CN113361216A - 基于轴流风机性能曲线及风机开度的流量实时在线计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于轴流风机性能曲线及风机开度的流量实时在线计算方法，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，包括风机进口静压P_in、风机出口静压P_out、风机开度β₀、风机入口温度t_in、风机出口温度t_out和当地大气压P_a；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计算获取风机性能参数，包括风机全压P、风机比压能Y；基于风机性能参数及风机设计性能曲线拟合关系式，计算得到风机运行点的流量。本发明有效地解决了大截面管道内流量测量精度低以及复杂工况下流量测量装置易堵塞的问题，为实现风机气动性能在线监测提供了依据。

Description

基于轴流风机性能曲线及风机开度的流量实时在线计算方法

技术领域

本发明涉及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)，具体涉及一种基于轴流风机性能曲线及风机开度的流量实时在线计算方法。

背景技术

目前，由于火电机组烟风系统的管道截面较大，使得烟风系统的流量难以实时准确测量，特别是烟气中含尘量较大，且含有硫酸氢氨等成分，易造成流量测量装置(如矩阵式流量计)出现堵塞、腐蚀等问题，从而影响其测量精度及运行可靠性，而随着对电站风机气动运行性能的在线监测需求的提高，非常有必要研究一套安全可靠的风机流量获取方法。鉴于目前火电机组往大容量方向发展，轴流风机已普遍应用于锅炉烟风系统中，而大量的轴流风机现场热态性能测试数据表明，正常运行工况下，轴流风机的实际运行性能与其设计性能基本吻合，因而，可以通过基于风机设计性能曲线及其实际开度、进出口静压、温度等运行参数来实时获取风机的入口流量。

发明内容

为了实时获取轴流风机的流量，本发明提出一种基于轴流风机性能曲线及风机开度的流量实时在线计算方法。

本发明采用如下技术方案来实现的：

基于轴流风机性能曲线及风机开度的流量实时在线计算方法，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，包括风机进口静压P_in、风机出口静压P_out、风机开度β₀、风机入口温度t_in、风机出口温度t_out和当地大气压P_a；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计算获取风机性能参数，包括风机全压P、风机比压能Y；基于风机性能参数及风机设计性能曲线拟合关系式，计算得到风机运行点的流量。

本发明进一步的改进在于，该方法具体包括：

步骤1、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；

步骤2、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β＝f(β₀)，以及DCS风机开度给定值β₀，计算得到风机实际开度β_s；

步骤3、依据风机比压能Y-流量Q曲线关系式Y_β＝f_i(Q)以及风机开度β_s，求解得到两条邻近开度的风机性能曲线关系式Y_β＝f₁(Q)及Y_β＝f₂(Q)，并计算该两条邻近开度的风机性能曲线与理论失速线及X轴的4个交点(Q₁，Y₁)、(Q₂，Y₂)、(Q₃，Y₃)及(Q₄，Y₄)，求解该4个交点中最小流量Q_min及最大流量Q_max，即确定后续求解风机实际流量Q_s的范围区间[Q_min，Q_max]；

步骤4、通过迭代求解获得风机流量Q_s。

本发明进一步的改进在于，步骤1的具体实现方法如下：

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，如下：

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

f(Q)＝a₁g₁(Q)+a₂g₂(Q)+…+a_ng_n(Q)

满足

其中近似函数的形式是：

(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依据性能曲线离散点集合{(Q_i，Y_i，β_j)，其中i＝1，2，3，…m；j＝1，2，3，...n}，采用曲面梯度法建立β＝f(Q，Y)关系式。

本发明进一步的改进在于，步骤3中，β₁＜β_s＜β₂。

本发明进一步的改进在于，步骤4中，通过风机在线监测系统获取得到风机运行参数，包括风机进口静压P_in、风机出口静压P_out、风机开度β_s、风机入口温度t和当地大气压P_a，迭代求解计算风机比压能及风机流量。

本发明进一步的改进在于，步骤4的具体实现方法如下：

1)根据标准状态下的介质密度，计算风机入口及出口介质密度ρ：

2)根据风机体积流量Q以及风机进口面积A_in、风机出口面积A_out、风机进口介质密度ρ_in及风机出口介质密度ρ_out，建立风机动压差ΔP_d计算关系式：

3)根据风机进口静压P_in及风机出口静压P_out，建立风机全压P计算关系式：

P＝P_out-P_in+ΔP_d

4)根据风机全压P，计算压缩修正系数k_p：

5)基于风机进口介质密度ρ_in、风机全压P及压缩修正系数k_p，建立风机比压能Y计算关系式：

6)依据风机开度与坐标点(Q，Y)的关系式β＝f(Q，Y)，以及风机比压能计算关系式Y＝f(Q)，建立风机开度β与风机流量Q的计算关系式β＝f(Q)；

7)构建方程式β-β_s＝f(Q)-β_s＝0，并采用区间二分法在[Q_min，Q_max]范围内迭代求解得到风机实际流量Q_s。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中的介质为烟气或空气。

