CN113919248B - 一种电站轴流式风机全工况选型计算方法 - Google Patents

Abstract

一种电站轴流式风机全工况选型计算方法，该方法包括：将风机性能曲线进行数字化归档存储；基于多工况风机现场热态性能试验或烟风系统管网特性参数设计，确定风机裕量，确定风机全工况选型参数；基于100％THA工况点风机选型参数，计算得到风机比转速，在风机性能曲线库中获取匹配该值的多个风机型号及性能曲线；筛选出满足BMCR及TB工况点风机选型参数的风机；基于风机全工况选型参数及风机设计性能曲线的拟合关系式，计算各个工况点在初选出的多个风机性能曲线上对于的裕量系数并筛选出各系数指标均满足要求的风机；根据经济性及安全性综合最优评价法，确定最终风机型号并进行量纲转化及风机结构设计。本发明具有高效、精度高、鲁棒性强的特点。

Description

一种电站轴流式风机全工况选型计算方法

技术领域

本发明涉及燃煤电厂烟风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)，具体涉及一种电站轴流式风机全工况选型计算方法。

背景技术

目前，随着火电机组装机容量向高参数、大容量方向发展，电站轴流式风机得到了广泛的应用，在设计阶段开展的风机选型计算是确保电站轴流式风机的运行安全可靠性及经济性的关键。而现有常规的风机选型计算方法通常都是基于TB设计点(表征风机最大工作点，风机能力考核点)、BMCR设计点(表征风机额定工作点，锅炉最大连续蒸发量工况)及100％THA设计点(表征发电机铭牌出力的工况)进行，但实际由于煤种变化、烟风系统运行状态变化、设备运行状态变化等因素，导致实际风机运行点与选型工况点存在较大偏差，而导致风机与烟风系统不匹配，造成风机运行效率低、安全性差等问题；另外，随着火电机组深度调峰的需求越来越高，导致越来越多机组参与深度调峰或长期运行在中低负荷工况，使得电站风机实际运行点离选型设计点偏差更大。因而，非常有必要研究一套基于全工况的风机选型计算方法，实现电站风机高效可靠选型设计。

发明内容

为了提高风机与管网系统匹配性及运行安全性、经济性，本发明提出一种电站轴流式风机全工况选型计算方法。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种电站轴流式风机全工况选型计算方法，该方法包括：

将风机性能曲线进行数字化归档存储，包括风机无因次性能曲线、风机空气动力学略图、风机最佳比转速n_b；基于多工况风机现场热态性能试验或烟风系统管网特性参数设计，确定风机裕量，确定风机全工况选型参数，各工况选型参数包括风机进口静压P_in、风机出口静压P_out、风机入口温度t_in、风机入口密度ρ_in、风机入口体积流量q_in及风机全压P；基于100％THA工况点风机选型参数，计算得到风机比转速n_s，并根据风机选型比转速n_s在风机性能曲线库中获取匹配该值的多个风机型号及性能曲线；从已匹配到的风机性能曲线中筛选出满足BMCR及TB工况点风机选型参数的风机；基于风机全工况选型参数及风机设计性能曲线的拟合关系式，计算各个工况点在初选出的多个风机性能曲线上对于的裕量系数，包括失速流量裕量k_q、失速压力裕量k_p、失速裕量系数k、风机开度β和风机效率η，并筛选出各系数指标均满足要求的风机；根据经济性及安全性综合最优评价法，确定最终风机型号并进行量纲转化及风机结构设计。

本发明进一步的改进在于，将风机性能曲线进行数字化归档存储，形成风机性能曲线库，包括：

①针对每个开度β_j性能曲线点集合{(Q_i,P_i)，其中i＝1,2,3，…n}，采用最小二乘法进行近似拟合，构建P_β＝f_i(Q)关系式；

②依据性能曲线离散点集合{(Q_i,P_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,P)曲线簇；

③针对每个效率η_j性能曲线点集合{(Q_i,P_i)，其中i＝1,2,3，…n}，采用三次样条曲线插值法，构建P_η＝f_i(Q)曲线簇；

④依据性能曲线离散点集合{(Q_i,P_i,η_j)，其中i＝1,2,3，…m；j＝1,2,3,…n}，采用曲面梯度法建立η＝f(Q,P)曲线簇；

⑤基于通过风机高效率区的最佳风机开度对应的风机流量Q-风机压力P曲线，获取该曲线与风机最高效率等值线的交点(Q₁,P₁)及(Q₂,P₂)，根据风机设计转速n计算风机最佳比转速n_b：

