基于清潔度的冷凝器污垢監(jiān)測(cè)方法研究*

張 瑩,王耀南,文益民

(1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,湖南長沙 410082;2.湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院,湖南湘潭 411105; 3.桂林電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,廣西桂林 541004)

基于清潔度的冷凝器污垢監(jiān)測(cè)方法研究*

張 瑩1,2?,王耀南1,文益民3

(1.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,湖南長沙 410082;2.湘潭大學(xué)信息工程學(xué)院,湖南湘潭 411105; 3.桂林電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,廣西桂林 541004)

衡量冷凝器運(yùn)行狀況的污垢系數(shù)容易受到多種因素的影響,故以污垢系數(shù)為基礎(chǔ)來判斷冷凝器水側(cè)壁管臟污的情況,會(huì)產(chǎn)生很大的誤差.本文提出清潔度的定義,從而將冷凝器汽側(cè)空氣量、水管壁的污垢程度、冷凝器管束布置系數(shù)等因素對(duì)凝汽器總體傳熱系數(shù)的影響分離開來,能夠更準(zhǔn)確地診斷凝汽器的污垢程度,為凝汽器的合理清洗提供依據(jù).實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,當(dāng)冷凝器的運(yùn)行出現(xiàn)以下變化如冷凝管堵塞、自動(dòng)清洗裝置停運(yùn)、空氣漏入量較大時(shí),清潔度能夠取得比T-S模型、熱阻法、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更精確的測(cè)量結(jié)果,對(duì)冷凝器的高效運(yùn)行具有重要的工程意義.

冷凝器;污垢監(jiān)測(cè);清潔度;管束布置;汽側(cè)空氣量

冷凝器是汽輪機(jī)組的一個(gè)重要組成部分,其作用是將汽輪機(jī)的排汽冷卻凝結(jié)成水,形成高度真空,使進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽能膨脹到遠(yuǎn)低于大氣壓力而多做功,以提高熱力循環(huán)的效率.可是由于冷卻水質(zhì)的不潔凈,熱交換時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等原因,使冷凝器換熱管內(nèi)壁積聚了許多降低傳熱效率的污垢,使汽輪機(jī)的輸出功率減少,熱耗率增加.為了測(cè)取不同條件下的污垢數(shù)據(jù),研制了各種各樣的實(shí)驗(yàn)研究設(shè)備和監(jiān)測(cè)方法.目前常采用熱阻法、傳熱系數(shù)法和溫差法等方法測(cè)量污垢系數(shù)[1].

隨著機(jī)組單機(jī)容量的增加,排汽口數(shù)量相應(yīng)增加,污垢系數(shù)容易受到冷凝器汽側(cè)漏入的空氣量、抽氣器的工作情況、汽側(cè)冷卻面的清潔程度以及冷卻水進(jìn)口溫度等因素的影響,因而以污垢系數(shù)為基礎(chǔ)來判斷冷凝器水管側(cè)臟污的情況,會(huì)產(chǎn)生很大的誤差[2].如何準(zhǔn)確地測(cè)定冷凝器的污垢程度,以便為冷凝器的及時(shí)清洗提供依據(jù),是許多學(xué)者都在研究的問題.

1 冷凝器清潔度的定義

傳熱系數(shù)是單位時(shí)間內(nèi),經(jīng)單位冷卻面積在溫差為1 K時(shí)蒸汽向冷卻水傳遞的熱量.傳熱系數(shù)計(jì)算的別爾曼公式為:

傳熱系數(shù)法容易將汽側(cè)漏入空氣量的增加誤認(rèn)為水側(cè)管壁污垢的增加,會(huì)造成對(duì)水管壁污垢的誤診斷,尤其是當(dāng)汽輪機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),漏入的空氣量對(duì)j的影響更大.由式(1)計(jì)算剛清洗完的冷凝器管壁清潔率j=0.918.而一般認(rèn)為冷凝器剛投入使用或管壁足夠清潔時(shí),j=1.