本发明进一步的改进在于，该方法适用于大型燃煤机组轴流风机在线监测及诊断系统。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的基于轴流风机性能曲线及风机开度的流量实时在线计算方法，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，而通过风机在线监测系统获取得到风机主要运行参数，进而得到风机比压能与风机流量的关系式，并基于风机性能曲线构造风机开度与风机流量的复杂关系式，最后根据风机实际开度值构造方程式，通过区间二分法迭代求解获取风机的实际流量。该发明以风机性能曲线为依据，通过风机开度变量及易于测量获取的风机进出口气流参数，即可实现风机流量的在线计算，有效地解决了大截面管道内流量测量精度低以及复杂工况下流量测量装置易堵塞的问题，为实现风机气动性能在线监测提供了依据。

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，β为风机叶片角度，单位°，j为数据点序号(j＝1，2，...，n)，i为曲线序号(i＝1，2，...，n)，β₀为DCS风机开度给定值，单位％，β_s为DCS风机开度给定值对应的风机叶片开度，单位°，P_in为风机进口静压，单位Pa，P_out为风机出口静压，单位Pa，t_in为风机入口介质温度，单位℃，t_out为风机出口介质温度，单位℃，P_a为当地大气压，单位Pa，Q_min为相邻开度的性能曲线与理论失速线及X轴交点的最小X坐标值，Q_max为相邻开度的性能曲线与理论失速线及X轴交点的最大X坐标值，Q_s为实际叶片开度下对应的风机入口流量，单位m³/s。

图2中，点P₁(Q₁，Y₁)为性能曲线1与理论失速线交点，点P₂(Q₂，Y₂)为性能曲线1与X轴的交点，点P₃(Q₃，Y₃)为性能曲线2与理论失速线交点，点P₄(Q₄，Y₄)为性能曲线2与X轴的交点。

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，本发明提供的基于轴流风机性能曲线及风机开度的流量实时在线计算方法，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，包括风机进口静压P_in、风机出口静压P_out风机开度β₀、风机入口温度t_in、风机出口温度t_out和当地大气压P_a；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计算获取风机性能参数，包括风机全压P、风机比压能Y；基于风机性能参数及风机设计性能曲线拟合关系式，计算得到风机运行点的流量。

具体实施方法如下：

1、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。

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，如下：

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

f(Q)＝a₁g₁(Q)+a₂g₂(Q)+…+a_ng_n(Q)

满足

其中近似函数的形式可以是：

(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依据性能曲线离散点集合{(Q_i，Y_i，β_j)，其中i＝1，2，3，...m；j＝1，2，3，...n}，采用曲面梯度法建立β＝f(Q，Y)关系式。

步骤2、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β＝f(β₀)，以及DCS风机开度给定值β₀，计算得到风机实际开度β_s。

步骤3、依据风机比压能Y-流量Q曲线关系式Y_β＝f_i(Q)以及风机开度β_s，求解得到两条邻近开度(即β₁＜β_s＜β₂)的风机性能曲线关系式Y_β＝f₁(Q)及Y_β＝f₂(Q)，并计算该两条邻近开度的风机性能曲线与理论失速线及X轴的4个交点(Q₁，Y₁)、(Q₂，Y₂)、(Q₃，Y₃)及(Q₄，Y₄)，求解该4个交点中最小流量Q_min及最大流量Q_max，即确定后续求解风机实际流量Q_s的范围区间[Q_min，Q_max]。

步骤4、通过迭代求解获得风机流量Q_s。通过风机在线监测系统获取得到风机运行参数，包括风机进口静压P_in、风机出口静压P_out、风机开度β_s、风机入口温度t和当地大气压P_a，迭代求解计算风机比压能及风机流量。具体步骤如下：

