基于神经网络的凝汽器真空应达值计算

第６期　王建国等．基于神经网络的凝汽器真空应达值计算　７５７　

基于神经网络的凝汽器真空应达值计算　

王建国　王国杰　

（东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林１３２０１２）　

摘要　汽轮机凝汽器实际运行属于变工况运行状态，且运行过程中有些参数不易测量，从而很难实现　常规公式法计算凝汽器的真空值。提出的汽轮机凝汽器真空应达值的计算方法，利用曲线拟合确定变　工况下机组负荷与汽轮机末级排汽量之间的关系，并用以计算凝汽器理论真空值，同时利用神经网络逼　近凝汽器理论真空值与实际运行时真空影响因素之间的非线性关系，从而建立凝汽器真空应达值模型，　为凝汽器真空在线监测奠定一定基础。　关键词　凝汽器　真空应达值神经网络　中图分类号ＴＨ４７　文献标识码　Ａ　文章编号　１０００—３９３２（２０１３）０６－０７５７－０５　

汽轮机凝汽器真空状态对汽轮机组运行的经　济性和安全性均有重大影响…，因此凝汽器真空　

状态的监测受到了设计和运行部门的普遍重视。　

在凝汽器运行过程中，运行人员希望了解凝汽器　

在当时汽轮机排汽量、冷却水温度、汽轮机排汽焓　

以及冷却水流量条件下凝汽器真空应达值，并将　

该应达值与凝汽器真空实测值进行对比，以便确　

定凝汽器真空状态是否正常，并找出引起真空降　

低的原因和部位，为故障的及时处理提供依据。　

目前，运行中凝汽器真空的应达值通常通过查取　

汽轮机制造厂提供的凝汽器特性曲线得到，或者　

是将真空应达值的理论计算公式编辑成软件嵌入　

到电厂监测系统中。但实际上，前一种方法只有　

在冷却水设计流量、汽轮机排汽焓均为设计值的　

条件下才能得到凝汽器在不同冷却水温度、不同　

汽轮机排汽量下的凝汽器真空应达值　。而实际　

运行中，凝汽器并不总是在冷却水流量为设计值　

的条件下运行。同时，由于汽轮机相对内效率的　

变化，汽轮机排汽焓也不能总保持为设计排汽焓。　

后一种方法则局限性很大，理论公式中涉及到很　

多参数，若其中一个参数未知或未能给出正确值　

就会导致真空应达值测量软件失效，不利于对凝　

汽器真空状态是否正常进行判断。为此，笔者针　

对凝汽器的实际运行特点，提出一种基于神经网　

络的凝汽器真空应达值的确定方法，为凝汽器真　

空在线监测奠定了基础。　１　凝汽器真空应达值的神经网络模型　

凝汽器中蒸汽与冷却水的热交换流动形式可　

近似地看成逆流图。汽轮机排汽进入凝汽器，在　

管柬的进口处蒸汽中空气的相对含量很小，凝汽　

器压力为Ｐ　时等于蒸汽的分压力Ｐ　，进口处的蒸　

汽温度等于凝汽器压力Ｐ　相对应的饱和温度　

ｔ　。忽略凝汽器的汽阻，凝汽器压力沿冷却面　

积不变，相对应的饱和温度也不变。蒸汽和冷却　

水的温度沿冷却面积的变化规律如图１所示　。　

温度　１　『　／ｒ　的　

．　１　Ｊ　１　Ａ　

图１　蒸汽和冷却水的温度沿冷却面积变化规律　

凝汽器内的蒸汽饱和压力由汽测蒸汽温度ｔ　

决定，即：　

ｔ。＝ｔ　ｌ＋△ｆ＋　（１）　式中ｔ　——冷却水入口温度，℃；　

△卜一冷却水在凝汽器中的温升，℃；　