本发明进一步的改进在于，基于多工况风机现场热态性能试验或烟风系统管网特性参数设计，获取风机全工况选型参数，如下：

(1)新建机组的风机选型计算

①根据DL/T 5240-2010《火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程》计算得到BMCR及TB工况点风机选型设计参数；

②根据风机入口流量Q与锅炉蒸发量D的经验关系式Q＝f(D)，以及管网系统阻力P与流量Q的经验关系式P＝f(Q)，计算得到50％THA、75％THA、100％THA工况点风机选型设计参数；

(2)已有机组的改造项目风机选型计算

①根据DL/T 469-2019《电站锅炉风机现场性能试验》进行电站风机现场热态性能试验，获取50％THA、75％THA、100％THA工况点风机选型设计参数；

②基于实测参数多项式拟合得到风机入口流量Q与锅炉蒸发量D的关系式Q＝f(D)，基于实测参数幂次方拟合得到管网系统阻力P与流量Q的关系式P＝f(Q)，进而计算得到BMCR工况点风机选型设计参数，并选取合适风机裕量，计算得到TB工况点风机选型设计参数。

本发明进一步的改进在于，根据100％THA工况点风机选型参数(Q_s，P_s)，并基于风机应用场景，选取风机设计转速n，计算风机比转速n_s：

本发明进一步的改进在于，根据风机比转速n_s，采用寻优算法在风机性能曲线库中，初选出n_b在[0.9n_s,1.1n_s]范围内的风机型号，针对已选出的风机型号所对应的性能曲线，基于P_β＝f_i(Q)关系式及β＝f(Q,P)关系式、BMCR及TB工况点风机选型参数，计算得到BMCR及TB工况点对应风机开度(β_BMCR,β_TB)、失速裕量(k_BMRC,k_TB)及风机效率(η_BMCR,η_TB)，进一步筛选出满足以下条件的风机：

1)β_TB-β_BMCR≥10°且β_TB-β_max≥5°；

2)k_BMRC≥1.35且k_TB≥1.35；

3)η_BMCR≥0.9η_max。

本发明进一步的改进在于，针对经过计算选取得到的风机，基于P_β＝f_i(Q)关系式及β＝f(Q,P)关系式、以及50％THA、75％THA、100％THA工况点风机选型设计参数，计算各个工况点对应的失速流量裕量k_q、失速压力裕量k_p、失速裕量系数k、风机效率η，进而获得各个风机的综合评价系数α_t；

①选取50％THA、75％THA、100％THA三个工况点均满足以下条件的风机：

1)k_q≥0.15

2)k_p≥0.30

3)k≥1.35

②计算每个工况点的综合评价系数α_i(其中i＝50％THA、75％THA、100％THA)：

α_i＝0.2(k_q-0.15)+0.2(k_p-0.3)+0.4(k-1.35)+0.2(η-0.86)

③计算综合评价系数α_t：

α_t＝0.3α_50％THA+0.4α_75％THA+0.3α_100％THA。

本发明进一步的改进在于，采用冒泡排序算法，获取得到综合评价系数α最大的风机型号，从而获得最终风机性能曲线。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供了一种电站轴流式风机全工况选型计算方法，通过对风机性能曲线进行数字化归档建立性能曲线库，同时通过电站风机现场性能试验或设计计算获取全工况风机选型参数，并基于比转速、风机开度、风机效率、风机失速裕量等指标建立综合评价系数，从而可以通过算法实现风机高效可靠选型设计。该发明以风机性能曲线库及全工况风机选型设计参数为基础，建立风机选型结果的综合评价系数实现风机智能选型，有效地解决了传统风机选型设计算法中仅基于TB工况点选型存在的风机与管网匹配性差的问题，并大大减少了人工经验选型设计工作量，为实现电站轴流式风机的高效设计提供了设计手段。

综上。本发明具有高效、精度高、鲁棒性强的特点，可以快捷获取最佳风机选型结果，克服传统选型设计中风机与管网匹配性差以及选型过程需大量人工筛选的问题，适用于火电机组轴流式风机的选型设计。

