摘? 要: 提出了一種在線監(jiān)測" title="在線監(jiān)測">在線監(jiān)測凝汽器" title="凝汽器">凝汽器污臟程度的新方法。該方法將傳熱端差作為研究對象,綜合考慮各因素對端差的影響,運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)成功地實現(xiàn)了凝汽器污臟、工況參數(shù)變化對端差影響的分離,可準確地在線監(jiān)測凝汽器污臟程度。介紹了根據(jù)此方法研制的以DSP為核心的監(jiān)測儀" title="監(jiān)測儀">監(jiān)測儀,并進行了現(xiàn)場試驗,試驗結(jié)果證明了該儀器的有效性。

　　關(guān)鍵詞: 凝汽器污臟? 傳熱端差? 在線監(jiān)測? 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)? DSP

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　　凝汽器是火力發(fā)電廠的大型換熱設(shè)備,其作用是將汽輪機做功后的低溫蒸汽凝結(jié)為水,以提高熱力循環(huán)的效率。圖1為表面式凝汽器的結(jié)構(gòu)示意圖。

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　　凝汽器運行時,冷卻水從前水室的下半部分進來,通過冷卻水管[換熱管" title="熱管">熱管]進入后水室,向上折轉(zhuǎn),再經(jīng)上半部分冷卻水管流向前水室,最后排出。低溫蒸汽則由進汽口進來,經(jīng)過冷卻水管之間的縫隙往下流動,向管壁放熱后凝結(jié)為水。在此工作過程中,由于冷卻水質(zhì)的不潔凈,致使銅管內(nèi)壁積聚了一些不利于傳熱的固態(tài)混合物(稱之為污垢)。污垢的存在降低了換熱面的傳熱能力,從而降低了汽輪機效率,因此必須對其進行清洗。如何定量地測定凝汽器的污臟程度,以便為凝汽器的合理清洗提供依據(jù),是許多學者都在探討的問題。歸納起來,已提出的方法大致有以下幾種:

　　(1) 通過測量污垢熱阻來判斷凝汽器污臟程度。

　　(2) 通過測量凝汽器出口、入口水室之間的水流阻力來判斷凝汽器污臟程度。

　　(3)通過計算傳熱系數(shù)" title="傳熱系數(shù)">傳熱系數(shù)來判斷凝汽器污臟程度。

　　熱阻法能較準確地測定凝汽器的污臟程度,但需在換熱管上埋設(shè)鎧裝熱偶以檢測管壁溫度,凝汽器換熱管數(shù)量眾多,在工程上較難實現(xiàn);水流阻力可反映污垢的數(shù)量,但不能體現(xiàn)出污垢的導熱性質(zhì),用該方法確定凝汽器污臟程度顯然不夠準確;傳熱系數(shù)體現(xiàn)了凝汽器的換熱性能,但目前計算傳熱系數(shù)均采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式,而且未考慮蒸汽中不凝結(jié)氣體(空氣)對傳熱效果的影響,因而當凝汽器變工況運行時,存在較大誤差。

　　傳熱端差是反映凝汽器熱交換狀況的重要性能指標,與傳熱系數(shù)相比,該參數(shù)容易測量,能夠連續(xù)觀察其變化而積累數(shù)據(jù),因而本文選用它來體現(xiàn)凝汽器的污臟狀態(tài)。但傳熱端差除了主要取決于換熱面的污臟程度外,還與凝汽器的工況參數(shù)如蒸汽流量、冷卻水量等密切相關(guān),因此,如何從眾多參數(shù)中分離出換熱面污臟對端差的影響,成為準確測定凝汽器污臟程度的關(guān)鍵。

1 測量原理

　　傳熱端差定義為:

　　分析換熱過程可知,當冷凝器的冷卻面積一定時,δ_t可表示為:

　　設(shè)凝汽器被徹底清洗后,在某一給定的蒸汽流量Dc、冷卻水流量Dw、冷卻水入口溫度t_wi、空氣含量ε下測得的端差為δ_td(δ_td可看作清潔狀態(tài)下該工況對應的端差),改變工況并運行一段時間后測得的端差為δ_tf,顯然,δ_td與δ_tf之間的差值Δδ既有因換熱面污臟引起的,也有因工況參數(shù)變化而引起的,可表示為:

　　?

　　由上式可看出,要確定c,需求出Δδ_g。由于Δδ_g=f(ΔD_s,ΔD_w,Δt_wi,Δε)描述的是一非常復雜的傳熱過程,其精確數(shù)學模型很難獲取,為此本文根據(jù)輸入、輸出測量數(shù)據(jù),采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立變工況端差模型,實現(xiàn)了凝汽器污臟程度的準確測量。

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模

　　變工況端差Δδ_g=f[ΔD_s,ΔD_w,Δt_wi,Δε]可由三層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來逼近,如圖2所示。

　　選擇Sigmoid函數(shù)作為隱層神經(jīng)元的激勵函數(shù):

式中，a=1.716

????? b=2/3

　　以凝汽器在清潔狀態(tài)下不同工況的試驗數(shù)據(jù)作為訓練數(shù)據(jù),采用BP算法訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。學習的目標函數(shù)為:

???