修正后的理想傳熱系數(shù)Kp＇為:

由于運(yùn)行時(shí)冷卻水流量通常變化很小且入口溫度是由自然條件決定的,并且管子材料、壁厚在運(yùn)行中也是無法改變的,而冷凝器性能與冷凝管的布置和冷凝器的真空度密切相關(guān).故重新定義清潔度Cf為:

式中:C s為管束布置修正系數(shù);C a為汽側(cè)空氣量修正系數(shù).管束布置修正系數(shù)C s越大,說明冷凝管布置越合理,傳熱效果越好.汽側(cè)空氣量修正系數(shù)與汽側(cè)空氣量對(duì)冷凝器傳熱的影響成正比,對(duì)于真空系統(tǒng)嚴(yán)密性好且抽氣設(shè)備工作性能良好的機(jī)組,水側(cè)管壁足夠清潔時(shí),Ca=1.

清潔度Cf的值在0～1之間,實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)Cf＜0.8就需要進(jìn)行清潔了.

2 冷凝器清潔度的求解

2.1 管束布置修正系數(shù)的確定

冷凝管在管板上的基本排列有三角形、正方形和輻向形等方式.三角形排列的特點(diǎn)是傳熱效果好,但汽阻較大;方形排列的特點(diǎn)是蒸汽流動(dòng)阻力小,但需要較大的管板面積,多用于空冷區(qū);輻向排列的特點(diǎn)是蒸汽流速和熱負(fù)荷較均勻,傳熱效果好,現(xiàn)代大型凝汽器的主凝結(jié)區(qū)多采用這種排列方式[3].

冷凝器的管束布置系數(shù)Cs在冷凝器設(shè)計(jì)安裝后是固定值.為盡量減小和消除熱負(fù)荷分布的不均勾、蒸汽流動(dòng)阻力增大等問題,管束設(shè)計(jì)應(yīng)遵循下列原則[4]:

1)蒸汽剛進(jìn)入管束時(shí),應(yīng)盡可能保證有較大的通流面積;

在輸送臂的運(yùn)動(dòng)過程中，可以實(shí)時(shí)觀察到變量的變化情況，對(duì)于發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)對(duì)參數(shù)或者函數(shù)進(jìn)行修改，直到合理為止。試驗(yàn)證明，利用ADAMS技術(shù)建立輸送臂的虛擬樣機(jī)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，大大提高了生產(chǎn)率，為輸送臂的控制提供了有力依據(jù)。

2)蒸汽通道應(yīng)深入內(nèi)層管束,以提高內(nèi)層管束的熱負(fù)荷.

3)汽氣混合物到抽氣口的路徑盡可能短并且不要彎曲;

4)凝結(jié)水和汽氣混合物的引出點(diǎn)應(yīng)相隔較遠(yuǎn)的距離.

文獻(xiàn)[5]提供了一些冷凝器的管束布置系數(shù)表.比較各種管束布置的傳熱效果,結(jié)論為采用汽流均勻向心式外圍帶狀管束布置的冷凝器傳熱效果最好.這一結(jié)論與其它文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果完全吻合,也證明了采用管束布置系數(shù)來評(píng)價(jià)冷凝器管束布置傳熱效果這一方法的合理性.

2.2 汽側(cè)空氣量修正系數(shù)的確定

冷凝器內(nèi)的空氣主要是通過汽輪機(jī)設(shè)備中處于真空狀態(tài)下的低壓系統(tǒng)與相應(yīng)的回?zé)嵯到y(tǒng)、排汽缸、凝汽設(shè)備等的不嚴(yán)密處漏入.漏氣會(huì)造成冷卻管外圍的空氣分壓力明顯增大,當(dāng)汽氣混合物流向冷卻水管,會(huì)在汽側(cè)冷卻表面形成空氣膜,造成冷卻管外圍的空氣分壓力明顯增大.等先前進(jìn)入冷凝區(qū)的蒸汽在冷卻水管表面冷卻凝結(jié)流走后,空氣積存在冷卻水管表面,使后進(jìn)來的蒸汽只能通過擴(kuò)散靠近冷卻管外側(cè),造成凝結(jié)水過冷度增加,故可以利用凝結(jié)水的過冷度作為指標(biāo)來確定汽側(cè)空氣量的修正系數(shù).

對(duì)某一特定型號(hào)的冷凝器,常采取實(shí)驗(yàn)的方法確定汽側(cè)空氣量修正系數(shù)C a[6].在冷凝器水管清潔的情況下,測(cè)量在不同過冷度θi對(duì)應(yīng)的參數(shù)就可以得到C a和θi的關(guān)系.如某電廠300 MW汽輪機(jī),匹配N17650型冷凝器(Cs=0.842),運(yùn)行中投入一臺(tái)CS-40-75型抽氣器,標(biāo)準(zhǔn)工況下凝結(jié)水θi= 0.5℃.分別記錄該機(jī)組二次加壓清洗后的運(yùn)行參數(shù)和負(fù)荷如表1所示.