1)根据标准状态下的介质(烟气或空气)密度，计算风机入口及出口介质密度ρ：

2)根据风机体积流量Q以及风机进口面积A_in、风机出口面积A_out、风机进口介质密度ρ_in及风机出口介质密度ρ_out，建立风机动压差ΔP_d计算关系式：

3)根据风机进口静压P_in及风机出口静压P_out，建立风机全压P计算关系式：

P＝P_out-P_in+ΔP_d

4)根据风机全压P，计算压缩修正系数k_p：

5)基于风机进口介质密度ρ_in、风机全压P及压缩修正系数k_p，建立风机比压能Y计算关系式：

6)依据风机开度与坐标点(Q，Y)的关系式β＝f(Q，Y)，以及风机比压能计算关系式Y＝f(Q)，建立风机开度β与风机流量Q的计算关系式β＝f(Q)。

7)构建方程式β-β_s＝f(Q)-β_s＝0，并采用区间二分法在[Q_min，Q_max]范围内迭代求解得到风机实际流量Q_s。

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轴流风机在线监测及诊断系统。

实施例

采用C#程序语言将本发明方法进行实现，并配置雨国内某300MW机组引风机为动叶可调式轴流风机的在线监测及故障预警系统，实现了实时监测风机实际入口流量的同时，实现了对风机实际运行性能的在线监测。根据引风机现场热态性能试验数据表明，本发明算法运行高效、精度高且可靠。本发明的实现，为烟风系统流量的实时在线获取提供了可靠的解决方案。

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.基于轴流风机性能曲线及风机开度的流量实时在线计算方法，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，包括风机进口静压P_in、风机出口静压P_out、风机开度β₀、风机入口温度t_in、风机出口温度t_out和当地大气压P_a；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计算获取风机性能参数，包括风机全压P、风机比压能Y；基于风机性能参数及风机设计性能曲线拟合关系式，计算得到风机运行点的流量。

2.根据权利要求1所述的基于轴流风机性能曲线及风机开度的流量实时在线计算方法，其特征在于，该方法具体包括：

步骤1、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；

步骤2、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β＝f(β₀)，以及DCS风机开度给定值β₀，计算得到风机实际开度β_s；

步骤3、依据风机比压能Y-流量Q曲线关系式Y_β＝f_i(Q)以及风机开度β_s，求解得到两条邻近开度的风机性能曲线关系式Y_β＝f₁(Q)及Y_β＝f₂(Q)，并计算该两条邻近开度的风机性能曲线与理论失速线及X轴的4个交点(Q₁，Y₁)、(Q₂，Y₂)、(Q₃，Y₃)及(Q₄，Y₄)，求解该4个交点中最小流量Q_min及最大流量Q_max，即确定后续求解风机实际流量Q_s的范围区间[Q_min，Q_max]；

步骤4、通过迭代求解获得风机流量Q_s。

3.根据权利要求2所述的基于轴流风机性能曲线及风机开度的流量实时在线计算方法，其特征在于，步骤1的具体实现方法如下：

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，如下：

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

f(Q)＝a₁g₁(Q)+a₂g₂(Q)+…+a_ng_n(Q)

满足

其中近似函数的形式是：

(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依据性能曲线离散点集合{(Q_i，Y_i，β_j)，其中i＝1，2，3，...m；j＝1，2，3，...n}，采用曲面梯度法建立β＝f(Q，Y)关系式。

4.根据权利要求2所述的基于轴流风机性能曲线及风机开度的流量实时在线计算方法，其特征在于，步骤3中，β₁＜β_s＜β₂。

5.根据权利要求2所述的基于轴流风机性能曲线及风机开度的流量实时在线计算方法，其特征在于，步骤4中，通过风机在线监测系统获取得到风机运行参数，包括风机进口静压P_in、风机出口静压P_out、风机开度β_s、风机入口温度t和当地大气压P_a，迭代求解计算风机比压能及风机流量。

6.根据权利要求5所述的基于轴流风机性能曲线及风机开度的流量实时在线计算方法，其特征在于，步骤4的具体实现方法如下：

1)根据标准状态下的介质密度，计算风机入口及出口介质密度ρ：

2)根据风机体积流量Q以及风机进口面积A_in、风机出口面积A_out、风机进口介质密度ρ_in及风机出口介质密度ρ_out，建立风机动压差ΔP_d计算关系式：

3)根据风机进口静压P_in及风机出口静压P_out，建立风机全压P计算关系式：

P＝P_out-P_in+ΔP_d

4)根据风机全压P，计算压缩修正系数k_p：

5)基于风机进口介质密度ρ_in、风机全压P及压缩修正系数k_p，建立风机比压能Y计算关系式：

6)依据风机开度与坐标点(Q，Y)的关系式β＝f(Q，Y)，以及风机比压能计算关系式Y＝f(Q)，建立风机开度β与风机流量Q的计算关系式β＝f(Q)；

7)构建方程式β-β_s＝f(Q)-β_s＝0，并采用区间二分法在[Q_min，Q_max]范围内迭代求解得到风机实际流量Q_s。

7.根据权利要求6所述的基于轴流风机性能曲线及风机开度的流量实时在线计算方法，其特征在于，步骤1)中的介质为烟气或空气。

8.根据权利要求1所述的基于轴流风机性能曲线及风机开度的流量实时在线计算方法，其特征在于，该方法适用于大型燃煤机组轴流风机在线监测及诊断系统。

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