——凝汽器的传热端差。　

收稿日期：２０１３－０４－２５（修改稿）

　７５８　化工自动化及仪表　第４Ｏ卷　

依据凝汽器热力平衡方程可得　：　

＝　ｈ　ｃ－ｈｔ　ｃＡｔ　＝　（２）　）　

式中　ｃ　——水的比压热容，在低温时一般取Ｃ　

：４．１８７ｋＪ／（ｋｇ・ｃＩ＝）；　

Ｄ　、Ｄ　——进入凝汽器的蒸汽量与冷却水量，　

ｋｇ／ｈ；　

ｈ　、ｈ　——蒸汽和凝结水的焓，ｋＪ／ｋｇ；　

（ｈ。一ｈ　）——１ｋｇ排汽凝结时放出的汽化潜热，　

在凝汽器排汽压力下，通常取　

（ｈ　一ｈ　。）＝２２００ｋＪ／ｋｇ　。　

因此凝汽器的温升为：　

＝　５２５一Ｄ　ｏＡｔ　（３）＝—　一　（）　

凝汽器的传热端差为：　

＝—　（４）　ｐ‘　

式中Ａ　——凝汽器冷却面积，ｍ　；　

Ｋ——凝汽器总体传热系数，ｗ／（ｍ　・ｏＣ）。　

在凝汽器运行中，Ｋ是影响＆的主要因素。　

增大，传热加强；　减小，真空升高。　

由经验公式得凝汽器压力值为：　

ｐｏ＝０．００９８１×（　）’　㈩　

由以上凝汽器理论知识可知，只要确定了凝　

汽器内饱和蒸汽温度，凝汽器压力即可确定　。　

由饱和蒸汽温度与循环水入口温度、凝汽器端差　

和循环水温升的对应关系可知，凝汽器压力与循　

环水入口温度、循环水流量、汽轮机末级排汽量以　

及凝汽器总体传热系数也有一定的对应关系。凝　

汽器运行中用到的循环水泵若是恒速泵，在未改　

变阀门开度时循环水流量基本不变，凝汽器的总　

体传热系数在短时间内变化非常小，所以在凝汽　

器运行中认为对当前的真空应达值影响很小，而　

且从前面对总体传热系数的计算可以看出汽轮机　

的负荷对其有一定的影响。所以只要找到凝汽器　

压力与循环水人Ｉ：１温度、循环水流量、汽轮机负荷　

的关系即可，如下式：　

Ｐ。－－ｆ（ｔ　ｌ，Ｄ　，Ｄ　）　（６）　

由于凝汽器压力与循环水人口温度、循环水流　量、汽轮机负荷存在非线性关系，而ＢＰ神经网络的　

非线性函数逼近能力较强…，所以利用一个３层的　

ＢＰ神经网络来表达上述关系式，如图２所示。　

Ｘ１　Ｘ２　

Ｘｎ　输入层　隐含层　输出层　

图２神经网络模型　

根据以上对影响凝汽器真空相关因素的分　

析，选取循环水流量及人口温度、汽轮机末级排汽　

量、循环水量作为网络的输入，由理论计算得到的　

凝汽器真空值作为网络输出，建立凝汽器真空应　

达值模型。在电厂运行中，作为冷却介质的循环　

水供给大多是通过恒速泵进行的，当在某一机泵　

运行方式下循环水流量基本不变，所以只需建立　

在这一循环水流量下凝汽器压力与循环水温度和　

汽轮机排气量的关系即可，而汽轮机排气量大多　

以负荷分配率表示。　

２　凝汽器真空应达值模型仿真验证　

２．１　真空应达值神经网络模型训练样本确定　

该模型中输人参数为凝汽器循环冷却水入口　

水温、循环水流量和汽轮机负荷分配率，而输出是　

理论公式（６）计算得到的真空值，在该公式中若　

确定凝汽器饱和蒸汽温度，应先确定汽轮机排气　

量和凝汽器的传热系数。　

２．１．１　汽轮机排汽量的确定　

汽轮机的广义排汽量为汽轮机低压缸排汽量和　

