一种大型变转速给水泵运行状态的在线监测方法

摘要

本发明涉及一种大型变转速给水泵运行状态的在线监测方法，包括记录给水泵状态监测的运行参数；根据给水泵设计流量‑扬程曲线，确定给水泵正常运行区域的各边界的数值函数；收集给水泵新投运正常状态的运行数据，经修正后拟合出给水泵某一规定转速下的流量‑扬程性能曲线；根据监测状态下的给水泵运行参数，判断给水泵是否在正常运行区域内工作。如否，给出运行异常状态的报警提示；根据监测状态下的给水泵运行参数，修正至给水泵某一规定转速与正常状态曲线相比，如与正常状态曲线偏差超出一定程度，给出给水泵运行异常状态的报警提示，通过该方法可以对给水泵的日常运行状态进行监测，并给出给水泵运行状态偏离正常运行区域时的判断准则。

说明书

技术领域

本发明涉及一种大型变转速给水泵运行状态的在线监测方法。

背景技术

大型给水泵作为电厂中重要的机械转动设备，承担着向锅炉提供高压力、大流量给水的功能。随着电力机组向大容量高参数发展，电厂中给水泵运行的可靠性对机组运行的影响越来越重要。以某一亚临界600MW汽轮机组配置两台给水泵为例，如一台给水泵异常停运，则相应的机组出力需要降低一半。目前大型变转速给水泵运行状态的监测，不仅需要判断给水泵是否运行在正常区域，还需要对给水泵长期的运行状态变化趋势进行监测，目前现场运行的DCS测量系统无法满足上述要求。

因此电厂迫切需要一种大型变转速给水泵运行状态的在线监测方法，来能够实现上述两个方面的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种大型变转速给水泵运行状态的在线监测方法，通过该方法可以对给水泵的日常运行状态进行监测，并给出给水泵运行状态偏离正常运行区域时的判断准则。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种大型变转速给水泵运行状态的在线监测方法，其关键技术在于，其包括如下步骤：

（1）、记录给水泵状态监测的运行参数，具体包括：给水泵转速、给水泵进口压力、给水泵进口温度、给水泵出口压力、给水泵出口温度和给水泵进口流量；

（2）、根据给水泵设计流量-扬程曲线，确定给水泵正常运行区域的各边界的数值函数。

（3）、收集给水泵新投运正常状态的运行数据，经修正后拟合出给水泵某一规定转速下的流量-扬程性能曲线；

（4）、根据监测状态下的给水泵运行参数，判断给水泵是否在正常运行区域内工作。如否，给出运行异常状态的报警提示；

（5）、根据监测状态下的给水泵运行参数，修正至给水泵某一规定转速与正常状态曲线相比，如与正常状态曲线偏差超出一定程度，给出给水泵运行异常状态的报警提示。

进一步地，所述步骤（2）的具体步骤如下：

a). 额定转速下的设计流量-扬程曲线拟合，首先根据厂家提供的给水泵额定转速下的设计流量-扬程曲线，拟合出数值函数，H=f(Q)，f为拟合多项式函数；

b). 最大转速曲线的确定

根据厂家提供的最大转速n_max，列出最大转速下的流量-扬程曲线如下：

H=(n_max/n_d)²×f[Q×(n_d/n_max)]，式中n_d为给水泵额定转速，n_max为给水泵最大转速，f为拟合多项式函数，与额定转速下的拟合函数相同；

c). 最小转速曲线的确定

根据厂家提供的最小转速n_min，列出最小转速下的流量-扬程曲线如下：

H=(n_min/n_d)²×f[Q×(n_d/n_min)]，式中n_d为给水泵额定转速，n_min为给水泵最小转速，f为拟合多项式函数，与额定转速下的拟合函数相同；

d). 最大流量曲线的确定

按照拟合得到的额定转速下的设计流量-扬程曲线，按Q₁=1.2×Q_d,计算得到相应的额定转速下的对应扬程H₁：

H₁=f(Q₁)=f(1.2×Q_d)

式中Q_d为给水泵额定转速下的设计流量，Q₁为额定转速下的给水泵最大流量，H₁为额定转速下给水泵最大流量对应的扬程，f为拟合多项式函数，与额定转速下的拟合函数相同；

计算出Q₁及H₁后，最大流量曲线的函数如下：

H=f₁(Q)=>1/Q₁²)×Q²

式中，f₁为获得的最大流量曲线的二次函数。

e). 最小流量曲线的确定

按照拟合得到的额定转速下的设计流量-扬程曲线，按Q₂=0.25×Q_d,计算得到相应的额定转速下的对应扬程H₂：

H₂=f(Q₂)=f(0.25×Q_d)

