CN111985096A - 一种基于风机实际临界失速曲线的引风机失速智能预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于风机实际临界失速曲线的引风机失速智能预警方法，包括：步骤1、计算引风机比压能；步骤2、对历史运行工况样本数据清洗和故障剔除，并确定引风机正常运行的工况点集合；步骤3、通过多项式拟合的方法拟合步骤2获得的引风机正常运行的工况点的上方边界点。本发明的有益效果是：相比于常规的DCS系统通过单参数的报警方法，由于把实际运行工况点与临界失速曲线的距离作为判断方法，可根据距离变化提前预警；同时当运行工况点达到或者超过临界失速曲线时，可及时报警；本发明的风机实际临界失速曲线通过长期历史运行数据拟合得到，要比风机厂家给出的失速曲线贴近实际运行情况，有利于实现对风机失速的精确预警。

Description

一种基于风机实际临界失速曲线的引风机失速智能预警方法

技术领域

本发明涉及燃煤电厂生产安全技术领域，尤其包括一种基于风机实际临界失速曲线的引风机失速智能预警方法。

背景技术

风机失速是指风机处于正常工况时，冲角很小(气流方向与叶片叶弦的夹角即为冲角)，气流绕过机翼型叶片而保持流线状态，当气流与叶片进口形成正冲角，即α>0，且此正冲角超过某一临界值时，叶片背面流动工况开始恶化，边界层受到破坏，在叶片背面尾端出现涡流区的现象。冲角大于临界值越多，失速现象越严重，流体的流动阻力越大，使叶道阻塞，同时风机风压也随之迅速降低。

风机的失速对燃煤电站的安全运行有很大危害，严重的话会导致设备损坏机组的非停，造成巨大的经济损失。近年来，随着大型燃煤电厂需要频繁参与深度调峰，机组的负荷波动非常剧烈，导致相应风机负荷的波动也很大，使得风机失速风险增加。此外，超低排放改造后空预器堵塞等问题的加剧，使得引风机的失速风险也大幅增加。

常规的DCS系统一般通过单参数的报警方法来提醒风机失速，如设置左右侧风机电流偏差值上限，或设置风机进口风压下限等。但当该方法报警时，风机一般已处于失速状态，很多时候运行人员难以有足够时间提前操作以避免失速。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于风机实际临界失速曲线的引风机失速智能预警方法。

这种基于风机实际临界失速曲线的引风机失速智能预警方法，包括以下步骤：

步骤1、计算引风机比压能；根据引风机动叶开度和厂家提供的资料中引风机动叶开度和引风机动叶角度的换算关系，换算得到引风机动叶角度，并在引风机的比压能-体积流量图上，把纵坐标比压能Y的水平线与引风机动叶角度的动叶角度特性线相交，将得到交叉点坐标作为该工况点的历史运行工况样本；

步骤1.1、计算引风机比压能：

Δp_t＝p_t2-p_t1＝p_e2+p_d2-(p_e1+p_d1) (2)

上式(1)至式(2)中Y为比压能,单位为J/kg；Δp_t为引风机全压升，单位为pa；ρ为烟气密度，单位为kg/m³；p_t2为引风机出口的全压，单位为Pa；p_t1为引风机入口的全压，p_e2为引风机出口静压，单位均为Pa；p_d2为引风机出口动压，p_e1为引风机入口静压，单位均为Pa；p_d1为引风机入口静压，单位为Pa；

步骤1.2、计算烟气密度ρ：

上式(3)至式(5)中，ρ₁和ρ₂分别为引风机入口和引风机出口的烟气密度，单位为kg/m³；t₁和t₂分别引风机入口和出口的烟气温度，单位为℃；p_e1为引风机入口静压，单位为Pa；p_e2为引风机出口静压，单位均为Pa；

步骤1.3、获取不同时刻引风机出口静压p_e2和引风机入口静压p_e1的历史数据，计算各截面烟气的动压：

上式中p_d为各截面的动压，ρ为烟气密度，单位为kg/m³；v为烟气流速，单位为m/s；v由式(7)计算得到：

上式中，V为烟气体积流量，单位为m³/s；S为烟道截面积，单位为m²，v为烟气流速，单位为m/s；

步骤1.4、用引风机电流的占比近似估算引风机的烟气体积流量：

上式中，V_A为A引风机的烟气体积流量，单位为m³/s；I_A和I_B分别为A引风机和B引风机电流，单位为A；q_m,coal为锅炉总给煤量，q_m,air为锅炉总送风量，ρ_A为A引风机的烟气密度，单位为kg/m³；A_L为空预器漏风率；

