直接空冷系统风机群入口流量特性实验研究

罗智凌, 姚 琦, 刘吉臻

(1.华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室,北京 102206;2.华北电力大学 控制与计算机工程学院,北京 102206;3.暨南大学 能源电力研究中心,广东珠海 519070)

我国“三北”地区富煤缺水的资源分布特点限制了火力发电机组的容量。以空气作为冷却介质的大型空冷系统具有显著的节水优势,因此被广泛应用于水资源短缺地区的火力发电厂中[1]。环境中的空气在轴流风机的驱动下流经翅片管外表面,与翅片管内的汽轮机排汽进行热交换,将蒸汽冷凝成水。轴流风机是直接空冷系统运行中的关键设备,空冷风机的运行效率直接影响汽轮机背压及机组经济性。风机群的入口空气流量是影响直接空冷系统换热性能的重要因素。

火电厂直接空冷系统的轴流风机具有直径大、数量多、能耗高的特点,以阵列方式布置,常采取统一调节风机频率的集群运行方式[2]。数十台轴流风机集群运行时,风机的气动特性与单独运行时不同,主要表现为空气流量显著减少,整体效率降低,冷却空气流量的损失具有和总空气流量相同的数量级,这种现象被称为风机的集群效应[3]。Salta等[4]通过等比例缩小模型实验发现,边缘风机的风机容积效率低于内部风机,提出以风机容积效率来衡量轴流风机群的容积损失。风机容积效率是指通过风机的实际空气流量与风机独立运行且无入口扰动时的实际流量之比,也被称为集群因子[5]。杨立军等[6]通过风机并联运行实验,绘制并联风机的性能曲线,引入集群因子得到轴流风机群的性能曲线、阻力曲线及工作点,并研究了风机数量及布置方式对集群因子的影响。

空冷风机群同时受到多种因素的影响,除了风机群自身因素外,还受到环境因素如气温、环境风和大气压的影响[7]。其中,在环境风影响下,处于不同位置的风机入口流量会出现较大差异。Yang等[8]通过数值模拟得出,在环境风作用下直接空冷系统迎风风机的容积效率低于内部风机的容积效率,而背风风机的容积效率更高。风机容积效率受风速和风向的影响,风向下游的换热性能普遍优于风向上游,从锅炉方吹向冷凝器的环境风最不利于系统性能[9]。在直接空冷机组运行中曾出现锅炉方向的横向风导致发电厂出现紧急停机的情况。Fourie等[10]通过数值模拟结合实验的方法,推导出风机容积效率、平台高度和环境风速之间的关联式。Li等[11]采用灰色关联度分析方法计算了每个风机的转速与机组背压的关联度,研究表明,环境风下各空冷单元的散热量不同,调节与背压关联度高的风机有利于降低背压,因此提出了风机分区调节以提高空冷系统能效的运行策略。

现有的环境风影响下直接空冷系统特性研究以数值模拟为主,实验研究较少。张学镭等[12]通过现场实验研究发现,环境风对上游风机的流量及下游风机的入口温度有较大影响,下游风机的入口流量有可能增加甚至超过设定值。郭牧[13]通过等比例缩小的空冷风机阵列实验平台,测量了风机入口流量,得出在相同转速下轴流风机群具有边缘风机流量小、中间风机流量大的特点。测量实验风机转速分别为600 r/min及800 r/min集群运行时的风机流量,实验结果表明,随风机转速及风机数量的增加,风机受集群效应的影响更加明显[14]。张辉等[15]结合数值模拟和实验方法,发现风机入口流量的差别来源于风机近壁区的速度分布不同,边缘风机的入口存在严重的流动变形。现有的轴流风机群入口流量特性研究大部分只考虑了风机在额定工况运行或超频运行的情况,未考虑风机变频调节;另一方面,针对环境风影响下的风机群不同位置的风机入口流量特性的研究较少。