式中Q_d为给水泵额定转速下的设计流量，Q₂为额定转速下的给水泵最小流量，H₂为额定转速下给水泵最小流量对应的扬程，f为拟合多项式函数，与额定转速下的拟合函数相同。

计算出Q₂及H₂后，最小流量曲线的函数如下：

H=f₂(Q)=(H₂/Q₂²)×Q²

式中，f₂为获得的最小流量曲线的二次函数。

进一步地，所述步骤（3）的具体步骤如下：

a). 数据处理

收集给水泵新投运正常状态的运行数据，将收集的各工况运行参数见表1，分别按照公式（1）和公式（2）得到各工况的流量Q及扬程H；

表1

给水泵状态监测中的流量为容积流量Q，其计算公式为：

（1）

式中，

F为给水泵进口流量，单位t/h；

ρ为经过给水泵的给水密度(kg/m3)，计算如下式；

经过给水泵的给水密度由公式ρ=(f₁(p_i,t_i)+f₁(p_o,t_o))/2计算求得，所述函数f₁从国际水和水蒸汽特性协会（IAPWS）的相关计算公式中查得；

给水泵状态监测中的扬程H，其计算公式为：

H=(p_o-p_i)×10⁶/(ρg)（2）

式中：

p_o,p_i为给水泵出口和进口处液体的压力(MPa)，为实测量；

ρ为经过给水泵的给水密度(kg/m3)，计算如上。

g为重力加速度常数，取9.8，单位N/kg；

b). 各工况数据修正至额定转速

按照下列公式，将各数据n、Q、H修正至额定转速n_d：

Q_c>d/n)

H_c>d/n)²

c). 修正后流量、扬程数据的拟合

将修正后的各个工况点（Q_c，H_c），进行多项式拟合，得到给水泵新投运后正常的实际运行特性曲线：H=f₃(Q)，f₃为获得的给水泵新投运后额定转速下的流量扬程多项式拟合函数。

进一步地，所述步骤（4）的具体步骤如下：

a). 运行区域交点的计算。根据确定的给水泵运行范围四条拟合曲线，计算出交点的流量及扬程数据A（Q_A，H_A），B（Q_B，H_B），C（Q_C，H_C），D（Q_D，H_D）；

b). 运行状态点处理。对给水泵每一组运行参数，包括n、pi、ti、po、to、F，按照计算原理部分所述的方法，计算得到给水泵转速n、流量Q及扬程H；

c). 运行异常的判断逻辑。如下所示判断逻辑：

IF Q<Q_A，THEN>

ELSEIF Q<Q_B，THEN

IF H>=f₂(Q)>2(Q)为最小流量曲线的二次函数计算值）

ELSEIF H>=(n_min/n_d)²×f[Q×(n_d/n_min)]>

ELSE报警提示“运行扬程小于给水泵最小要求扬程！”

END IF

ELSEIF Q<Q_D，THEN

IF H>=(n_max/n_d)²×f[Q×(n_d/n_max)]>

ELSEIF H>=(n_min/n_d)²×f[Q×(n_d/n_min)]>

ELSE报警提示“运行扬程小于给水泵最小要求扬程！”

END IF

ELSEIF Q<Q_C，THEN

IF H>=(n_max/n_d)²×f[Q×(n_d/n_max)]>

ELSEIF H>=f₁(Q)>1(Q)为最大流量曲线的二次函数计算值）

ELSE报警提示“运行流量超出给水泵最大流量！”

END IF

ELSE 报警提示“运行流量超出给水泵最大流量！”

END IF

进一步地，所述步骤（5）的具体步骤如下：

a). 运行状态点处理

对给水泵每一组运行参数，包括n、pi、ti、po、to、F，按照计算原理部分所述的方法，计算得到给水泵运行状态点参数包括给水泵转速n、流量Q及扬程H；

b). 运行状态点参数修正至额定转速n_d：

修正至额定转速n_d的状态参数：

Q_c>d/n)

H_c>d/n)²

c). 运行异常的判断逻辑。如下所示判断逻辑：

IF H_c<f₃(Q_c)>3(Q_c)-H_c)/f₃(Q_c)]>=δTHEN（注：f₃(Q_c)为根据给水泵新投运后额定转速下的流量扬程多项式拟合函数计算得到的扬程值）

报警提示“给水泵扬程下降超出规定范围值！”

ELSE

提示“给水泵运行参数正常”