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值修正采用最速梯度下降法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練好后即可投入應用。根據(jù)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求得的變工況端差及^[4]式,即可計算出污臟系數(shù)。

3 儀器結(jié)構(gòu)

3.1 硬件設(shè)計

　　在線監(jiān)測儀以DSP為核心,實時采集各有關(guān)參數(shù),計算出污臟系數(shù)并作動態(tài)顯示。其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

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　　圖中,t_p為汽氣混合物在測量處的溫度;p為汽氣混合物在測量溫度處的壓力。空氣含量由如下方法求得:

??? 在凝汽器抽氣設(shè)備的出口處測量汽水混合物的壓力,并同時測出汽水混合物的溫度,則汽水混合物中的空氣含量由下式得出:?? ??????

　　其中,p_s——汽氣混合物出口溫度所對應的水蒸氣飽和壓力,可通過查表求得。

　　DSP選用TMS320F240,其結(jié)構(gòu)為:(1)32位CPU;(2)554字的雙口RAM,16K字的FLASH EEPROM;(3)兩個10位的A/D轉(zhuǎn)換器;(4)串行通訊接口。該芯片通過串行通訊接口可與控制室主機交換數(shù)據(jù)。

3.2 軟件設(shè)計

　　軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu),主要包括:(1)數(shù)據(jù)采集、處理模塊:(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算模塊;(3)顯示模塊;(4)通信模塊。

4 試驗結(jié)果

4.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的獲取

　　現(xiàn)場試驗在湘潭電廠N-3500-2型凝汽器上進行。

　　在保持凝汽器清潔的情況下,以D_c=135t/h、D_w=9400t/h、t_wi=15℃、ε=0.015%作為設(shè)定工況,獲取凝汽器在不同工況下的試驗數(shù)據(jù)來訓練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。表1為在凝汽器清潔時部分工況下神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出與實測數(shù)據(jù)的比較結(jié)果。從比較的結(jié)果可以看出,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出與實測端差基本一致,表明基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模方法能夠獲得具有較高精度的變工況端差模型。

4.2 污臟程度的在線監(jiān)測

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型確定后,即可進行在線監(jiān)測。為了驗證該方法的準確性,在凝汽器的不同位置埋設(shè)了16只鎧裝熱偶,以便與熱阻法進行比較。試驗分為兩個部分:

　　(1)將凝汽器徹底清洗,測取清洗后24小時內(nèi)的污臟系數(shù)變化。

　　(2)重新投運清洗裝置,測取清洗時的污臟系數(shù)變化。

　　試驗結(jié)果如表2、表3所示。其中,表2 為停運清洗裝置后,冷凝器的污臟系數(shù)變化情況;表3為重新投運清洗裝置后,冷凝器的污臟系數(shù)變化情況。D_w=9400t/h及ε=0.015% 在試驗過程中保持不變。清潔狀態(tài)時,在設(shè)定工況下測得的端差為δ_td=6.1℃。

　　從表2、表3可以看出,由本文介紹的方法求得的污臟系數(shù)與熱阻法基本一致,而且污臟系數(shù)的變化趨勢符合凝汽器換熱管污垢的積聚與清洗特性,表明用該方法求得的污臟系數(shù)是可信的。

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　　本文針對現(xiàn)有監(jiān)測凝汽器換熱管污臟程度方法的不足,提出了一種在線監(jiān)測污臟程度的新方法。根據(jù)此方法研制了在線監(jiān)測儀,并進行了現(xiàn)場試驗,試驗結(jié)果證明該儀器能準確地在線監(jiān)測凝汽器污臟。由于測量儀所需的許多信號[如蒸汽流量、冷卻水入口溫度等]在現(xiàn)場已具備,可直接或以通信方式引入,因此測量儀成本低、安裝簡便,具有良好的應用前景。本監(jiān)測儀同樣適用于其它行業(yè)的大型換熱設(shè)備。

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參考文獻

1 楊善讓.換熱設(shè)備的污垢與對策.北京:科學出版社,1997

2 李 勇,曹祖慶.凝汽器清潔率的概念及測試方法.汽輪機技術(shù),37(2):73～76

3 張智星,孫春在.神經(jīng)-模糊和軟計算.西安:西安交通大學出版社,2000

4 P.Warch. New Techniques for Monitoring Condenser Flowrate