CN113325700A - 一种基于风机性能曲线的风机开度及效率在线计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于风机性能曲线的风机开度及效率在线计算方法，该方法基于风机在线监测系统获取得到风机实际运行参数，包括风机入口体积流量Q、风机比压能Y、风机效率η和风机开度β；将风机设计性能曲线离散化后获取拟合关系式；基于风机实际运行参数、风机设计性能曲线拟合关系式，计算风机运行点在风机设计性能曲线的相对位置，包括风机运行点所处的等开度线或等效率线区间、运行点到所处区间的各开度线或等效率线的最小距离；基于线性插值方法计算得到风机运行点在其性能曲线上的对应的开度值及效率值。本发明具有高效、精度高、鲁棒性强的特点，适用于大型燃煤机组三大风机在线监测及诊断系统。

Description

一种基于风机性能曲线的风机开度及效率在线计算方法

技术领域

本发明属于燃煤电厂烟气系统所使用的轴流式通风机(包括静叶可调式轴流风机和动叶可调式轴流风机等)领域，具体涉及一种基于风机性能曲线的风机开度及效率在线计算方法。

背景技术

随着我国通风机设计制造技术的发展，基于轴流式通风机具有低压头、高流量及调节性能优良等优点，国内大型燃煤机组的三大风机(一次风机、送风机及引风机)已广泛采用轴流式通风机。然而，在国内火电机组频繁调峰的大背景下，电站风机设备也需相应频繁调节；因轴流式通风机结构复杂、介质杂质多等因素，导致轴流式风机在频繁变工况调节运行一定时间后逐渐出现叶片磨损、卡涩及叶片角度调节部件损坏等问题，使得风机实际性能逐渐偏离其设计性能，降低了风机运行的安全性及经济性。因而，有必要研究电站风机在线监测系统，通过测试获取风机实际运行参数，并将该实测参数与性能曲线对应参数(风机开度及效率)进行比较，以评估风机的实际性能与设计性能偏差，及时提出预警以便及时检修。由于轴流式风机性能曲线均为在多个风机开度下的比压能-流量曲线簇及具有一定间隔的等效率曲线簇，开度线间隔在4°～10°，等效率线间隔在1％～10％，因而，有必要建立一套在线智能获取风机运行点在其性能曲线上对应的开度及效率值的计算方法，以实现实时判断风机实际性能与设计性能的偏差。

发明内容

本发明的目的是为了实现风机实际性能与设计性能的偏差在线评估，提供一种基于风机性能曲线的风机开度及效率在线计算方法。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种基于风机性能曲线的风机开度及效率在线计算方法，该方法基于风机在线监测系统获取得到风机实际运行参数，包括风机入口体积流量Q、风机比压能Y、风机效率η和风机开度β；将风机设计性能曲线离散化后获取拟合关系式；基于风机实际运行参数、风机设计性能曲线拟合关系式，计算风机运行点在风机设计性能曲线的相对位置，包括风机运行点所处的等开度线或等效率线区间、运行点到所处区间的各开度线或等效率线的最小距离；基于线性插值方法计算得到风机运行点在其性能曲线上的对应的开度值及效率值。

本发明进一步的改进在于，将风机性能曲线离散化并获取各风机开度下风机比压能Y-流量Q的拟合关系式、各效率下风机压力或比压能-流量的拟合关系式，具体如下：

①由于不同风机开度β_i下风机比压能Y-流量Q曲线为单调曲线，采用最小二乘法进行近似拟合，获取Y_β＝f_i(Q)关系式；

②由于不同效率η_i下的风机比压能Y-流量Q曲线为非单调曲线，采用分段线性插值进行近似拟合，获取Y_η＝f_i(Q)。

本发明进一步的改进在于，步骤①的计算方法如下：

给定数据点{(Q_j，Y_j)}和一组函数g_k(Q)，j＝1,2,...,m，k＝1,2，...，n，求数a₁，a₂，...,a_n，假定m>n，使函数

f(Q)＝a₁g₁(Q)+a₂g₂(Q)+...+a_ng_n(Q)