END IF

上式中，δ为扬程降低的允许规定值，可设定为0.1。

与现有技术相比，本发明所取得的有益效果如下：

（1）本发明基于常用的给水泵运行参数，采取本发明所提供的判断准则及方法即可对正常运行变转速给水泵的状态进行判定，可以为日常运行中电厂监测给水泵状态、保证给水泵案例运行提供准确的基础数据；采用本专利方法还可以对给水泵的工作状态进行连续的状态监控，对给水泵工作状态的变化及时进行预警，满足了电厂状态检修的需要；

（2）本发明数据采用的测量参数现场容易获取，监测方法中的各种基准曲线（四条运行区域边界曲线，及正常运行状态额定转速下的流量-扬程曲线）容易计算拟合，降低了本专利在现场的实施难度。

本监测方法采用的数据容易测量，结构简单，监测判断方法可靠易行，便于在各个电厂的现场实施。

附图说明

附图1为典型给水泵运行区域示意图；

附图2为实施例1流量-扬程曲线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细的叙述。

本发明是基于以下原理实现的：

1、反映给水泵运行状态的主要运行参数是流量及扬程。正常运行状态下，给水泵的流量与扬程变化应符合一定的变化曲线，即流量-扬程曲线。给水泵运行状态异常时，首先会反映在给水泵流量与扬程的对应关系上。例如，当给水泵流量一定，扬程降低时，表示给水泵的密封泄漏量增加。

2、给水泵设备制造商提供的流量扬程-曲线中，相关的数据现场无法直接测得，必须经过一定的转换。

给水泵现场运行参数包括：给水泵转速、给水泵进口压力、给水泵进口温度、给水泵出口压力、给水泵出口温度、给水泵进口流量F。各参数的相应符号及单位如表1：

表1

参数符号单位给水泵转速nrpm给水泵进口压力piMPa给水泵进口温度ti℃给水泵出口压力poMPa给水泵出口温度to℃给水泵进口流量Ft/h给水泵容积流量Qm³/h给水泵扬程Hm

给水泵状态监测中的流量为容积流量Q，其计算公式为：

（1）

式中，

F为给水泵进口流量，单位t/h；

ρ为经过给水泵的给水密度(kg/m3)，计算如下式；

经过给水泵的给水密度由公式ρ=(f₁(p_i,t_i)+f₁(p_o,t_o))/2计算求得，所述函数f₁从国际水和水蒸汽特性协会（IAPWS）的相关计算公式中查得；

给水泵状态监测中的扬程H，其计算公式为：

H=(p_o-p_i)×10⁶/(ρg)>

式中：

p_o,p_i为给水泵出口和进口处液体的压力(MPa)，为实测量；

ρ为经过给水泵的给水密度(kg/m3)，计算如上。

g为重力加速度常数，取9.8，单位N/kg。

3、给水泵的正常运行区域如附图1所示，从图中可以看到，正常运行中给水泵的运行工况点处在四个曲线围的区域内。这四个曲线分别是最大转速曲线、最小转速曲线、最大流量曲线及最小流量曲线。

本发明具体实施的步骤如下：

（1）、记录给水泵状态监测的运行参数见表1，具体包括：给水泵转速、给水泵进口压力、给水泵进口温度、给水泵出口压力、给水泵出口温度和给水泵进口流量。

（2）、根据给水泵设计流量-扬程曲线，确定给水泵正常运行区域的各边界的数值函数。

a). 额定转速下的设计流量-扬程曲线拟合，首先根据厂家提供的给水泵额定转速下的设计流量-扬程曲线，拟合出数值函数，H=f(Q)，f为拟合多项式函数；

b). 最大转速曲线的确定

根据厂家提供的最大转速n_max，列出最大转速下的流量-扬程曲线如下：

H=(n_max/n_d)²×f[Q×(n_d/n_max)]，式中n_d为给水泵额定转速，n_max为给水泵最大转速，f为拟合多项式函数，与额定转速下的拟合函数相同；

c). 最小转速曲线的确定

根据厂家提供的最小转速n_min，列出最小转速下的流量-扬程曲线如下：

H=(n_min/n_d)²×f[Q×(n_d/n_min)]，式中n_d为给水泵额定转速，n_min为给水泵最小转速，f为拟合多项式函数，与额定转速下的拟合函数相同；

d). 最大流量曲线的确定

按照拟合得到的额定转速下的设计流量-扬程曲线，按Q₁=1.2×Q_d,计算得到相应的额定转速下的对应扬程H₁：

H₁=f(Q₁)=f(1.2×Q_d)

式中Q_d为给水泵额定转速下的设计流量，Q₁为额定转速下的给水泵最大流量，H₁为额定转速下给水泵最大流量对应的扬程，f为拟合多项式函数，与额定转速下的拟合函数相同；

