部低压低于液体工质的当地饱和压力，则液体工质会瞬间气化并产生气泡，当工质受泵叶片作用，压力得以大幅提高后，在高压环境的作用下，气泡瞬间又破灭，造成极大的冲击，产生高能噪音和振动，甚至造成泵叶片的损坏。
火电站是经典的大型复杂工业系统，以水为循环工质，工艺过程中依赖工质水的蒸发、冷凝相变过程，需多次升压降压过程，其中凝结水泵、给水前置泵、锅炉启动循环泵、低加疏水泵等关键设备入口工质水的参数都接近饱和状态，极易在泵的吸入过程中穿越饱和压力线而面临汽蚀问题。尽管在泵的设计过程中都进行了汽蚀校核，通过低位布置，利用液位差产生的额外压升保证了额定工况下，设备避免汽蚀的风险，但根据电网的特性，火电站需频繁根据电网负荷需求调整工况以满足供电和用电的平衡，因此无法避免启停和负荷调整过程中频繁变化的系统工况与额定工况的偏离，这也是根本上无法避免泵的汽蚀损坏的原因。
现有技术针对泵汽蚀问题主要采用两类技术，第一类属于结构改进技术，通过各种泵体和叶片结构的改进缓解甚至消除汽蚀产生的破坏，第二类属于选型布置校核，设计人员根据泵的设计工作条件和泵厂家提供的相关资料，校核每一个泵是否在设计工况下具备足够的汽蚀安全裕度，从而进行泵的布置设计和选型。
通过泵的低位布置，大部分情况下都可以保证泵在额定设计工况下避免汽蚀的发生，但实际工作过程中，常常出现运行工况的变化，导致实际运行工况超出了校核计算的范围，从而威胁到泵的寿命和安全，但对于运行人员来说，没有任何可供监测水泵汽蚀风险的技术手段或方法。
电站设计阶段对于泵进行汽蚀安全的校核及布置设计是电站设计必须进行的一项工作，一般根据泵厂家提供的相关参数，校核设计工况下泵的汽蚀余量是否满足相关标准的要求。但泵的设计选型首要考虑的是泵在流程工艺中的功能性需求，如何选型使泵可满足最大流量和最高扬程的需求，这也导致了泵的选型校核采用的工况也基本是额定流量和压力工况附近，基本不会对部分负荷或启停工况进行相关气蚀校核计算，这也导致泵在实际工作过程中常常难以避免地在变工况和启停过程中面临汽蚀风险，但这一切对于运行人员来说没有任何手段和信息可供参考，只有在检修时对泵进行拆解发现破损或只能依赖加强人工对泵的噪音与振动进行定期巡检，但后者极低的频次基本无法捕捉启停或变工况动态过程较短的汽蚀发生过程，但哪怕是瞬间的汽蚀也会对设备造成难以估量的破坏，这导致电站系统内泵的汽蚀破坏仍是其主要的失效原因。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种火电站水泵实时在线汽蚀监测预警系统及方法，对提高火电厂的设备管理水平，延长关键设备寿命，降低维护维修成本都具有重要的意义。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种火电站水泵实时在线汽蚀监测预警系统，包括与电站DCS控制系统8相连的外部监测单元9、监测目标水泵6、管道流量传感器2、泵上游温度传感器3和泵上游压力传感器4；所述泵上游温度传感器3和泵上游压力传感器4为监测目标水泵6所在管路上游距离监测目标水泵6最近的压力和温度测量传感器；监测目标水泵6与上游压力传感器4之间的管道和管路元件构成上游管段5；外部监测单元9与电站DCS控制系统8之间通过常规电站DCS支持的标准工业MODBUS串口进行双向通讯，接收来自电站DCS控制系统8发来的管道流量传感器2、泵上游温度传感器3和泵上游压力传感器4的测量信号，并将泵汽蚀校核结果发送给电站DCS控制系统8，利用电站DCS控制系统8内置的报警和提示模块即可发出提示和报警，提示运行人员。
所述管道流量传感器2位于监测目标水泵6的上游管道1或下游管道7上，只需保证所测流量等于或近似等于通过目标水泵6的流量。
所述外部监测单元9选择配有各自操作系统且支持工业标准MODBUB串口通讯的可编程控制器PLC、工业控制计算机、微型计算机或服务器。
上述所述火电站水泵实时在线汽蚀监测预警系统的实时在线汽蚀监测预警方法，
泵在选型设计时都需要进行汽蚀校核，泵选型需满足条件：
NPSHa≥NPSHr (1)
式中，
NPSHr——允许汽蚀余量，由泵厂家提供，单位：m；
NPSHa——有效汽蚀余量，单位：m；
根据有效汽蚀余量NPSHa的定义，利用泵入口压力来进行计算：
式中，
ρ——工质液体密度
g——重力加速度
pin——泵入口压力
pr——工质当地饱和压力
因此，不会发生汽蚀的充分条件为
