一种火电站水泵实时在线汽蚀监测预警系统及方法技术方案

一种火电站水泵实时在线汽蚀监测预警系统及方法，该系统包括与电站DCS控制系统相连的外部监测单元、监测目标水泵、管道流量传感器、泵上游温度传感器和泵上游压力传感器；外部监测单元与电站DCS控制系统之间通过常规电站DCS支持的标准工业MODBUS串口进行双向通讯，接收来自电站DCS控制系统发来的管道流量传感器、泵上游温度传感器和泵上游压力传感器的测量信号，并将泵汽蚀校核结果发送给电站DCS控制系统，利用电站DCS控制系统内置的报警和提示模块即可发出提示和报警，提示运行人员；本发明专利技术对提高火电厂的设备管理水平，延长关键设备寿命，降低维护维修成本都具有重要的意义。

【技术实现步骤摘要】
一种火电站水泵实时在线汽蚀监测预警系统及方法
本专利技术涉及火电站自动控制
，具体涉及一种火电站水泵实时在线汽蚀监测预警系统及方法。
技术介绍
水泵是最常见的工业设备之一，广泛应用于各种生产工艺过程中，提高液体工质压力，应用范围十分广泛。汽蚀(汽蚀)是水泵损坏的主要因素之一，也是系统设计阶段进行水泵选型必须校核的一项内容。水泵在工作时从入口吸入低压液体工质，并经泵叶片做功提高液体压力后，从泵出口送出高压液体。在泵的吸入端，泵会通过泵叶片的运动和特殊的流道几何形状形成较低的低压区，从而使液体能源源不断被泵吸入。这形成一些局部低压区，如局部低压低于液体工质的当地饱和压力，则液体工质会瞬间气化并产生气泡，当工质受泵叶片作用，压力得以大幅提高后，在高压环境的作用下，气泡瞬间又破灭，造成极大的冲击，产生高能噪音和振动，甚至造成泵叶片的损坏。火电站是经典的大型复杂工业系统，以水为循环工质，工艺过程中依赖工质水的蒸发、冷凝相变过程，需多次升压降压过程，其中凝结水泵、给水前置泵、锅炉启动循环泵、低加疏水泵等关键设备入口工质水的参数都接近饱和状态，极易在泵的吸入过程中穿越饱和压力线而面临汽蚀问题。尽管在泵的设计过程中都进行了汽蚀校核，通过低位布置，利用液位差产生的额外压升保证了额定工况下，设备避免汽蚀的风险，但根据电网的特性，火电站需频繁根据电网负荷需求调整工况以满足供电和用电的平衡，因此无法避免启停和负荷调整过程中频繁变化的系统工况与额定工况的偏离，这也是根本上无法避免泵的汽蚀损坏的原因。现有技术针对泵汽蚀问题主要采用两类技术，第一类属于结构改进技术，通过各种泵体和叶片结构的改进缓解甚至消除汽蚀产生的破坏，第二类属于选型布置校核，设计人员根据泵的设计工作条件和泵厂家提供的相关资料，校核每一个泵是否在设计工况下具备足够的汽蚀安全裕度，从而进行泵的布置设计和选型。通过泵的低位布置，大部分情况下都可以保证泵在额定设计工况下避免汽蚀的发生，但实际工作过程中，常常出现运行工况的变化，导致实际运行工况超出了校核计算的范围，从而威胁到泵的寿命和安全，但对于运行人员来说，没有任何可供监测水泵汽蚀风险的技术手段或方法。电站设计阶段对于泵进行汽蚀安全的校核及布置设计是电站设计必须进行的一项工作，一般根据泵厂家提供的相关参数，校核设计工况下泵的汽蚀余量是否满足相关标准的要求。但泵的设计选型首要考虑的是泵在流程工艺中的功能性需求，如何选型使泵可满足最大流量和最高扬程的需求，这也导致了泵的选型校核采用的工况也基本是额定流量和压力工况附近，基本不会对部分负荷或启停工况进行相关气蚀校核计算，这也导致泵在实际工作过程中常常难以避免地在变工况和启停过程中面临汽蚀风险，但这一切对于运行人员来说没有任何手段和信息可供参考，只有在检修时对泵进行拆解发现破损或只能依赖加强人工对泵的噪音与振动进行定期巡检，但后者极低的频次基本无法捕捉启停或变工况动态过程较短的汽蚀发生过程，但哪怕是瞬间的汽蚀也会对设备造成难以估量的破坏，这导致电站系统内泵的汽蚀破坏仍是其主要的失效原因。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种火电站水泵实时在线汽蚀监测预警系统及方法，对提高火电厂的设备管理水平，延长关键设备寿命，降低维护维修成本都具有重要的意义。