兩次清洗后,在θi分別為2.0℃和1.1℃下對(duì)應(yīng)的C a分別為0.42和0.60,再考慮標(biāo)準(zhǔn)工況θi= 0.5℃,C a=1時(shí),利用3點(diǎn)插值公式,得到該機(jī)組C a與過冷度θi的關(guān)系為:

如果冷凝器的真空性能下降,同時(shí)水側(cè)還有結(jié)垢現(xiàn)象,運(yùn)行時(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)如氣密性降低后一欄所示,此時(shí)過冷度θi=2.1℃,由式(4)得到空氣量修正系數(shù)C a =0.43.由式(3)得到水管側(cè)壁的清潔度為:

這樣便把汽側(cè)空氣量的影響與水側(cè)污垢二者分離開來,為冷凝器的合理清洗提供了依據(jù)[7].當(dāng)機(jī)組負(fù)荷變化時(shí),由于凝汽器汽側(cè)汽阻的變化,可能引起過冷度的變化,但根據(jù)文獻(xiàn)[4],當(dāng)機(jī)組負(fù)荷由100%降到70%時(shí),過冷度基本保持不變.

表1 汽側(cè)空氣量的修正系數(shù)Tab.1 The correction coefficient of steam side

3 冷凝器清潔度的應(yīng)用

某電廠300MW火力發(fā)電機(jī)組配套的冷凝器型號(hào)為N17650,冷卻面積17 650m2,冷卻水量37 300 t/h,銅管根數(shù)9 758×2根,主凝結(jié)區(qū)內(nèi)的冷卻管管徑為φ28 ,單根管長2 m,水室工作壓力0.25MPa.

3.1 與T-S模糊模型計(jì)算值的比較

T-S模糊模型[8]是基于輸入、輸出測(cè)量數(shù)據(jù)的智能建模方法,能以任意精度逼近任何非線性函數(shù),是實(shí)現(xiàn)軟測(cè)量的理想選擇.

設(shè)冷凝器的冷卻水流速v=2 m/s,選取536組不同工況下的冷卻水入口、出口溫度和飽和蒸汽溫度樣本數(shù)據(jù)用于模糊建模,另選200組數(shù)據(jù)用于模型檢驗(yàn).試驗(yàn)中j m=0.96,C s=0.842,采用機(jī)組熱耗率增量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性.

在冷凝器清洗干凈后,停止自動(dòng)清洗裝置后運(yùn)行,測(cè)得此時(shí)θi=0.59℃,C a=0.925 5,運(yùn)行過程中清潔度的變化結(jié)果見表2.然后重新投運(yùn)清洗裝置,此時(shí)θi=0.55℃,C a=0.957 9,試驗(yàn)結(jié)果如表3所示.從表中可得出結(jié)論,清潔度符合冷凝器換熱管污垢的積聚變化特性,而且機(jī)組熱耗率增量隨清潔度的變化而改變,其幅度較好地反映了冷凝器污垢對(duì)汽輪機(jī)效率的影響,表明清潔度定義是可信的.表3的最后2個(gè)清潔度數(shù)據(jù)不符合下降趨勢(shì),是因?yàn)槔淠鏖L久運(yùn)行后,真空度發(fā)生了變化,再用原來的汽側(cè)空氣量修正系數(shù)去計(jì)算真空度就會(huì)發(fā)生誤差.

3.2 與熱阻法的比較

熱阻法[9]采用污垢熱阻的變化來描述冷凝器結(jié)垢程度,測(cè)得的污垢系數(shù)在安裝有熱電偶的換熱管不堵塞時(shí)較為準(zhǔn)確,但冷凝器運(yùn)行時(shí),由于污垢積累、換熱管破損等原因,堵管現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,測(cè)量準(zhǔn)確度會(huì)受到影響.