步骤2、对历史运行工况样本数据清洗和故障剔除，并确定引风机正常运行的工况点集合；

步骤2.1、对步骤1获得的历史运行工况样本数据进行数据清洗，同时根据日志剔除引风机已经失速的样本时间段：若运行日志中包含失速记录，或机组中A引风机和B引风机电流均大于设定电流值，且A引风机和B引风机电流偏差超过设定电流偏差值，将该样本时间段作为失速样本剔除；

步骤2.2、通过式(1)计算剔除失速样本后的每个样本点的引风机比压能Y，并依据对应的引风机动叶角度在引风机的比压能-体积流量图上确定该样本点的坐标，将该样本的坐标点集合作为引风机正常运行的工况点集合；

步骤3、通过多项式拟合的方法拟合步骤2获得的引风机正常运行的工况点的上方边界点，得到引风机比压能Y关于体积流量的拟合曲线，将该曲线作为引风机的实际临界失速曲线；

A引风机的实际临界失速曲线为：

Y_A＝f_A(V_A) (9)

B引风机的实际临界失速曲线为：

Y_B＝f_B(V_B) (10)

将引风机的实际临界失速曲线下方作为安全区，上方作为失速和临界失速区；

步骤4、计算并展示引风机的实时工况点计算结果；

步骤4.1、获取引风机实时运行工况，根据式(1)计算实时比压能，依据动叶开度确定实时工况点的坐标，计算该坐标式(9)或式(10)中A引风机和B引风机的实际临界失速曲线之间的距离d：

D＝d²＝(Y-Y₀)²+(V-V₀)²＝(f(V)-f(V₀))²+(V-V₀)² (11)

上式中，d为工况点与曲线之间的距离，工况点坐标为(V₀,Y₀)，Y为实时比压能，V为实时烟气体积流量；

步骤4.2、当式(11)的导数

等于0时，V为D和d的极值点，根据式(11)计算坐标点(V₀,Y₀)与曲线端点的距离，并与距离d的极值进行比较，其中距离最小值为坐标与引风机实际临界失速曲线之间的最短距离d_min；

步骤5、当实时运行工况点的坐标与临界失速曲线的最短距离d_min小于固定数值时，则引风机有失速风险；当实时运行工况点的坐标位于临界失速曲线上时，则引风机濒临失速，当实时运行工况点的坐标位于临界失速曲线上方时，则引风机已经失速；根据实时运行工况点的位置，对引风机失速进行预警和报警。

作为优选，所述步骤2.1中设定电流值为100A，设定电流偏差值为25A。

作为优选，所述步骤2中剔除的失速样本包含样本时间段前后2小时的样本。

作为优选，所述步骤1中引风机动叶开度范围为0～100％，对应动叶开度的引风机的实际动叶角度通过风机厂家提供资料或现场校核确定。

本发明的有益效果是：相比于常规的DCS系统通过单参数的报警方法，由于把实际运行工况点与临界失速曲线的距离作为判断方法，可根据距离变化提前预警；同时当运行工况点达到或者超过临界失速曲线时，可及时报警。本发明的风机实际临界失速曲线通过长期历史运行数据拟合得到，要比风机厂家给出的失速曲线贴近实际运行情况，有利于实现对风机失速的精确预警。

附图说明

图1为实施例计算得到的某电厂A引风机正常运行工况点在比压能-体积流量图上的分布图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

作为一种实施例，以某1000MW燃煤锅炉的引风机为例，基于风机实际临界失速曲线的引风机失速智能预警方法为：

步骤1、获取引风机系统历史运行工况样本，即风机运行参数在比压能-体积流量图上的坐标。历史运行工况样本选取1年，取数间隔为5s。要获得每一个时间点在风机特性图上的坐标，则需要获得比压能和风机动叶角度2个参数来确定工况点。