小汽轮机排汽量之和。因目前火电机组汽轮机广义　

排汽量都无法直接测量，根据汽轮机制造厂家提供　

的一些典型工况来拟合出汽轮机广义排汽量与机组　

负荷的曲线或根据弗留格尔公式计算　。　

吉林某电厂机组正常运行时，各种喷水不投　

入运行，可认为进入凝汽器的蒸汽量为汽轮机低　

压缸排汽量和小汽轮机排汽量之和。根据该电厂　

提供的热平衡图中各典型工况下汽轮机低压缸的　

排汽量和小汽机的排汽量（表１），可以拟合出汽　

轮机广义排汽量与负荷之间的关系，拟合曲线如　

图３、４所示。

　第６期　王建国等．基于神经网络的凝汽器真空应达值计算　７５９　

表１　３３０ＭＷ机组各典型工况下的基本参数　

７００　

４０　

图３　

嘲　机组负荷／ＭＷ　

定压运行时低压缸排汽量与负荷的关系　

４０　３５　３Ｏ　２５　２Ｏ　１５　ｌＯ　５　Ｏ　

机组负荷ＩＭＷ　

图４　定压运行时小汽机排汽量与负荷的关系　由以上的关系式可知，机组定压运行时：　

Ｄ　＝１．６５７５Ｐ＋４１．８４＋１０一　Ｐ　一０．０００３Ｐ　＋　０．０３６４Ｐ＋１８．６３９　＝１０一　Ｐ　一０．０００３Ｐ　＋１．６９３９Ｐ＋６０．４５３　（７）　式中Ｄ　——汽轮机广义排汽量；　

Ｐ——机组当前负荷。　

２．１．２凝汽器传热系数的确定　目前，凝汽器总传热系数计算方法有美国传　热学会（ＨＥＩ）公式、英国电气机械协会公式、别尔　

曼公式和分部计算式４种经验公式，应用最为广　

泛的是美国传热学会（ＨＥＩ）公式。美国传热学会　《表面式蒸汽凝汽器规程》（ＨＥＩ．１９９５）规定，总体　传热系数设计按下式计算：　Ｋ＝Ｋｏ／３　卢　卢　（８）　式中　Ｋ——总体传热系数，ｗ／（ｍ　・℃）；　

Ｋ　基本传热系数，ｗ／（ｍ　・℃），可查　表或者查图取得；　

——冷凝管清洁系数，参照表２；　

。　＿一管材和管壁厚修正系数，按表３取　

值；　卢　——冷却水入Ｅｌ温度修正系数，从冷却　水进口温度对传热系数的修正图中　

得到。　

表２冷凝管清洁系数　

项　目　ｐ　直流供水和清洁水　

循环供水和化学处理的水　

脏污水和可能形成矿物沉淀的水　新管　

具有连续清洗的凝汽器　钛冷凝管　０．８Ｏ一０．８５　

Ｏ．７５～０．８Ｏ　

Ｏ．６５一ｏ．７５　Ｏ．８０～Ｏ．８５　

０．８５　Ｏ．９Ｏ　

表３　管材和管壁厚修正系数　

管材料　卢　铜管　

铜镍合金管　

不锈钢管　１．０Ｏ　

０．９５　

Ｏ．８５　

根据各个参数的实时修正系数，即可计算出　

该时刻总体传热系数的应达值。　２．２真空应达值神经网络模型仿真验证　

选取汽轮机凝汽器循环水流量为５　７１２ｔ／ｈ的　时候，循环水人口温度ｔ　和汽轮机负荷分配率　

作为网络输入，由理论计算得到的真空值作为网　络输出，采用三层网络结构，输入层和输出层分别　为３个节点和１个节点，训练样本选取１２６组，测　

试样本选取５４组，经过多次训练实验发现选用５　个隐节点时网络训练速度比较快。选用ＢＰ神经　

网络来训练，并对训练结果进行分析，当训练误差　要求达到１０　时，即使增加网络训练步数也难以　达到预设精度；当训练误差要求达到１０“时，网　

络能够达到训练精度，图５～８为ＢＰ网络的训练　结果。