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凝汽器是火力發(fā)電廠的大型換熱設備,其作用是將汽輪機做功后的低溫蒸汽凝結為水,以提高熱力循環(huán)的效率｡圖1為表面式凝汽器的結構示意圖｡ 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)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)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,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鍵｡ 1 測量原理 傳熱端差定義為: δt=ts-tWO (1) 式中,δt--凝汽器的傳熱端差 ts--凝汽器壓力所對應的飽和蒸汽溫度 tWO--冷卻水出口溫度 分析換熱過程可知,當冷凝器的冷卻面積一定時,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--蒸汽中不凝結氣體(空氣)的含量 twi--冷卻水入口溫度 設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下測得的端差為δtd(δtd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｡學習的目標函數(shù)為:? E=?di-yi ? (6) 式中?n--樣本個數(shù) yi--模型輸出 di--期望輸出 神經(jīng)網(wǎng)絡的權值修正采用最速梯度下降法｡神經(jīng)網(wǎng)絡訓練好后即可投入應用｡根據(jù)由神經(jīng)網(wǎng)絡求得的變工況端差及(4)式,即可計算出污臟系數(shù)｡ 3 儀器結構 3.1 硬件設計 在線監(jiān)測儀以DSP為核心,實時采集各有關參數(shù),計算出污臟系數(shù)并作動態(tài)顯示｡其硬件結構如圖3所示｡ 圖中,tp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: ε= (7) 其中,ps--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TMS320F240TMS320F240,其結構為  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 軟件設計 軟件設計采用模塊化結構,主要包括 1)數(shù)據(jù)采集､處理模塊;(2)神經(jīng)網(wǎng)絡計算模塊;(3)顯示模塊;(4)通信模塊｡4 試驗結果 4.1神經(jīng)網(wǎng)絡模型的獲取 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Dc=135t/h､Dw=9400t/h､twi=15℃､ε=0.015%作為設定工況,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｡表1為在凝汽器清潔時部分工況下神經(jīng)網(wǎng)絡的輸出與實測數(shù)據(jù)的比較結果｡從比較的結果可以看出,神經(jīng)網(wǎng)絡輸出與實測端差基本一致,表明基于神經(jīng)網(wǎng)絡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｡Dw=9400t/h及ε=0.015% 在試驗過程中保持不變｡清潔狀態(tài)時,在設定工況下測得的端差為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)的大型換熱設備｡ |