引风机动叶角度可通过在线的风机动叶开度数据转换：表盘数据的引风机动叶开度范围为0～100％，对应该引风机的实际动叶角度范围为-25％～25％，可通过风机厂家提供的资料换算。

引风机比压能的计算如式(1)至式(2)所示：

Δp_t＝p_t2-p_t1＝p_e2+p_d2-(p_e1+p_d1) (2)

上式(1)至式(2)中Y为比压能,单位为J/kg；Δp_t为引风机全压升，单位为pa；p_t2为风机出口的全压，单位为Pa；ρ为烟气密度，单位为kg/m³；p_t1为风机入口的全压，p_e2为风机出口静压，单位均为Pa；p_d2为风机出口动压，单位为Pa；p_e1为风机入口静压，单位为Pa；p_d1为风机入口静压，单位为Pa。

烟气密度ρ可由式(3)至式(5)近似计算：

上式(3)至式(5)中，ρ₁和ρ₂分别为风机入口和风机出口的烟气密度，单位为kg/m³；t₁和t₂分别风机入口和出口的烟气温度，单位为℃；p_e1为风机入口静压，单位为Pa；p_e2为风机出口静压，单位均为Pa。

风机出口和入口的静压p_e2和p_e1均有在线测点，可获取不同时刻的历史数据。各截面的动压可由式(6)计算，其中v为烟气流速，单位为m/s；v可由烟气体积流量除以烟道截面积及计算得到，如式(7)所示，V为烟气体积流量，单位为m³/s；S为烟道截面积，单位为m²。

上式(7)中的烟气体积流量V仅用于计算烟气的动压，对于工况点的坐标影响较小，故可以用近似估计的方法，如式(8)所示，其中V_A为A引风机的烟气体积流量，单位为m³/s；I_A和I_B分别为A引风机和B引风机电流，单位为A；q_m,coal和q_m,air分别为锅炉总给煤量和总送风量，ρ_A为A引风机的烟气密度，单位为kg/m³。

式(8)的单侧引风机体积流量计算方法用引风机电流的占比进行估算，有一定误差，故其烟气流量结果无法用于风机工况点的直接确定，但可用于计算烟气动压。

上式中，A_L为空预器漏风率；

为了进一步说明式(1)至式(8)比压能计算方法和工况点在比压能-体积流量(风机特性)图上的坐标确定方法，以该1000MW燃煤锅炉A引风机的某一历史工况点的数据为例计算过程如下：

根据该机组DCS在线测点数据，得到该工况下的煤量q_m,coal为113.67kg/s，风量q_m,air为866.33kg/s，漏风率为6.0％，A引风机电流I_A为308A，B引风机电流I_B为306A，A引风机入口和出口的烟气温度分别为104.5℃和106.2℃，A引风机入口静压p_d1和出口静压p_d2分别为-3850Pa和2829Pa，引风机入口和出口的烟道截面积均为17.6m²，A引风机动叶开度为63.0％。

先根据(4)式和(5)式，计算得到引风机入口烟气密度ρ₁和引风机入口烟气密度ρ₂,分别为0.931kg/m³和0.990kg/m³，再由(3)式计算得到引风机平均烟气密度ρ为0.961kg/m³。然后，根据(8)式计算得到近似的A引风机入口和出口的烟气体积流量分别为559.80m³/s和526.27m³/s(注：该流量为近似值，相对误差较大，仅适用于对动压的估算，不适用于工况点的确定)，并根据(6)式和(7)式计算得到引风机入口烟气动压p_d1和出口烟气动压p_d2分别为466Pa和439Pa。最后，由(2)式计算得到风机的全压升Δp_t为6651Pa,并由(1)式计算得到该工况点的比压能Y为6924J/kg。

根据风机动叶开度63.0％，依照风机动叶开度和风机动叶角度的换算关系，可换算得到风机动叶角度为+6.5°，在该引风机的比压能-体积流量(风机特性)图(图1)上，把纵坐标比压能Y＝6924J/kg的水平线与风机动叶角度为+6.5°的动叶角度特性线(厂家提供)相交，交叉点即为该工况点在比压能-体积流量坐标体系上的坐标。