取汽蚀风险系数λ
这样λ≤1为阀门不发生汽蚀的充分条件，也即，当λ＞1时开始有发生汽蚀的风险，根据汽蚀原理，泵前压力越低，则发生汽蚀的几率越高，发生汽蚀后，泵前压力越低，则汽蚀损害越严重，因此，用汽蚀风险系数的数值来判断汽蚀的发生和发生汽蚀后的程度；
所述汽蚀风险系数λ，实时根据系统各传感器的测量结果计算汽蚀风险系数的数值，当汽蚀风险系数λ大于1时，即向系统进行报警提示，运行人员根据提示进行相关的处置，而检修人员查阅每个调节阀汽蚀风险系数λ的历史数据，λ越大则表明该调节阀汽蚀风险较大，甚至造成汽蚀损坏，从而首次为工程人员提供所有调节阀的汽蚀风险及破坏程度的实时在线监测；
其中监测目标水泵6入口压力pin一般是没有现场测点的，因此，根据系统内的管道流量传感器2、泵上游温度传感器3和泵上游压力传感器4进行计算，计算原理及方法如下：
根据稳定流动伯努利方程：
式中，
p4——泵上游压力传感器4测量压力
ρ——管道内液体密度
g——重力加速度
v4——泵上游压力传感器4测点位置管内平均流速
vin——调节阀入口位置管内平均流速
h4——泵上游压力传感器4测点位置距离调节阀中心的高度
pfin——上游管段5的流动压降
一般情况下，上游管段5的管道直径不发生变化，因此v4＝v8＝vin＝vout,式(5)变为
pin＝p4+ρgh4-pfin (6)
pfin参考水力设计手册进行计算，计算过程中所需平均流速根据管道流量传感器2的测量流量进行计算，所需温度根据泵上游温度传感器3的测量结果进行计算；
以上对有效汽蚀余量的计算仅适用于平稳运行工况，因为在变工况和启停工况中，系统的流动是变化的，管道内流体流速的变化会产生惯性力，进而引起泵入口压力的动态变化，导致实际有效汽蚀余量的波动；按照刚性水锤原理计算泵入口压力的动态变化：
式中，
G——管道流量，由管道流量传感器2测量测量值经泵上游温度传感器3测量得到的温度修正后得到实际管道流量；
Tw——刚性水锤惯性时间常数；
ph——变工况引起的泵入口压力动态变化量；
这样动态的泵入口压力计算公式如下：
pin＝p4+ρgh4-pfin+ph (7)。
从火电站系统内原有用于生产工艺监测与控制需要而安装的管道压力、流体温度、管道流量传感器中，按照本发明提出的系统构成结构选择对应的传感器输出信号组成系统，实时在线监测泵的汽蚀风险。在机组启停及负荷调整过程中，利用机组系统原有的提示及报警功能接口，对各泵发生汽蚀的风险进行提示和报警，可用于提醒运行人员调整系统的运行方式和升降负荷速率等，从而减轻甚至避免泵的汽蚀损伤，对于经常损坏的泵也可以辅助确认汽蚀破坏是否是主要诱因，指导电厂的检修和改造，这对提高火电厂的设备管理水平，延长关键设备寿命，降低维护维修成本都具有重要的意义。
与现有技术相比，本发明的特点如下：(1)在现有火电站系统硬件结构基础上只需增加外部监测单元9，即可实现对电站内所有存在汽蚀风险的泵进行实时在线监测，无需增加任何硬件和传感器，实现成本低；(2)系统硬件与原有电站DCS系统浑然一体，直接使用DCS系统固有的提示或报警功能模块，满足运行人员对于全厂操作控制系统的一体化要求，在原有统一平台上即可实现对泵汽蚀的监测功能；(3)即使最简单的泵都可以采用本发明的技术实现监测和报警，不依赖设备本身的复杂度和附加设备；(4)与现有静态设计校核方法不同，本发明提出的泵汽蚀监测报警方法考虑流体动态惯性力作用下的刚性水锤效应，获得泵的动态汽蚀风险指标，风险指标的高低不仅能说明发生汽蚀的风险，还可描述发生汽蚀的程度，进而描述对泵的破坏程度，对运行人员进行设备运行状态的监测更具实用意义，而前者只能提供具备一定安全裕度的稳态汽蚀安全判断，只能校核平稳运行工况下泵不会发生汽蚀的充分条件，对运行人员的基本没有参考意义。
附图说明
附图是本发明系统结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
如附图所示，本发明一种火电站水泵实时在线汽蚀监测预警系统，包括与电站DCS控制系统8相连的外部监测单元9、监测目标水泵6、管道流量传感器2、泵上游温度传感器3和泵上游压力传感器4；所述泵上游温度传感器3和泵上游压力传感器4为监测目标水泵6所在管路上游距离监测目标水泵6最近的压力和温度测量传感器；监测目标水泵6与上游压力传感器4之间的管道和管路元件构成上游管段5；外部监测单元9与电站DCS控制系统8之间通过常规电站DCS支持的标准工业MODBUS串口进行双向通讯，接收来自电站DCS控制系统8发来的管道流量传感器2、泵上游温度传感器3和泵上游压力传感器4的测量信号，并将泵汽蚀校核结果发送给电站DCS控制系统8，利用电站DCS控制系统8内置的报警和提示模块即可发出提示和报警，提示运行人员。