笔者通过1∶10等比例缩小的直接空冷风机阵列实验系统对风机入口流量特性展开实验研究,并采用模态经验分解方法(EMD)处理风速风向数据,根据实验数据计算风机容积效率,并通过随机森林回归(RFR)算法估计不同风况下的风机容积效率,最后讨论风机容积效率与风机位置、运行方式、风机频率及环境风速的关系,为风机群的节能运行提供参考。

1 实验系统

考虑到火电厂冷端系统的安全性和经济性,在不同工况下进行直接空冷系统风机群现场试验是昂贵且不切实际的。而且,目前大多数的直接空冷风机阵列没有配备风机流量测量装置。基于风机相似定律,进行缩小模型实验是一种可行的方案。

当2台风机满足几何相似(风机对应的长度尺寸成比例,比值相等,且叶片数和安装角相等)、运动相似(风机对应点上的速度大小有相同的比值,且方向相同)和动力相似(风机对应位置作用在流体质点上的力有相同比例,且方向相同)3个条件时,可认为其流体流场是相似的。黏性力和惯性力是流体流动时起主要作用的力,因此流体的动力相似要求模型与实型风机具有相同的雷诺数。严格保证实验模型与实型风机的动力相似是较难实现的,然而当流体雷诺数达到一定数值后,雷诺数的变化几乎不影响流场性质,只需要保证实验模型与实型风机流体处于同一自模区即可满足动力相似。实型风机流体为紊流状态,处于第二自模区(Re>105),实验风机的雷诺数为3.4×106,满足动态相似条件。

参照330 MW直接空冷机组的直接空冷系统尺寸,搭建了按1∶10的比例缩小的直接空冷风机阵列实验系统,如图1所示。直接空冷风机阵列实验系统由轴流风机阵列模型、控制系统、变频调速系统和测量系统组成。

图1 直接空冷风机阵列实验系统示意图

(1) 轴流风机阵列

轴流风机阵列由钢结构框架和30个空冷单元组成,按南北向5行、东西向6列的方式布置。每个空冷单元包括1台实验轴流风机、1台交流异步电机和1对翅片管模拟孔板。轴流风机阵列模型的钢结构框架与实验风机部分沿用了此前的直接空冷风机阵列特性实验研究中所搭建的实验装置[13]。不同之处在于,本实验系统搭建在户外受自然风影响的流场环境中,四周空旷无建筑,且在模拟翅片管四周设置了挡风墙。实验中利用了自然风,未配备辅助风力设施。实验系统用于研究环境风对轴流风机群运行特性的影响,未模拟水蒸气在翅片管的冷凝过程,因此采用金属孔板代替实际翅片管。金属孔板的选取遵循风机相似定律,金属孔板与实际风机翅片管出口空气流速的比值与实验及实型风机对应点速度比值相等,以保证与原系统有相似的阻力特性。

(2) 控制与变频调速系统

轴流风机阵列的控制系统由国能智深控制技术有限公司的EDPF NT+分散控制系统(DCS)搭建。控制系统设置了工程师站、操作员站和历史站,分别用来对系统进行配置、组态和调试,监视和控制实时运行状态,收集过程历史数据。实验系统配有30台ABB变频器。每个空冷单元分别由1台变频器驱动电机变频调速,实现风机变频控制,风机频率及对应的转速、功率见表1。现有的直接空冷系统通过变频器控制风机启停与变频调节,能实现单个风机或单列风机的频率调节。在此基础上,实验系统加入轴流风机入口空气流量测点,将按列调节风机的逻辑组态扩展为可自选分组调节风机频率。

表1 实验风机变频调节对应的转速及功率

(3) 测量系统

测量系统包括风机入口空气流量测量装置及风速风向测量装置。风机入口空气流量常采用皮托管流量计进行测量。皮托管流量计是差压式流量计的一种,其测量原理是伯努利定律,即通过测量流体流动产生的差压来获得流速或者流量:

(1)