附图说明

图1为本发明专利的原理示意图；

图2为本发明专利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，P为风机全压，单位Pa，β为风机叶片角度，单位°，η为风机效率，单位％，j为数据点序号(j＝1,2,…,n)，i为曲线序号(i＝1,2，…，n)，n_b为风机最佳比转速，n_s为风机100％THA工况选型参数对应的比转速，β_TB为TB工况点对应的风机叶片角度，单位°，β_BMCR为BMC工况点对应的风机叶片角度，单位°，β_max为风机叶片最大角度，单位°，η_BMCR为BMCR工况点对应的风机效率，单位％，η_max为风机最高设计效率，单位％，k_TB为TB工况点对应的风机失速裕量系数，k_BMCR为BMCR工况点对应的风机失速裕量系数，α_t为风机综合评价系数。

图2中，点(Q₁,P₁)及点(Q₂,P₂)为通过风机高效率区的最佳风机开度对应的性能曲线与风机最高效率等值线交点，点(Q_s,Y_s)为100％THA工况选型点。

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。

1)将风机性能曲线离散化，并进行有序存储，本示例中的风机性能曲线最高效率线与最佳开度线的两个交点坐标为(262.5,8816.0)、(283.4,8184.0)，计算得到该风机最佳比转速为n_b＝89.1，并将该值作为风机特征值存储。

2)通过原有风机现场性能试验，获取得到新风机设计参数如下表：

项目名称	单位	TB工况	BMCR工况	100％THA工况	75％THA工况	50％THA工况
							风机入口流量	m3/s	290.0	260.0	250.0	200.0	150.0
风机比压能	J/kg	9300.0	8000.0	7500.0	5500.0	4000.0

3)基于100％THA工况参数，选择990r/min的风机设计转速，计算得到风机选型比转速为n_s＝93.7。并基于比转速在风机性能曲线库中筛选出n_b∈[75,103]的风机。

4)根据BMCR工况及TB工况选型参数，进一步筛选符合要求的风机。本示例风机计算结果如下：

5)基于各选型工况点在性能曲线上的分布，计算得到各个选型工况点的特征参数，并计算风机综合评价系数α_t，通过冒泡排序法，获取最佳α_t的风机型号及其性能曲线。本示例风机选型计算过程参数如下所示：

采用C#面向对象程序语言将本发明方法进行实现，并配置在电站风机设备管理系统软件平台中，实现了国内火电机组轴流式风机的高效智能选型设计。根据采用本发明进行选型设计的风机的热态性能试验数据表明，本发明的算法运行高效且可靠，风机与管网匹配性优良。本发明的实现，为电站轴流式风机的高效选型设计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 (6)

1.一种电站轴流式风机全工况选型计算方法，其特征在于，该方法包括：

将风机性能曲线进行数字化归档存储，包括风机无因次性能曲线、风机空气动力学略图、风机最佳比转速n_b；基于多工况风机现场热态性能试验或烟风系统管网特性参数设计，确定风机裕量，确定风机全工况选型参数，各工况选型参数包括风机进口静压P_in、风机出口静压P_out、风机入口温度t_in、风机入口密度ρ_in、风机入口体积流量q_in及风机全压P；基于100％THA工况点风机选型参数，计算得到风机比转速n_s，并根据风机比转速n_s在风机性能曲线库中获取匹配该值的多个风机型号及性能曲线；从已匹配到的风机性能曲线中筛选出满足BMCR及TB工况点风机选型参数的风机；基于风机全工况选型参数及风机设计性能曲线的拟合关系式，计算各个工况点在初选出的多个风机性能曲线上对应的裕量系数，包括失速流量裕量k_q、失速压力裕量k_p、失速裕量系数k、风机开度β和风机效率η，并筛选出各系数指标均满足要求的风机；根据经济性及安全性综合最优评价法，确定最终风机型号并进行量纲转化及风机结构设计；