作为本发明的优选实施方式，所述管道流量传感器2位于监测目标水泵6的上游管道1或下游管道7皆可，只需保证所测流量等于或近似等于通过目标水泵6的流量。
作为本发明的优选实施方式，所述外部监测单元9选择配有各自操作系统且支持工业标准MODBUB串口通讯(安装标准MODBUS通讯卡或安装标准MODBUS通讯程序软件)的可编程控制器(PLC)、工业控制计算机(工控机)、微型计算机或服务器。除此之外，外部监测单元9采用本发明提出的一种火电站调节阀实时在线汽蚀预警方法进行汽蚀动态风险系数的计算，并将计算结果和报警提示信号传给电站DCS控制系统
本发明所述火电站水泵实时在线汽蚀监测预警系统的实时在线汽蚀监测预警方法，
泵在选型设计时都需要进行汽蚀校核，泵选型需满足条件：
NPSHa≥NPSHr (1)
式中，
NPSHr——允许汽蚀余量，由泵厂家提供，单位：m；
NPSHa——有效汽蚀余量，单位：m；
根据有效汽蚀余量NPSHa的定义，利用泵入口压力来进行计算：
式中，
ρ——工质液体密度
g——重力加速度
pin——泵入口压力
pr——工质当地饱和压力
因此，不会发生汽蚀的充分条件为
取汽蚀风险系数λ
这样λ≤1为阀门不发生汽蚀的充分条件，也即，当λ＞1时开始有发生汽蚀的风险，根据汽蚀原理，泵前压力越低，则发生汽蚀的几率越高，发生汽蚀后，泵前压力越低，则汽蚀损害越严重，因此，用汽蚀风险系数的数值来判断汽蚀的发生和发生汽蚀后的程度；
所述汽蚀风险系数λ，实时根据系统各传感器的测量结果计算汽蚀风险系数的数值，当汽蚀风险系数λ大于1时，即向系统进行报警提示，运行人员根据提示进行相关的处置，而检修人员查阅每个调节阀汽蚀风险系数λ的历史数据，λ越大则表明该调节阀汽蚀风险较大，甚至造成汽蚀损坏，从而首次为工程人员提供所有调节阀的汽蚀风险及破坏程度的实时在线监测；
其中监测目标水泵6入口压力pin一般是没有现场测点的，因此，根据系统内的管道流量传感器2、泵上游温度传感器3和泵上游压力传感器4进行计算，计算原理及方法如下：
根据稳定流动伯努利方程：
式中，
p4——泵上游压力传感器4测量压力
ρ——管道内液体密度
g——重力加速度
v4——泵上游压力传感器4测点位置管内平均流速
vin——调节阀入口位置管内平均流速
h4——泵上游压力传感器4测点位置距离调节阀中心的高度
pfin——上游管段5的流动压降
一般情况下，上游管段5的管道直径不发生变化，因此v4＝v8＝vin＝vout,式(5)变为
pin＝p4+ρgh4-pfin (6)
pfin参考水力设计手册进行计算，计算过程中所需平均流速根据管道流量传感器2的测量流量进行计算，所需温度根据泵上游温度传感器3的测量结果进行计算；
以上对有效汽蚀余量的计算仅适用于平稳运行工况，因为在变工况和启停工况中，系统的流动是变化的，管道内流体流速的变化会产生惯性力，进而引起泵入口压力的动态变化，导致实际有效汽蚀余量的波动；按照刚性水锤原理计算泵入口压力的动态变化：
式中，
G——管道流量，由管道流量传感器2测量测量值经泵上游温度传感器3测量得到的温度修正后得到实际管道流量；
Tw——刚性水锤惯性时间常数；
ph——变工况引起的泵入口压力动态变化量；
这样动态的泵入口压力计算公式如下：
pin＝p4+ρgh4-pfin+ph (7)。
Claims (4)
1.一种火电站水泵实时在线汽蚀监测预警系统，其特征在于：包括与电站DCS控制系统(8)相连的外部监测单元(9)、监测目标水泵(6)、管道流量传感器(2)、泵上游温度传感器(3)和泵上游压力传感器(4)；所述泵上游温度传感器(3)和泵上游压力传感器(4)为监测目标水泵(6)所在管路上游距离监测目标水泵(6)最近的压力和温度测量传感器；监测目标水泵(6)与泵上游压力传感器(4)之间的管道和管路元件构成上游管段(5)；外部监测单元(9)与电站DCS控制系统(8)之间通过常规电站DCS支持的标准工业MODBUS串口进行双向通讯，接收来自电站DCS控制系统(8)发来的管道流量传感器(2)、泵上游温度传感器(3)和泵上游压力传感器(4)的测量信号，并将泵汽蚀校核结果发送给电站DCS控制系统(8)，利用电站DCS控制系统(8)内置的报警和提示模块即可发出提示和报警，提示运行人员。