计算出Q₁及H₁后，最大流量曲线的函数如下：

H=f₁(Q)=>1/Q₁²)×Q²

式中，f₁为获得的最大流量曲线的二次函数。

e). 最小流量曲线的确定

按照拟合得到的额定转速下的设计流量-扬程曲线，按Q₂=0.25×Q_d,计算得到相应的额定转速下的对应扬程H₂：

H₂=f(Q₂)=f(0.25×Q_d)

式中Q_d为给水泵额定转速下的设计流量，Q₂为额定转速下的给水泵最小流量，H₂为额定转速下给水泵最小流量对应的扬程，f为拟合多项式函数，与额定转速下的拟合函数相同。

计算出Q₂及H₂后，最小流量曲线的函数如下：

H=f₂(Q)=(H₂/Q₂²)×Q²

式中，f₂为获得的最小流量曲线的二次函数。

（3）、收集给水泵新投运正常状态的运行数据，经修正后拟合出给水泵某一规定转速下的流量-扬程性能曲线；

a). 数据处理

收集给水泵新投运正常状态的运行数据，将收集的各工况运行参数见表1，分别按照公式（1）和公式（2）得到各工况的流量Q及扬程H；

b). 各工况数据修正至额定转速

按照下列公式，将各数据n、Q、H修正至额定转速n_d：

Q_c>d/n)

H_c>d/n)²

c). 修正后流量、扬程数据的拟合

将修正后的各个工况点（Q_c，H_c），进行多项式拟合，得到给水泵新投运后正常的实际运行特性曲线：H=f₃(Q)，f₃为获得的给水泵新投运后额定转速下的流量扬程多项式拟合函数。

（4）、根据监测状态下的给水泵运行参数，判断给水泵是否在正常运行区域内工作。如否，给出运行异常状态的报警提示；

a). 运行区域交点的计算。根据确定的给水泵运行范围四条拟合曲线，计算出交点的流量及扬程数据A（Q_A，H_A），B（Q_B，H_B），C（Q_C，H_C），D（Q_D，H_D）；

b). 运行状态点处理。对给水泵每一组运行参数，包括n、pi、ti、po、to、F，按照计算原理部分所述的方法，计算得到给水泵转速n、流量Q及扬程H；

c). 运行异常的判断逻辑。如下所示判断逻辑：

IF Q<Q_A，THEN>

ELSEIF Q<Q_B，THEN

IF H>=f₂(Q)>2(Q)为最小流量曲线的二次函数计算值）

ELSEIF H>=(n_min/n_d)²×f[Q×(n_d/n_min)]>

ELSE报警提示“运行扬程小于给水泵最小要求扬程！”

END IF

ELSEIF Q<Q_D，THEN

IF H>=(n_max/n_d)²×f[Q×(n_d/n_max)]>

ELSEIF H>=(n_min/n_d)²×f[Q×(n_d/n_min)]>

ELSE报警提示“运行扬程小于给水泵最小要求扬程！”

END IF

ELSEIF Q<Q_C，THEN

IF H>=(n_max/n_d)²×f[Q×(n_d/n_max)]>

ELSEIF H>=f₁(Q)>1(Q)为最大流量曲线的二次函数计算值）

ELSE报警提示“运行流量超出给水泵最大流量！”

END IF

ELSE 报警提示“运行流量超出给水泵最大流量！”

END IF

（5）、根据监测状态下的给水泵运行参数，修正至给水泵某一规定转速与正常状态曲线相比，如与正常状态曲线偏差超出一定程度，给出给水泵运行异常状态的报警提示。

a). 运行状态点处理

对给水泵每一组运行参数，包括n、pi、ti、po、to、F，按照计算原理部分所述的方法，计算得到给水泵运行状态点参数包括给水泵转速n、流量Q及扬程H；

b). 运行状态点参数修正至额定转速n_d：

修正至额定转速n_d的状态参数：

Q_c>d/n)

H_c>d/n)²

c). 运行异常的判断逻辑。如下所示判断逻辑：

IF H_c<f₃(Q_c)>3(Q_c)-H_c)/f₃(Q_c)]>=δTHEN（注：f₃(Q_c)为根据给水泵新投运后额定转速下的流量扬程多项式拟合函数计算得到的扬程值）

报警提示“给水泵扬程下降超出规定范围值！”

ELSE

提示“给水泵运行参数正常”

END IF

上式中，δ为扬程降低的允许规定值，可设定为0.1。

实施例1

步骤（1）、记录给水泵状态监测的运行参数见表1，具体包括：给水泵转速、给水泵进口压力、给水泵进口温度、给水泵出口压力、给水泵出口温度和给水泵进口流量。计算相应的流量及扬程参数。