满足

本发明进一步的改进在于，步骤②的计算方法如下：

给定数据点{(Q_j,Y_j}，j＝1,2,...,n，将数据点区间[Q₀,Q_n]划分为若干子区间[Q_j,Q_j+1]，每个子区间只有两个数据点(Q_j,Y_j),(Q_j+1,Y_j+1)；根据变量Q确定其所在给定数据点的子区间，并获取该子区间的两个数据点，基于两个数据点，作一次插值多项式：

本发明进一步的改进在于，函数f(Q)的近似函数的形式是：

(1)多项式：f(Q)＝a₀+a₁Q+a₂Q²+...+a_nQⁿ

(2)指数函数：f(Q)＝exp(a₀+a₁Q+a₂Q²+...+a_nQⁿ)。

本发明进一步的改进在于，计算风机运行点在风机性能曲线上对应的风机开度，通过风机在线监测系统获取得到风机运行参数，包括体积流量Q及风机比压能Y，具体如下：

根据风机运行点(Q,Y)及风机设计性能曲线簇Y_β＝f_i(Q)，求解距离其最近的两条风机开度性能曲线(1)(2)的开度值β₁及β₂，性能曲线拟合关系式Y_β＝f₁(Q)及Y_β＝f₂(Q)，构造点(Q,Y)到曲线Y_β＝f₁(Q)的最小距离计算函数，采用黄金分割一维优化算法计算得到运行点到曲线(1)及曲线(2)的距离d₁及d₂，采用线性插值方法计算风机性能曲线对应的开度值β_a：

本发明进一步的改进在于，根据风机安装或检修调试时确定的风机开度与就地叶片角度关系式，以及DCS风机开度给定值，计算得到风机开度β_s；通过风机在线监视系统获取风机实际效率η_s；计算得到风机给定开度值与风机性能曲线对应开度值的偏差量Δβ＝β_s-β_a、风机实测效率值与风机性能曲线对应效率值的偏差量Δη＝η_s-η_a。

本发明进一步的改进在于，对于动叶可调轴流式风机，当|Δβ|>3°或|Δη|>5％时，给出预警信号。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供了一种基于风机性能曲线计算风机运行点对应的风机开度及效率的方法，通过对风机性能曲线进行离散化并进行曲线近似拟合，进而可以通过算法实现性能曲线的高效自动识别及预测，而通过求解点到曲线的最小距离，并基于最小距离求解得到性能曲线对应的风机开度及效率值，进一步与DCS风机给定开度值及实测效率值进行对比，可以高效获取得到风机实际运行性能与风机设计性能的偏差，进而可以及时发出预警以便及时检修，从而提高风机的运行安全性，实现风机的在线故障诊断。本发明具有高效、精度高、鲁棒性强的特点，适用于大型燃煤机组三大风机在线监测及诊断系统。

附图说明

图1为本发明的原理示意图；

图2为本发明的轴流式通风机性能曲线示意图。

其中，图1中，Q为风机入口体积流量，单位m3/s，Y为风机比压能，单位J/kg，j为数据点序号(j＝1,2,...,n)，i为曲线序号(i＝1,2，...，n)，η_s为风机实测效率值，β_s为DCS风机开度给定值，d₁为运行点(Q,Y)到等开度线(1)的最小距离，d₂为运行点(Q,Y)到等开度线(2)的最小距离，d₃为运行点(Q,Y)到等效率线(3)的最小距离，d₄为运行点(Q,Y)到等效率线(4)的最小距离，β_a为风机性能曲线对应的风机开度值，η_a为风机性能曲线对应的效率值，Δβ为DCS风机开度给定值与风机性能曲线对应开度值的偏差量，Δη风机实测效率值与风机性能曲线对应效率值的偏差量。

图2中，Q为风机入口体积流量，单位m3/s，Y为风机比压能，单位J/kg，d₁为运行点(Q,Y)到等开度线(1)的最小距离，d₂为运行点(Q,Y)到等开度线(2)的最小距离，d₃为运行点(Q,Y)到等效率线(3)的最小距离，d₄为运行点(Q,Y)到等效率线(4)的最小距离。