该坐标点的横坐标即为该工况下的体积流量，由此得到的体积流量较之(8)式估算所得的体积流量要精确很多。

图1中黑色点为正常工况点，黑色曲线为实际的临界失速曲线，黑色曲线左上方为失速区，黑色曲线右下方为安全区

步骤2、获取引风机历史运行工况样本，包含1年的样本数据，需要的测点参数包含引风机进出口烟道静压、引风机进出口烟气温度、引风机动叶开度、两台引风机电流，锅炉总给煤量和总送风量等。对历史运行工况样本数据进行数据清洗，同时根据运行日志等记录剔除风机已经失速的样本时间段，具体剔除故障(失速)样本的方法如下：1)运行日志等记录中包含的失速记录，2)该机组两台引风机电流均大于100A且两台引风机电流偏差超过25A；以上两条满足任一条即作为失速样本剔除，剔除失速时间段包含失速时间段前后2小时的样本。

对历史工况样本数据清洗和故障剔除后，计算每个样本点的风机比压能，并依据对应风机动叶角度在风机特性图上确定该样本点的坐标，可认为该样本的坐标点集合即为风机正常运行的工况点集合。

步骤3、用多项式拟合的方法拟合步骤2获得的风机正常运行工况点的上方边界，可得到引风机比压能关于体积流量的拟合关系式，即为风机的实际临界失速曲线，如(9)式(A引风机)和(10)式(B引风机)所示。

Y_A＝f_A(V_A) (9)

Y_B＝f_B(V_B) (10)

临界失速曲线可通过筛选边界工况点，并设置信区间方法拟合得到或通过把x轴平均分成若干份(一般为20份以上)，线性拟合各段边界，并连接各段得到。

风机临界失速曲线下方即为安全区，上方即为失速和临界失速区。

步骤4、计算并展示引风机的实时工况点计算结果：获取引风机实时运行工况，根据步骤1的方法计算实时比压能，并依据动叶开度确定实时工况点的坐标，同时计算该坐标与(9)式或(10)式风机实际临界失速曲线之间的最短距离d_min。

优选的，工况点与实际临界失速曲线最短距离d_min可通过以下方法求解：

假设工况点坐标为(V₀,Y₀)，则该点到曲线上任一点距离的平方由(11)式计算

D＝d²＝(Y-Y₀)²+(V-V₀)²＝(f(V)-f(V₀))²+(V-V₀)² (11)

其中d为工况点与曲线之间的距离；为计算简便，引入距离d的平方D，当D最小时即为d最小。

由(11)式可知，D是关于V的函数，当导数

等于0时，即为D的极值点，也是d的极值点。同时计算坐标点(V₀,Y₀)与曲线端点的距离，并与距离d的极值进行比较，其中最小值即为所需的坐标与风机实际临界失速曲线之间的最短距离d_min。

当运行工况的坐标与临界失速曲线的距离d_min小于某数值时，即可认为风机有失速风险；当运行工况的坐标位于临界失速曲线时，可认为风机濒临失速，当运行工况的坐标位于临界失速曲线上方时，风机已经失速。因此，可根据运行工况点的位置，对风机失速进行预警和报警。

可同时计算当前运行工况与临界失速曲线之间的距离的缩短速度，即单位时间d_min的变化率。当距离持续缩短且缩短至一定程度时，可提前进行风机失速预警。

Claims (4)

1.一种基于风机实际临界失速曲线的引风机失速智能预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、计算引风机比压能，根据引风机动叶开度和厂家提供的资料中引风机动叶开度和引风机动叶角度的换算关系，换算得到引风机动叶角度，并在引风机的比压能-体积流量图上，把纵坐标比压能Y的水平线与引风机动叶角度的动叶角度特性线相交，将得到交叉点坐标作为该工况点的历史运行工况样本；

步骤1.1、计算引风机比压能：

Δp_t＝p_t2-p_t1＝p_e2+p_d2-(p_e1+p_d1) (2)

上式(1)至式(2)中Y为比压能,单位为J/kg；Δp_t为引风机全压升，单位为pa；ρ为烟气密度，单位为kg/m³；p_t2为引风机出口的全压，单位为Pa；p_t1为引风机入口的全压，p_e2为引风机出口静压，单位均为Pa；p_d2为引风机出口动压，p_e1为引风机入口静压，单位均为Pa；p_d1为引风机入口静压，单位为Pa；