给水泵在某稳定状态下的参数如下表。

参数符号单位数据给水泵转速nrpm4453给水泵进口压力piMPa1.942给水泵进口温度ti℃164.52给水泵出口压力poMPa18.386给水泵出口温度to℃167.85给水泵进口流量Ft/h975.34

根据上述运行参数，可以计算得到此转速下的给水泵流量及扬程为：

Q=1075.373 m3/h

H=1848.168 m

步骤（2）、根据给水泵设计流量-扬程曲线，确定给水泵正常运行区域的各边界的数值函数。

某机组给水泵的额定转速为4956 rpm，额定流量1318m3/h，额定扬程2145m。其设计流量-扬程曲线如附图2所示。

根据图中曲线，可以拟合得到额定转速4956 rpm下的如下多项式函数。

H=a+bQ+cQ²+dQ³

其中，多项式的系数分别为：

a = 3095.4545

b = -0.21454286

c = -0.00021393421

d = -6.1584506e-008

此给水泵的最大转速为5054 rpm，此时，给水泵的流量扬程曲线函数为：

(n_d/n_max)=4956/5054=0.9806；(n_max/n_d)=5054/4956=1.0198

H=[a+b(Q×0.9806)+c(Q×0.9806)²+d(Q×0.9806)³]>

其中，多项式的系数分别为：

a = 3095.4545

b = -0.21454286

c = -0.00021393421

d = -6.1584506e-008

此给水泵的最小转速为1517 rpm，此时，给水泵的流量扬程曲线函数为：

(n_d/n_min)=4956/1517=3.267；(n_min/n_d)=1517/4956=0.306

H=[a+b(Q×3.267)+c(Q×3.267)²+d(Q×3.267)³]>

其中，多项式的系数分别为：

a = 3095.4545

b = -0.21454286

c = -0.00021393421

d = -6.1584506e-008

给水泵运行最大流量为1.2倍额定流量，即1581.6m3/h。此时按照额定转速下的流量扬程拟合公式，可以计算得到对应的扬程为1978.15m。因此最大流量曲线的函数为：

H=(1978.15/1581.6²)Q²=7.914×10^-4Q²

给水泵运行最小流量为0.25倍额定流量，即329.5m3/h。此时按照额定转速下的流量扬程拟合公式，可以计算得到对应的扬程为2999.33m。因此最小流量曲线的函数为：

H=(2999.33/329.5²)Q²=2.763×10^-2Q²

步骤（3）、收集给水泵新投运正常状态的运行数据，经修正后拟合出给水泵某一规定转速下的流量-扬程性能曲线；

将收集数据计算并修正至额定转速下后得到的流量、扬程数据如下表所示：

流量扬程450281460027517502658900257510502442120023391350216115002003

拟合得到的多项式公式为：

H=a+bQ+cQ²+dQ³

其中，多项式的系数分别为：

a = 2938.45

b = -0.16788

c = -0.00021393

d = -6.15845e-008

步骤（4）、根据监测状态下的给水泵运行参数，判断给水泵是否在正常运行区域内工作。如否，给出运行异常状态的报警提示；

根据步骤(2)中确定的给水泵四条运行边界曲线，可以确定出相应的四个交点（交点横坐标为流量，m3/h；纵坐标为扬程，m）为：

交点A参数，（100.85，281.03）

交点B参数，（336，3119.3）

交点C参数，（1612.3，2057.25）

交点D参数，（484，185.39）

运行异常判断：

步骤（1）获得的给水泵正常运行流量为1075.373 m3/h，且有Q_D<1075.373<Q_C，在此状态下：

对应1075.373m3/h流量时的最大转速流量扬程曲线拟合公式计算得到的扬程为2661.473m，对应1075.373m3/h流量时的最大流量二次曲线函数计算得到的扬程为915.196m，因为915.196<1848.168<2661.473，因此状态判断结果为“给水泵运行参数正常”。

步骤（5）、根据监测状态下的给水泵运行参数，修正至给水泵某一规定转速与正常状态曲线相比，如与正常状态曲线偏差超出一定程度，给出给水泵运行异常状态的报警提示。

根据步骤（1）计算的流量及扬程，修正至额定转速4956rpm时的给水泵流量及扬程为：

Q=1196.844 m3/h

H=2289.278 m

根据步骤（3）获得的给水泵新投运后额定转速下的流量扬程多项式拟合函数，计算得到对应1196.844 m3/h流量下的扬程值为2325.496m。

由于2289.278<2325.496，且（2325.496-2289.278）/2325.496=0.0156<0.1，因此状态判断结果为“给水泵运行参数正常”。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。