式中:qV为流体体积流量,m3/s;A为管道截面积,m2;Δp为动压,即全压与静压之差,Pa;ρ为测量点处流体密度,kg/m3。

采用传统皮托管测量轴流风机入口截面的方法是根据流速分布选取一个测点,通过数学模型计算截面流量。当流体流动是紊流时,需取多个测点流速的平均值或者加权平均值作为平均流速。

均速管流量计的测量原理与皮托管相同,优点是能够直接测量出管道截面的平均流速。均速管是一根横跨管道布置的中空、多孔管,其测量管道上迎流方向上有多个连通的全压取压孔,自动平均多个测点的全压,背向流体流向一侧有一个静压取压孔。利用差压测量原理,定制了用于风机入口空气流量测量的流量计[16]。如图1(c)所示,每个空冷单元轴流风机下方布置2根均速管,均速管呈十字交叉分布,全压孔轴线与风机截面中心线平行。根据等环面法[15],将风机截面分为4个面积相等的同心圆环,每个圆环的等分处布置测点,每根流量计共有8个流速测点。2根均速管测量出空气流速的平均值作为风机入口空气流速。

常用风速风向测量装置按测量原理可分为机械式风速风向仪和超声波风速风向仪两类,其中机械式风速风向仪结构简单,可靠性高,因此实验系统选用Thies Clima机械式风向标与风速仪。风速风向仪安装在轴流风机阵列西南侧、与模拟翅片管同一高度的测量杆上。实验系统参数见表2。

表2 直接空冷风机阵列实验系统参数

2 实验方案

边缘风机更容易受到环境风和风机相互作用的影响,而内部风机则受影响较小。此外,环境风速和风向是随机变化的,优先采用对称的风机分组方案。因此,考虑将风机阵列分为边缘风机和内部风机2组,分别进行风机变频调节,其中边缘风机包括迎风风机和背风风机。

实验系统轴流风机阵列平面布置如图2所示,每一个圆圈代表1台实验风机,以正北方向为0°风向角,图上标记了30台轴流风机的行号、列号、盛行风向范围及盛行风向下的迎风风机、背风风机及内部风机。

为了研究环境风影响下的直接空冷风机运行特性,针对直接空冷风机阵列实验系统,设计轴流风机分区调节实验如下:

(1) 风机独立运行。在环境风速小于0.5 m/s时,测量每一台轴流风机独立运行的空气流量。风机频率从10～50 Hz以10 Hz的间隔递增。每次风机频率调节时间持续2 min。

(2) 风机集群运行。在自然风环境下,30台轴流风机集群运行,同时调节全部风机频率。风机频率从10～50 Hz以10 Hz的间隔依次递增。每次调节持续5 min。

(3) 边缘风机及内部风机分别调节。在自然风环境下,轴流风机群分为边缘风机及内部风机分别进行调节。当内部风机的频率以10 Hz的间隔从10 Hz增加到50 Hz时,边缘风机的频率在内部风机频率的基础上分别加/减10 Hz,每次调节持续5 min。

由于环境风速、风向不断变化,为了能获得各种风速、风向下的风机分区调节的流量测量数据,重复多次实验。最后,从实验系统中以1 s为采样周期导出风机流量稳定状态下每台风机频率和相应的风机空气流量。

3 数据处理方法

3.1 风速及风向处理方法

环境风速及风向具有强随机性,而轴流风机群入口流量是一个过程变量,其变化具有惯性和迟延,因此环境风中的高频分量可以看成是噪声。为了获得用于分析环境风对直接空冷系统影响的有效数据,采用经验模态分解法对实验系统测量的风速及风向数据进行时频分析[17]。经验模态分解法是一种时频处理方法,能自适应地将非线性、非平稳信号分解为几个本征模函数(IMF)和一个残差信号的叠加。经过EMD法分解出的本征模函数包含原信号在不同时间尺度的局部特征。频率高的本征模函数可以看成零均值的噪声信号,频率低的本征模函数则包括了原信号在各个频率的局部波动特征。将风速、风向数据的本征模函数和剩余分量按照频率分为高频分量和低频分量进行叠加,波动频率高于1/60 Hz的为高频分量,其余为低频分量。其中低频分量表征了原信号的主要变化信息,可用于实验分析。EMD算法流程如下。