試驗(yàn)中,在冷凝器的不同冷卻管位置埋設(shè)了12個(gè)熱電偶,無堵管時(shí)θi=0.54℃,C a=0.966 2,試驗(yàn)結(jié)果見表4.在對(duì)冷凝管進(jìn)行堵管后,θi=0.6℃,C a=0.917 6,試驗(yàn)結(jié)果見表5.剛清洗完的冷凝器,由熱阻法測(cè)得污垢系數(shù)為0.216,原因是冷凝管堵塞后,熱電偶所測(cè)得的管壁溫度不能體現(xiàn)冷凝器的真實(shí)換熱情況,從而導(dǎo)致大的誤差,而清潔度得到的參數(shù)不受堵管影響.

3.3 與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的比較

RBF是一種典型的局部逼近神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),不僅具有很強(qiáng)的非線性映射能力,而且還具有較快的收斂速度和全局優(yōu)化能力[10].

表2 停運(yùn)清洗裝置后冷凝器的清潔度Tab.2 Cleanliness of condenser after cleaning device closed

表3 重新投入清洗裝置后冷凝器的清潔度Tab.3 Clean liness o f condenser after cleaning device reused

試驗(yàn)中采集550組樣本數(shù)據(jù)用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模,300組數(shù)據(jù)用于模型檢驗(yàn),最終確定的模型階次n=4,RBF網(wǎng)絡(luò)的隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)p=5,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的平均誤差為0.001 8,最大誤差為0.092,模型驗(yàn)證的平均誤差為0.002 1,最大誤差為0.010 7.表6為 qi=0.6℃時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,表7為qi=0.68℃,C a =0.856 3時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.結(jié)果證明,不管是在冷凝器出現(xiàn)堵管還是在空氣漏入量較大時(shí),清潔度能取得與RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量模型一樣的測(cè)量結(jié)果.

表4 換熱管無堵塞時(shí)冷凝器的清潔度Tab.4 Cleanliness of condenser when the tubeswithout b locking

表5 換熱管堵塞時(shí)冷凝器的清潔度Tab.5 Clean liness of condenser when the tubes blocked

表6 冷卻管發(fā)生堵塞后冷凝器的清潔度Tab.6 Cleanliness of condenser after the tubes blocked

表7 空氣漏入量較大時(shí)冷凝器的清潔度Tab.7 Clean liness of condenser when a large amount of air leakage

4 結(jié) 論

提出了一種基于清潔度的冷凝器污垢判定方法,將汽側(cè)空氣量,水管壁的污垢程度,冷凝器管束布置系數(shù)這三者對(duì)凝汽器總體傳熱系數(shù)的影響分離開來,能夠更準(zhǔn)確地診斷冷凝器的清潔程度,并分別與T-S模型、熱阻法、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果表明,清潔度在冷凝器出現(xiàn)堵管、空氣漏入量較大時(shí)、冷凝器的工況參數(shù)大范圍變化時(shí),能夠取得比其它方法更可靠的測(cè)量結(jié)果.

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Condenser Fouling Monitoring Methods Based on Cleanliness

ZHANG Ying1,2?,WANG Yao-nan1,WEN Yi-ming3

(1.College o f Electrical and In formation Engineering,Hunan Univ,Changsha,H unan 410082,China;
2.College of Information Engineering,Xiangtan Univ,Xiangtan,H unan 411105,China;
3.School of Computer Scienceand Engineering,Guilin Univ of Electronic Techno logy,Guilin,Guangxi 541004,China)

Fouling coefficient is an importantm easure param eter of condenser performance,but it isaffected by multi-factors,therefore judging the condenser water side of tube walls fouling based on coefficient would have a significant error.So this paper proposed the concep to f degree of cleanliness,which allow s us to analyze the influence of the air accumulated on the steam side、the fouling on condenser water side of tubewalls、and the tube bundle coefficientof condenser on the overallheat transfer coefficient of the condenser respectively.It can diagnose the condenser fouling more accurately and provide a basis for scheduling reasonable cleaning.Experimental results show themethod can be more reliable than the T-S fuzzy m odel,thermal resistancemethod,RBF neural network modelw hen the condenser pipe b lockage or a larger amount of air leakage into the condenser or condenser operatingmode parameters change rapidly.

condenser;foulingmonitoring;cleanliness;tube bundle coefficient;steam sidewith air accumulated

TP274

A

1674-2974(2011)04-0036-05 *

2010-09-15

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60775047);國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2007AA 04Z244,2008AA 04Z214);湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10JJ5067)

張 瑩(1972-),男,湖南長沙人,湖南大學(xué)博士研究生,湘潭大學(xué)講師

?通訊聯(lián)系人,E-mail:gdu tzy@hotmail.com