图3为典型工况下风机运行点在其性能曲线上的分布图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1和图2所示，本发明提供的一种基于风机性能曲线的风机开度及效率在线计算方法，该方法基于风机在线监测系统获取得到风机实际运行参数，包括风机入口体积流量Q、风机比压能Y、风机效率η和风机开度β；将风机设计性能曲线离散化后获取拟合关系式；基于风机实际运行参数、风机设计性能曲线拟合关系式，计算风机运行点在风机设计性能曲线的相对位置，包括风机运行点所处的等开度线或等效率线区间、运行点到所处区间的各开度线或等效率线的最小距离；基于线性插值方法计算得到风机运行点在其性能曲线上的对应的开度值及效率值。

其中，将风机性能曲线离散化并获取各风机开度下风机比压能Y-流量Q的拟合关系式、各效率下风机压力或比压能-流量的拟合关系式，具体如下：

①由于不同风机开度β_i下风机比压能Y-流量Q曲线为单调曲线，采用最小二乘法进行近似拟合，获取Y_β＝f_i(Q)关系式，其计算方法如下：

给定数据点{(Q_j，Y_j)}和一组函数g_k(Q)，j＝1,2,...,m，k＝1,2，...，n，求数a₁，a₂，...,a_n，假定m>n，使函数

f(Q)＝a₁g₁(Q)+a₂g₂(Q)+...+a_ng_n(Q)

满足

函数f(Q)的近似函数的形式是：

(1)多项式：f(Q)＝a₀+a₁Q+a₂Q²+...+a_nQⁿ

(2)指数函数：f(Q)＝exp(a₀+a₁Q+a₂Q²+...+a_nQⁿ)

②由于不同效率η_i下的风机比压能Y-流量Q曲线为非单调曲线，采用分段线性插值进行近似拟合，获取Y_η＝f_i(Q)，其计算方法如下：

给定数据点{(Q_j,Y_j}，j＝1,2,...,n，将数据点区间[Q₀,Q_n]划分为若干子区间[Q_j,Q_j+1]，每个子区间只有两个数据点(Q_j,Y_j),(Q_j+1,Y_j+1)；根据变量Q确定其所在给定数据点的子区间，并获取该子区间的两个数据点，基于两个数据点，作一次插值多项式：

计算风机运行点在风机性能曲线上对应的风机开度，通过风机在线监测系统获取得到风机运行参数，包括体积流量Q及风机比压能Y，具体如下：

根据风机运行点(Q,Y)及风机设计性能曲线簇Y_β＝f_i(Q)，求解距离其最近的两条风机开度性能曲线(1)(2)的开度值β₁及β₂，性能曲线拟合关系式Y_β＝f₁(Q)及Y_β＝f₂(Q)，构造点(Q,Y)到曲线Y_β＝f₁(Q)的最小距离计算函数，采用黄金分割一维优化算法计算得到运行点到曲线(1)及曲线(2)的距离d₁及d₂，采用线性插值方法计算风机性能曲线对应的开度值β_a：

根据风机安装或检修调试时确定的风机开度与就地叶片角度关系式，以及DCS风机开度给定值，计算得到风机开度β_s；通过风机在线监视系统获取风机实际效率η_s；计算得到风机给定开度值与风机性能曲线对应开度值的偏差量Δβ＝β_s-β_a、风机实测效率值与风机性能曲线对应效率值的偏差量Δη＝η_s-η_a。

对于动叶可调轴流式风机，当|Δβ|>3°或|Δη|>5％时，给出预警信号。

实施例

国内某300MW机组引风机为动叶可调式轴流风机，配置引风机在线监测及故障预警系统，采用C#程序语言将本发明方法进行实现，并嵌入至引风机在线监测及故障预警系统中，实现了实时监测风机实际运行性能的同时，监测风机运行性能与设计性能的偏差，本发明算法运行高效、可靠，典型运行工况下风机运行点在其性能曲线上的分布如图3所示，风机开度及效率计算结果如表1所示。本发明的实现，不仅提高了风机运行安全性，而且为引风机检测策略的制定提供决策依据。