将风机性能曲线进行数字化归档存储，形成风机性能曲线库，包括：

①针对每个开度β_j性能曲线点集合{(Q_i,P_i)，其中i＝1,2,3，…n}，采用最小二乘法进行近似拟合，构建P_β＝f_i(Q)关系式；

②依据性能曲线离散点集合{(Q_i,P_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,P)曲线簇；

③针对每个效率η_j性能曲线点集合{(Q_i,P_i)，其中i＝1,2,3，…n}，采用三次样条曲线插值法，构建P_η＝f_i(Q)曲线簇；

④依据性能曲线离散点集合{(Q_i,P_i,η_j)，其中i＝1,2,3，…m；j＝1,2,3,…n}，采用曲面梯度法建立η＝f(Q,P)曲线簇；

⑤基于通过风机高效率区的最佳风机开度对应的风机流量Q-风机压力P曲线，获取该曲线与风机最高效率等值线的交点(Q₁,P₁)及(Q₂,P₂)，根据风机设计转速n计算风机最佳比转速n_b：

2.根据权利要求1所述的一种电站轴流式风机全工况选型计算方法，其特征在于，基于多工况风机现场热态性能试验或烟风系统管网特性参数设计，获取风机全工况选型参数，如下：

(1)新建机组的风机选型计算

①根据DL/T 5240-2010《火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程》计算得到BMCR及TB工况点风机选型设计参数；

②根据风机入口流量Q与锅炉蒸发量D的经验关系式Q＝f(D)，以及管网系统阻力P与流量Q的经验关系式P＝f(Q)，计算得到50％THA、75％THA、100％THA工况点风机选型设计参数；

(2)已有机组的改造项目风机选型计算

①根据DL/T 469-2019《电站锅炉风机现场性能试验》进行电站风机现场热态性能试验，获取50％THA、75％THA、100％THA工况点风机选型设计参数；

②基于实测参数多项式拟合得到风机入口流量Q与锅炉蒸发量D的关系式Q＝f(D)，基于实测参数幂次方拟合得到管网系统阻力P与流量Q的关系式P＝f(Q)，进而计算得到BMCR工况点风机选型设计参数，并选取合适风机裕量，计算得到TB工况点风机选型设计参数。

3.根据权利要求2所述的一种电站轴流式风机全工况选型计算方法，其特征在于，根据100％THA工况点风机选型参数(Q_s，P_s)，并基于风机应用场景，选取风机设计转速n，计算风机比转速n_s：

4.根据权利要求3所述的一种电站轴流式风机全工况选型计算方法，其特征在于，根据风机比转速n_s，采用寻优算法在风机性能曲线库中，初选出n_b在[0.9n_s,1.1n_s]范围内的风机型号，针对已选出的风机型号所对应的性能曲线，基于P_β＝f_i(Q)关系式及β＝f(Q,P)关系式、BMCR及TB工况点风机选型参数，计算得到BMCR及TB工况点对应风机开度(β_BMCR,β_TB)、失速裕量(k_BMRC,k_TB)及风机效率(η_BMCR,η_TB)，进一步筛选出满足以下条件的风机：

1)β_TB-β_BMCR≥10°且β_TB-β_max≥5°；

2)k_BMRC≥1.35且k_TB≥1.35；

3)η_BMCR≥0.9η_max。

5.根据权利要求4所述的一种电站轴流式风机全工况选型计算方法，其特征在于，针对经过计算选取得到的风机，基于P_β＝f_i(Q)关系式及β＝f(Q,P)关系式、以及50％THA、75％THA、100％THA工况点风机选型设计参数，计算各个工况点对应的失速流量裕量k_q、失速压力裕量k_p、失速裕量系数k、风机效率η，进而获得各个风机的综合评价系数α_t；

①选取50％THA、75％THA、100％THA三个工况点均满足以下条件的风机：

1)k_q≥0.15

2)k_p≥0.30

3)k≥1.35

②计算每个工况点的综合评价系数α_i(其中i＝50％THA、75％THA、100％THA)：

α_i＝0.2(k_q-0.15)+0.2(k_p-0.3)+0.4(k-1.35)+0.2(η-0.86)

③计算综合评价系数α_t：

α_t＝0.3α_50％THA+0.4α_75％THA+0.3α_100％THA。

6.根据权利要求5所述的一种电站轴流式风机全工况选型计算方法，其特征在于，采用冒泡排序算法，获取得到综合评价系数α最大的风机型号，从而获得最终风机性能曲线。