(1) 初始化:ri=x(t),x(t)为输入信号,i=1。

(2) 分解第i个本征模函数fi(t):

① 初始化:令hj(t)=ri(t),j=1。

② 识别hj(t)的局部极值点。

③ 对hj(t)的极大值点和极小值点分别进行3次样条插值,得到上下包络线emax(t)与emin(t)。

④ 计算上下包络线的平均值mj(t)=(emax(t)+emin(t))/2。

⑤ 计算hj+1(t)=hj(t)-mj(t)。

⑥ 如果hj+1(t)满足以下2个条件:局部极值点和过零点的数目相等或最多相差一个;局部上包络线和下包络线的平均值为零,为本征模函数fi(t)=hj+1(t),否则j=j+1,转到②。

(3) 计算剩余分量ri+1(t)=ri(t)-fi(t)。

根据以上EMD算法流程,以风速风向仪采集的一段1 800 s的风速、风向数据为例进行EMD分解。风速、风向数据的采样周期为1 s,风速平均值为3.56 m/s,风向平均值为305°。风向数据中可能出现风向变化跨越0°或风向之差大于180°的情况,直接进行经验模态分解有可能造成较大的误差。在进行信号分解前需对风向数据进行判断,对与平均风速相差大于180°的风向数据进行数学变换,将数值小的数据值增加360°,在信号分解后对超过量程的数据进行数学变换恢复至0°～359°范围内。

采用EMD法分别将测量得到的风速及风向数据分解为8个和10个本征模函数及剩余分量。风速、风向数据的本征模函数和剩余分量按照高频分量和低频分量两组进行叠加,结果如图3所示。其中风速、风向的低频分量表征了原信号的主要变化信息,用于后续的机器学习算法及实验分析。

(a) 风速数据

3.2 风机容积效率计算

直接空冷风机阵列受环境风及集群效应影响,风机集群运行的气动特性与单独运行时不同,表现为空气流量显著减少。风机容积效率η是用来衡量风机容积损失的指标,定义为风机的实际体积流量和理论体积流量之比,表达式如下:

(2)

式中:qV,F为风机实际体积流量,m3/s,qV,ideal为风机体积流量理论值,m3/s。

对于直接空冷风机,理论空气流量为风机独立运行且无环境风扰动时的风机流量。容积效率可应用于单个或多个风机,可以评估直接空冷风机在集群运行及环境风扰动下的运行效率,容积效率越小,意味着风机运行效率越低。

实验风机阵列与实际轴流风机阵列虽然达到了相似条件,但并不是完全相似的,因此通过实验风机测量出的风机性能参数不能直接作为实型风机在相似工况中参考。相似的风机具有相同的无量纲性能曲线,因此采用无量纲化方法,当实验风机与实型风机特征变量的无量纲参数相同时,实验风机与实型风机的性能相同。研究环境风速对轴流风机群性能的影响,容积效率为风机无量纲性能指标,以环境风速为特征变量,采用环境风速与轴流风机叶尖速度比值作为无量纲环境风速[9]:

(3)

式中:v为无量纲化的环境风速;vwind为环境风速,m/s;vtip为轴流风机叶尖速度,m/s。

当实验风机与实型风机的无量纲风速相同时,风机容积效率也相等,因此实验风机测得的风机容积效率可以作为实型风机性能的参考。

3.3 随机森林回归

由于环境风具有随机性,为了能获得尽可能多的风况下的风机入口流量数据,除了重复实验之外,采用随机森林回归算法对实验结果进行泛化。

随机森林是以决策树为基学习器、以Bagging(Bootstrap Aggregating)的集成学习方式构建的学习器,算法示意图如图4所示。集成学习通过某种策略将有差异的多个同类个体学习器结合起来,以获得比个体学习器更优的泛化性能。Bagging是一种并行的集成学习方式,基于自助采样法,通过n次有放回的抽样每次生成包含n个元素的样本,用样本子集训练基学习器,最后将基学习器结合起来。