步骤1.2、计算烟气密度ρ：

上式(3)至式(5)中，ρ₁和ρ₂分别为引风机入口和引风机出口的烟气密度，单位为kg/m³；t₁和t₂分别引风机入口和出口的烟气温度，单位为℃；p_e1为引风机入口静压，单位为Pa；p_e2为引风机出口静压，单位均为Pa；

步骤1.3、获取不同时刻引风机出口静压p_e2和引风机入口静压p_e1的历史数据，计算各截面烟气的动压：

上式中p_d为各截面的动压，ρ为烟气密度，单位为kg/m³；v为烟气流速，单位为m/s；v由式(7)计算得到：

上式中，V为烟气体积流量，单位为m³/s；S为烟道截面积，单位为m²，v为烟气流速，单位为m/s；

步骤1.4、用引风机电流的占比近似估算引风机的烟气体积流量：

上式中，V_A为A引风机的烟气体积流量，单位为m³/s；I_A和I_B分别为A引风机和B引风机电流，单位为A；q_m,coal为锅炉总给煤量，q_m,air为锅炉总送风量，ρ_A为A引风机的烟气密度，单位为kg/m³；A_L为空预器漏风率；

步骤2、对历史运行工况样本数据清洗和故障剔除，并确定引风机正常运行的工况点集合；

步骤2.1、对步骤1获得的历史运行工况样本数据进行数据清洗，同时根据日志剔除引风机已经失速的样本时间段：若运行日志中包含失速记录，或机组中A引风机和B引风机电流均大于设定电流值，且A引风机和B引风机电流偏差超过设定电流偏差值，将该样本时间段作为失速样本剔除；

步骤2.2、通过式(1)计算剔除失速样本后的每个样本点的引风机比压能Y，并依据对应的引风机动叶角度在引风机的比压能-体积流量图上确定该样本点的坐标，将该样本的坐标点集合作为引风机正常运行的工况点集合；

步骤3、通过多项式拟合的方法拟合步骤2获得的引风机正常运行的工况点的上方边界点，得到引风机比压能Y关于体积流量的拟合曲线，将该曲线作为引风机的实际临界失速曲线；

A引风机的实际临界失速曲线为：

Y_A＝f_A(V_A) (9)

B引风机的实际临界失速曲线为：

Y_B＝f_B(V_B) (10)

将引风机的实际临界失速曲线下方作为安全区，上方作为失速和临界失速区；

步骤4、计算并展示引风机的实时工况点计算结果；

步骤4.1、获取引风机实时运行工况，根据式(1)计算实时比压能，依据动叶开度确定实时工况点的坐标，计算该坐标式(9)或式(10)中A引风机和B引风机的实际临界失速曲线之间的距离d：

D＝d²＝(Y-Y₀)²+(V-V₀)²＝(f(V)-f(V₀))²+(V-V₀)² (11)

上式中，d为工况点与曲线之间的距离，工况点坐标为(V₀,Y₀)，Y为实时比压能，V为实时烟气体积流量；

步骤4.2、当式(11)的导数

等于0时，V为D和d的极值点，根据式(11)计算坐标点(V₀,Y₀)与曲线端点的距离，并与距离d的极值进行比较，其中距离最小值为坐标与引风机实际临界失速曲线之间的最短距离d_min；

步骤5、当实时运行工况点的坐标与临界失速曲线的最短距离d_min小于固定数值时，则引风机有失速风险；当实时运行工况点的坐标位于临界失速曲线上时，则引风机濒临失速，当实时运行工况点的坐标位于临界失速曲线上方时，则引风机已经失速；根据实时运行工况点的位置，对引风机失速进行预警和报警。

2.根据权利要求1所述基于风机实际临界失速曲线的引风机失速智能预警方法，其特征在于：所述步骤2.1中设定电流值为100A，设定电流偏差值为25A。

3.根据权利要求1所述基于风机实际临界失速曲线的引风机失速智能预警方法，其特征在于：所述步骤2中剔除的失速样本包含样本时间段前后2小时的样本。

4.根据权利要求1所述基于风机实际临界失速曲线的引风机失速智能预警方法，其特征在于：所述步骤1中引风机动叶开度范围为0～100％。

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