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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(jī)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｡ 凝汽器運(yùn)行時(shí),冷卻水從前水室的下半部分進(jìn)來,通過冷卻水管(換熱管)進(jìn)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(jìn)汽口進(jìn)來,經(jīng)過冷卻水管之間的縫隙往下流動(dòng),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(jī)效率?因此必須對(duì)其進(jìn)行清洗｡如何定量地測(cè)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(xué)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(cè)量污垢熱阻來判斷凝汽器污臟程度｡ (2)通過測(cè)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(jì)算傳熱系數(shù)來判斷凝汽器污臟程度｡ 熱阻法能較準(zhǔn)確地測(cè)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(cè)管壁溫度,凝汽器換熱管數(shù)量眾多,在工程上較難實(shí)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(dǎo)熱性質(zhì),用該方法確定凝汽器污臟程度顯然不夠準(zhǔn)確;傳熱系數(shù)體現(xiàn)了凝汽器的換熱性能,但目前計(jì)算傳熱系數(shù)均采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式,而且未考慮蒸汽中不凝結(jié)氣體(空氣)對(duì)傳熱效果的影響?因而當(dāng)凝汽器變工況運(yùn)行時(shí),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(biāo),與傳熱系數(shù)相比,該參數(shù)容易測(cè)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(duì)端差的影響,成為準(zhǔn)確測(cè)定凝汽器污臟程度的關(guān)鍵｡ 1 測(cè)量原理 傳熱端差定義為: δt=ts-tWO (1) 式中,δt--凝汽器的傳熱端差 ts--凝汽器壓力所對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度 tWO--冷卻水出口溫度 分析換熱過程可知,當(dāng)冷凝器的冷卻面積一定時(shí),δt可表示為: δt=f(Dc,Dw,c,ε,twi) ? (2) 式中?Dc--蒸汽流量 Dw--冷卻水流量 c--凝汽器的污臟系數(shù) ε--蒸汽中不凝結(jié)氣體(空氣)的含量 twi--冷卻水入口溫度 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twi､空氣含量ε下測(cè)得的端差為δtd(δtd可看作清潔狀態(tài)下該工況對(duì)應(yīng)的端差),改變工況并運(yùn)行一段時(shí)間后測(cè)得的端差為δtf,顯然,δtd與δtf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: Δδ=Δδc+Δδg? (3) 式中?Δδc--換熱面污臟引起的端差變化,稱之為污垢端差 Δδg--變工況引起的端差變化,稱之為變工況端差 定義污臟系數(shù)為: 由上式可看出,要確定c,需求出Δδg｡由于Δδg=f(ΔDs,ΔDw,Δtwi,Δε,)描述的是一非常復(fù)雜的傳熱過程,其精確數(shù)學(xué)模型很難獲取,為此本文根據(jù)輸入､輸出測(cè)量數(shù)據(jù),采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立變工況端差模型,實(shí)現(xiàn)了凝汽器污臟程度的準(zhǔn)確測(cè)量｡ 2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模 變工況端差Δδg=f(ΔDs,ΔDw,Δtwi,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(lì)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(yàn)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù),采用BP算法訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)｡學(xué)習(xí)的目標(biāo)函數(shù)為:? E=?di-yi ? (6) 式中?n--樣本個(gè)數(shù) yi--模型輸出 di--期望輸出 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(xùn)練好后即可投入應(yīng)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(jì)算出污臟系數(shù)｡ 3 儀器結(jié)構(gòu) 3.1 硬件設(shè)計(jì) 在線監(jiān)測(cè)儀以DSP為核心,實(shí)時(shí)采集各有關(guān)參數(shù),計(jì)算出污臟系數(shù)并作動(dòng)態(tài)顯示｡其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示｡ 圖中,tp為汽氣混合物在測(cè)量處的溫度;p為汽氣混合物在測(cè)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(cè)量汽水混合物的壓力,并同時(shí)測(cè)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: ε= (7) 其中,ps--汽氣混合物出口溫度所對(duì)應(yīng)的水蒸氣飽和壓力,可通過查表求得｡ DSP選用TMS320F240TMS320F240,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(gè)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(jī)交換數(shù)據(jù)｡3.2 軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)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(jì)算模塊;(3)顯示模塊;(4)通信模塊｡4 試驗(yàn)結(jié)果 4.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的獲取 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在湘潭電廠N-3500-2型凝汽器上進(jìn)行｡ 在保持凝汽器清潔的情況下?以Dc=135t/h､Dw=9400t/h､twi=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(yàn)數(shù)據(jù)來訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)｡表1為在凝汽器清潔時(shí)部分工況下神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出與實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)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(cè) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型確定后,即可進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)｡為了驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)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(jìn)行比較｡試驗(yàn)分為兩個(gè)部分: (1)將凝汽器徹底清洗,測(cè)取清洗后24小時(shí)內(nèi)的污臟系數(shù)變化｡ (2)重新投運(yùn)清洗裝置,測(cè)取清洗時(shí)的污臟系數(shù)變化｡ 試驗(yàn)結(jié)果如表2､表3所示｡其中,表2 為停運(yùn)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(yùn)清洗裝置后,冷凝器的污臟系數(shù)變化情況｡Dw=9400t/h及ε=0.015% 在試驗(yàn)過程中保持不變｡清潔狀態(tài)時(shí),在設(shè)定工況下測(cè)得的端差為δtd=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(shì)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｡ 本文針對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)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(cè)污臟程度的新方法｡根據(jù)此方法研制了在線監(jiān)測(cè)儀,并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明該儀器能準(zhǔn)確地在線監(jiān)測(cè)凝汽器污臟｡由于測(cè)量儀所需的許多信號(hào)(如蒸汽流量､冷卻水入口溫度等)在現(xiàn)場(chǎng)已具備,可直接或以通信方式引入,因此測(cè)量儀成本低､安裝簡便,具有良好的應(yīng)用前景｡本監(jiān)測(cè)儀同樣適用于其它行業(yè)的大型換熱設(shè)備｡ |