图4 随机森林回归算法示意图

(4)

(5)

最后,对基学习器预测的结果进行结合,将所有决策树输出的平均值作为RFR的输出。基学习器的多样性对于集成学习非常重要,除了自助采样之外,RFR在训练中还引入了随机属性选择来增加决策树之间的差异,避免陷入局部极小值或过拟合,并保证模型的准确性。RFR算法实现简单,计算复杂度低,通过引入2种样本扰动,增强了学习器的泛化能力,且不需要进行特征选择。

采用随机森林回归算法,风机容积效率的估计可以用以下风机频率和环境风速的函数来描述:

(η1,…,ηi)=f(n1,…,ni,v)

(6)

式中:ηi为第i组风机的容积效率;ni为第i组风机的频率,Hz。

在RFR测试中,采用均方根误差(RMSE)和平均相对误差(MRE)评估算法性能。RMSE是用来衡量一组测量序列真实值与预测值之间的平均误差,MRE反映了一组测量序列的误差占实际值的百分比。

(7)

(8)

4 实验结果及讨论

以1 s为采样周期,从实验系统的DCS中导出风机流量稳定状态下每组风机频率和相应的风机空气流量,剔除部分风机运行异常时的无效数据。其中,平均环境风向为310°,平均环境风速为3.5 m/s,风机频率调节范围为10～50 Hz。

首先,采用EMD法对环境风速及风向数据进行处理,由原信号分解出的低频信号组成处理后的风速、盛行风向数据。EMD法处理后的风速范围为0～6 m/s,风向dwind范围为300°～330°。采用滑动平均法计算盛行风向下边缘风机、内部风机、迎风风机、背风风机及全部风机的平均流量,滑动时间窗宽度为10 s。然后计算无量纲参数,包括各组风机容积效率及无量纲环境风速。无量纲环境风速范围为0～0.084,需要注意的是,实验分析中所提的环境风速均为实验系统环境下的风速,可根据式(3)计算得到,对应的实际系统环境风速范围为0～4.02 m/s。最后,在处理好的数据集中随机抽取90%的数据作为RFR算法的训练集,剩余10%作为测试集,决策树的数量设置为20。采用RFR算法估计各组风机的容积效率,测试结果见表3。从表3可以看出RFR算法有较好的预测效果。其中,背风风机及迎风风机容积效率的预测误差较大,因为这2组风机的容积效率随环境风速的波动而产生较大变化。

表3 随机森林回归测试结果

实验风机在环境风速为0 m/s、风机频率为30Hz时的空气流量和容积效率如图5所示。图5(a)给出了风机单独运行及集群运行时的空气体积流量。实验风机单独运行时,平均空气体积流量约为2.96 m3/s,边缘风机及内部风机的平均空气体积流量分别为2.91 m3/s和3.03 m3/s。当实验风机集群运行时,平均空气体积流量为2.50 m3/s,边缘风机及内部风机的平均空气体积流量分别为2.41 m3/s和2.70 m3/s。轴流风机转动使得空冷岛下方形成负压区,空气从正压区向负压区流动。理想情况下,冷却空气从下往上垂直空冷岛进入空冷单元,气流方向与轴流风机轴线的夹角为0°,实际上风机入口处气流的流场在各种因素影响下会产生流动变形,气流进入边缘风机的方向与风机轴线存在一定夹角,进而导致风机容积损失。受到风机位置影响,边缘风机气流进入风机的角度大于内部风机,因此边缘风机体积流量略低于内部风机体积流量。

(a) 风机单独运行与集群运行时的空气体积流量

从图5(b)可以看出,实验风机集群运行时的平均容积效率为0.85,边缘风机容积效率为0.81,内部风机平均容积效率为0.91,边缘风机集群运行时容积效率显著低于内部风机。直接空冷系统轴流风机群的总体积流量介于风机并联运行的体积流量与风机独立运行的总体积流量之间。其中,边缘风机空气体积流量下降程度明显多于内部风机,这是因为风机集群运行使得边缘风机的入口流动变形恶化。