表1典型工况下的计算结果

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于风机性能曲线的风机开度及效率在线计算方法，其特征在于，该方法基于风机在线监测系统获取得到风机实际运行参数，包括风机入口体积流量Q、风机比压能Y、风机效率η和风机开度β；将风机设计性能曲线离散化后获取拟合关系式；基于风机实际运行参数、风机设计性能曲线拟合关系式，计算风机运行点在风机设计性能曲线的相对位置，包括风机运行点所处的等开度线或等效率线区间、运行点到所处区间的各开度线或等效率线的最小距离；基于线性插值方法计算得到风机运行点在其性能曲线上的对应的开度值及效率值。

2.根据权利要求1所述的一种基于风机性能曲线的风机开度及效率在线计算方法，其特征在于，将风机性能曲线离散化并获取各风机开度下风机比压能Y-流量Q的拟合关系式、各效率下风机压力或比压能-流量的拟合关系式，具体如下：

①由于不同风机开度β_i下风机比压能Y-流量Q曲线为单调曲线，采用最小二乘法进行近似拟合，获取Y_β＝f_i(Q)关系式；

②由于不同效率η_i下的风机比压能Y-流量Q曲线为非单调曲线，采用分段线性插值进行近似拟合，获取Y_η＝f_i(Q)。

3.根据权利要求2所述的一种基于风机性能曲线的风机开度及效率在线计算方法，其特征在于，步骤①的计算方法如下：

给定数据点{(Q_j，Y_j)}和一组函数g_k(Q)，j＝1,2,...,m，k＝1,2，...，n，求数a₁，a₂，...,a_n，假定m>n，使函数

f(Q)＝a₁g₁(Q)+a₂g₂(Q)+...+a_ng_n(Q)

满足

4.根据权利要求3所述的一种基于风机性能曲线的风机开度及效率在线计算方法，其特征在于，步骤②的计算方法如下：

给定数据点{(Q_j,Y_j}，j＝1,2,...,n，将数据点区间[Q₀,Q_n]划分为若干子区间[Q_j,Q_j+1]，每个子区间只有两个数据点(Q_j,Y_j),(Q_j+1,Y_j+1)；根据变量Q确定其所在给定数据点的子区间，并获取该子区间的两个数据点，基于两个数据点，作一次插值多项式：

5.根据权利要求4所述的一种基于风机性能曲线的风机开度及效率在线计算方法，其特征在于，函数f(Q)的近似函数的形式是：

(1)多项式：f(Q)＝a₀+a₁Q+a₂Q²+...+a_nQⁿ

(2)指数函数：f(Q)＝exp(a₀+a₁Q+a₂Q²+...+a_nQⁿ)。

6.根据权利要求5所述的一种基于风机性能曲线的风机开度及效率在线计算方法，其特征在于，计算风机运行点在风机性能曲线上对应的风机开度，通过风机在线监测系统获取得到风机运行参数，包括体积流量Q及风机比压能Y，具体如下：

根据风机运行点(Q,Y)及风机设计性能曲线簇Y_β＝f_i(Q)，求解距离其最近的两条风机开度性能曲线(1)(2)的开度值β₁及β₂，性能曲线拟合关系式Y_β＝f₁(Q)及Y_β＝f₂(Q)，构造点(Q,Y)到曲线Y_β＝f₁(Q)的最小距离计算函数，采用黄金分割一维优化算法计算得到运行点到曲线(1)及曲线(2)的距离d₁及d₂，采用线性插值方法计算风机性能曲线对应的开度值β_a：

7.根据权利要求6所述的一种基于风机性能曲线的风机开度及效率在线计算方法，其特征在于，根据风机安装或检修调试时确定的风机开度与就地叶片角度关系式，以及DCS风机开度给定值，计算得到风机开度β_s；通过风机在线监视系统获取风机实际效率η_s；计算得到风机给定开度值与风机性能曲线对应开度值的偏差量Δβ＝β_s-β_a、风机实测效率值与风机性能曲线对应效率值的偏差量Δη＝η_s-η_a。

8.根据权利要求7所述的一种基于风机性能曲线的风机开度及效率在线计算方法，其特征在于，对于动叶可调轴流式风机，当|Δβ|>3°或|Δη|>5％时，给出预警信号。

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