凝汽器污臟程度在線監(jiān)測(cè)儀的研制

摘要：提出了一種在線監(jiān)測(cè)凝汽器污臟程度的新方法。該方法將傳熱端差作為研究對(duì)象，綜合考慮各因素對(duì)端差的影響，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)成功地實(shí)現(xiàn)了凝汽器污臟、工況參數(shù)變化對(duì)端差影響的分離，可準(zhǔn)確地在線監(jiān)測(cè)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(cè)儀，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)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(cè) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) DSP 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示不夠準(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： c=(Δδc)/δtd=(Δδ-Δδg)/δtd (4) 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： 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?？諝夂坑扇缦路椒ㄇ蟮茫? 在凝汽器抽氣設(shè)備的出口處測(cè)量汽水混合物的壓力，并同是測(cè)出汽水混合物的溫度，測(cè)汽水混合物中的空氣含量由下式得出： ε=(p-ps)/(p-0.378ps) （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(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。 在保證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。表1 不同工況下的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型輸出與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較結(jié)果 蒸汽流量Dc(t/h)冷卻水量Dw（t/h）入口水溫tsi(℃)空氣漏入量ε（%）實(shí)測(cè)端差(℃)模型輸出端差(℃)誤差(℃)13581.654.1188.5108.2108.281.6161.3940094009400940012350123506800680015.010.25.520.822.217.47.813.30.0150.0150.0150.0540.0330.0750.0150.0156.14.84.410.36.812.15.06.36.14.74.410.46.911.95.06.20-0.100.10.1-0.20-0.14.2 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=9400/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℃。表2 停運(yùn)情況裝置后冷凝器的污臟系數(shù)變化情況 距清洗后時(shí)間(h)蒸汽流量Dc(t/h)入口水溫twi(℃）出口水溫two(℃)蒸汽溫度ts(℃)端差δtf(℃)污垢端差Δδ（℃）污臟系數(shù)本文方法 熱阻法02468101214162024108.2108.2108.2108.2108.2108.2108.2108.2108.2135.0135.013.513.512.812.312.011.611.111.110.912.314.223.523.522.622.121.721.320.720.620.423.725.529.029.429.329.129.028.828.428.328.332.333.85.55.96.77.07.37.57.77.77.98.68.30.000.481.021.441.521.711.781.841.931.992.150.000.0790.1670.2360.250.280.2910.3020.3160.3260.3520.0000.0630.1640.2250.2650.2820.2880.3180.3270.3390.341表3 重瓣投運(yùn)清洗裝置后凝汽器的污臟系數(shù)變化情況 清洗時(shí)間（h）蒸汽流量Dc(t/h)入口水溫twi(℃)出口水溫two(℃)蒸汽溫度ts（℃）端差δtf(℃)污垢端差Δδc（℃）污臟系數(shù)本文方法 熱阻法0.00.51.01.52.02.53.03.5135.0135.0135.0135.0135.0135.0135.0135.014.214.314.214.114.014.013.813.725.525.825.925.925.825.825.625.533.833.332.932.532.232.232.032.08.37.57.06.66.46.46.46.52.151.220.710.290.110.060.030.030.3520.20.20.1160.0470.0180.010.0050.0050.3410.2230.1160.0530.0270.0050.0040.005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?jī)x所需許多信號(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?jī)x成本低、安裝簡(jiǎn)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。 linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）