图6给出了实验风机在环境风速为2.5 m/s、风机频率为30 Hz时集群运行的空气体积流量和容积效率。当风机集群运行时,平均空气体积流量为2.55 m3/s,平均容积效率为0.86,比环境风速为0 m/s时的平均空气体积流量及容积效率有小幅增长。迎风风机、背风风机、内部风机的平均空气体积流量分别为2.14 m3/s、3.01 m3/s和2.69 m3/s,容积效率分别为0.72、1.01和0.91。与图5相比,此时迎风风机空气体积流量有明显下降,背风风机空气体积流量上升,部分背风风机的空气体积流量超过了风机独立运行时的空气体积流量。环境风的扰动使得冷却空气以一定角度流入轴流风机,其中空气流入迎风风机的角度最大,导致进入迎风风机的空气体积流量减少。环境风对下游风机的影响较小,因此空气进入下游风机的角度较小,下游风机的容积损失少于上游风机。此外,环境风使得空气进入风机的流速增加。因此,在同样的环境风作用下,出现了背风风机空气体积流量上升的情况。

(a) 风机单独运行与集群运行时的空气体积流量

不同环境风速下风机频率对容积效率的影响如图7所示。从图7(a)可以看出,在环境风速较小时,其影响可以忽略,随着风机频率增加,风机空气体积流量增加,但容积效率先增加后减小。风机频率为30 Hz时平均容积效率最大,是实验风机的高效运行区域,其变化趋势符合一般风机的效率性能曲线。其中,内部风机的容积效率比全部风机大0.029,而边缘风机的容积效率比全部风机小0.025,边缘风机与内部风机的容积效率有明显差别。

(a) vwind=0 m/s

从图7(b)可以看出,风机频率为20～50 Hz时,2.5 m/s的环境风对边缘风机、内部风机和全部风机的容积效率影响较小,其中风机频率为30～40 Hz时容积效率较大。风机频率在10 Hz时整体容积效率下降,这是因为风机的迎面风速较小,环境风对风机入口流场的扰动导致其流动变形更加严重。其中,迎风风机和背风风机的容积效率受环境风的影响,风机频率为30 Hz时,迎风风机的容积效率比边缘风机容积效率小0.11,比全部风机平均容积效率小0.14,背风风机的容积效率比边缘风机平均容积效率大0.12,比全部风机容积效率大0.11。根据风机频率对风机容积效率的性能曲线,将风机运行在高效区时能够减少风机能耗。利用不同位置风机的性能特性对直接空冷系统进行分区调节,有助于提高系统效率。

环境风速对风机容积效率的影响如图8所示。从图8可以看出,实验风机频率为30 Hz、集群运行时,背风风机的容积效率随环境风速增大而上升。无量纲风速为0.084时,即环境风速为6 m/s时,背风风机容积效率比环境风速为0 m/s时上升了0.15。迎风风机的容积效率随环境风速的增大而减小。环境风速为6 m/s时的迎风风机容积效率比环境风速为0 m/s时减小了0.1。边缘风机、内部风机和全部风机的容积效率随环境风速的增大有小幅增加,在无量纲风速大于0.03时趋于平稳,变化幅度较小。

图8 环境风速对风机容积效率的影响

5 结 论

(1) 风机阵列集群运行时,整体空气体积流量有明显下降,边缘风机空气体积流量下降幅度要多于内部风机。

(2) 根据风机频率对风机容积效率的性能曲线,风机运行在高效区时能够减少风机能耗。

(3) 在环境风影响下,风机群迎风风机的容积效率随环境风速的增大而减小,背风风机的容积效率随环境风速的增大而上升,部分背风风机的空气体积流量超过了风机独立运行时的空气体积流量。