2.根据权利要求1所述的一种火电站水泵实时在线汽蚀监测预警系统，其特征在于：所述管道流量传感器(2)位于监测目标水泵(6)的上游管道(1)或下游管道(7)上，只需保证所测流量等于或近似等于通过目标水泵(6)的流量。
3.根据权利要求1所述的一种火电站水泵实时在线汽蚀监测预警系统，其特征在于：所述外部监测单元(9)选择配有各自操作系统且支持工业标准MODBUB串口通讯的可编程控制器PLC、工业控制计算机、微型计算机或服务器。
4.权利要求1所述火电站水泵实时在线汽蚀监测预警系统的实时在线汽蚀监测预警方法，其特征在于：
泵在选型设计时都需要进行汽蚀校核，泵选型需满足条件：
NPSHa≥NPSHr (1)
式中，
NPSHr——允许汽蚀余量，由泵厂家提供，单位：m；
NPSHa——有效汽蚀余量，单位：m；
根据有效汽蚀余量NPSHa的定义，利用泵入口压力来进行计算：
<mrow>
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式中，
ρ——工质液体密度
g——重力加速度
pin——泵入口压力
pr——工质当地饱和压力
因此，不会发生汽蚀的充分条件为
<mrow>
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<mi>P</mi>
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<mi>H</mi>
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这样λ≤1为水泵不发生汽蚀的充分条件，也即，当λ>1时开始有发生汽蚀的风险，根据汽蚀原理，泵前压力越低，则发生汽蚀的几率越高，发生汽蚀后，泵前压力越低，则汽蚀损害越严重，因此，用汽蚀风险系数的数值来判断汽蚀的发生和发生汽蚀后的程度；
所述汽蚀风险系数λ，实时根据系统各传感器的测量结果计算汽蚀风险系数的数值，当汽蚀风险系数λ大于1时，即向系统进行报警提示，运行人员根据提示进行相关的处置，而检修人员查阅每个水泵汽蚀风险系数λ的历史数据，λ越大则表明该水泵汽蚀风险较大，甚至造成汽蚀损坏，从而首次为工程人员提供所有水泵的汽蚀风险及破坏程度的实时在线监测；
其中监测目标水泵(6)入口压力pin一般是没有现场测点的，因此，根据系统内的管道流量传感器(2)、泵上游温度传感器(3)和泵上游压力传感器(4)进行计算，计算原理及方法如下：
根据稳定流动伯努利方程：
<mrow>
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</mrow>
式中，
p4——泵上游压力传感器(4)测量压力
ρ——管道内液体密度
g——重力加速度
v4——泵上游压力传感器(4)测点位置管内平均流速
vin——水泵入口位置管内平均流速
h4——泵上游压力传感器(4)测点位置距离泵中心的高度
pfin——上游管段(5)的流动压降
一般情况下，上游管段(5)的管道直径不发生变化，因此v4＝v8＝vin＝vout,式(5)变为
pin＝p4+ρgh4-pfin (6)
pfin参考水力设计手册进行计算，计算过程中所需平均流速根据管道流量传感器(2)的测量流量进行计算，所需温度根据泵上游温度传感器(3)的测量结果进行计算；
以上对有效汽蚀余量的计算仅适用于平稳运行工况，因为在变工况和启停工况中，系统的流动是变化的，管道内流体流速的变化会产生惯性力，进而引起泵入口压力的动态变化，导致实际有效汽蚀余量的波动；按照刚性水锤原理计算泵入口压力的动态变化：
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式中，
G——管道流量，由管道流量传感器(2)测量测量值经泵上游温度传感器(3)测量得到的温度修正后得到实际管道流量；
Tw——刚性水锤惯性时间常数；
ph——变工况引起的泵入口压力动态变化量；
这样动态的泵入口压力计算公式如下：
pin＝p4+ρgh4-pfin+ph (7)。
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