为达到以上目的，本专利技术采用如下技术方案：一种火电站水泵实时在线汽蚀监测预警系统，包括与电站DCS控制系统8相连的外部监测单元9、监测目标水泵6、管道流量传感器2、泵上游温度传感器3和泵上游压力传感器4；所述泵上游温度传感器3和泵上游压力传感器4为监测目标水泵6所在管路上游距离监测目标水泵6最近的压力和温度测量传感器；监测目标水泵6与上游压力传感器4之间的管道和管路元件构成上游管段5；外部监测单元9与电站DCS控制系统8之间通过常规电站DCS支持的标准工业MODBUS串口进行双向通讯，接收来自电站DCS控制系统8发来的管道流量传感器2、泵上游温度传感器3和泵上游压力传感器4的测量信号，并将泵汽蚀校核结果发送给电站DCS控制系统8，利用电站DCS控制系统8内置的报警和提示模块即可发出提示和报警，提示运行人员。所述管道流量传感器2位于监测目标水泵6的上游管道1或下游管道7上，只需保证所测流量等于或近似等于通过目标水泵6的流量。所述外部监测单元9选择配有各自操作系统且支持工业标准MODBUB串口通讯的可编程控制器PLC、工业控制计算机、微型计算机或服务器。上述所述火电站水泵实时在线汽蚀监测预警系统的实时在线汽蚀监测预警方法，泵在选型设计时都需要进行汽蚀校核，泵选型需满足条件：NPSHa≥NPSHr(1)式中，NPSHr——允许汽蚀余量，由泵厂家提供，单位：m；NPSHa——有效汽蚀余量，单位：m；根据有效汽蚀余量NPSHa的定义，利用泵入口压力来进行计算：式中，ρ——工质液体密度g——重力加速度pin——泵入口压力pr——工质当地饱和压力因此，不会发生汽蚀的充分条件为取汽蚀风险系数λ这样λ≤1为阀门不发生汽蚀的充分条件，也即，当λ＞1时开始有发生汽蚀的风险，根据汽蚀原理，泵前压力越低，则发生汽蚀的几率越高，发生汽蚀后，泵前压力越低，则汽蚀损害越严重，因此，用汽蚀风险系数的数值来判断汽蚀的发生和发生汽蚀后的程度；所述汽蚀风险系数λ，实时根据系统各传感器的测量结果计算汽蚀风险系数的数值，当汽蚀风险系数λ大于1时，即向系统进行报警提示，运行人员根据提示进行相关的处置，而检修人员查阅每个调节阀汽蚀风险系数λ的历史数据，λ越大则表明该调节阀汽蚀风险较大，甚至造成汽蚀损坏，从而首次为工程人员提供所有调节阀的汽蚀风险及破坏程度的实时在线监测；其中监测目标水泵6入口压力pin一般是没有现场测点的，因此，根据系统内的管道流量传感器2、泵上游温度传感器3和泵上游压力传感器4进行计算，计算原理及方法如下：根据稳定流动伯努利方程：式中，p4——泵上游压力传感器4测量压力ρ——管道内液体密度g——重力加速度v4——泵上游压力传感器4测点位置管内平均流速vin——调节阀入口位置管内平均流速h4——泵上游压力传感器4测点位置距离调节阀中心的高度pfin——上游管段5的流动压降一般情况下，上游管段5的管道直径不发生变化，因此v4＝v8＝vin＝vout,式(5)变为pin＝p4+ρgh4-pfin(6)pfin参考水力设计手册进行计算，计算过程中所需平均流速根据管道流量传感器2的测量流量进行计算，所需温度根据泵上游温度传感器3的测量结果进行计算；以上对有效汽蚀余量的计算仅适用于平稳运行工况，因为在变工况和启停工况中，系统的流动是变化的，管道内流体流速的变化会产生惯性力，进而引起泵入口压力的动态变化，导致实际有效汽蚀余量的波动；按照刚性水锤原理计算泵入口压力的动态变化：式中，G——管道流量，由管道流量传感器2测量测量值经泵上游温度传感器3测量得到的温度修正后得到实际管道流量；Tw——刚性水锤惯性时间常数；ph——变工况引起的泵入口压力动态变化量；这样动态的泵入口压力计算公式如下：pin＝p4+ρgh4-pfin+ph(7)。从火电站系统内原有用于生产工艺监测与控制需要而安装的管道压力、流体温度、管道流量传感器中，按照本专利技术提出的系统构本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种火电站水泵实时在线汽蚀监测预警系统，其特征在于：包括与电站DCS控制系统(8)相连的外部监测单元(9)、监测目标水泵(6)、管道流量传感器(2)、泵上游温度传感器(3)和泵上游压力传感器(4)；所述泵上游温度传感器(3)和泵上游压力传感器(4)为监测目标水泵(6)所在管路上游距离监测目标水泵(6)最近的压力和温度测量传感器；监测目标水泵(6)与上游压力传感器(4)之间的管道和管路元件构成上游管段(5)；外部监测单元(9)与电站DCS控制系统(8)之间通过常规电站DCS支持的标准工业MODBUS串口进行双向通讯，接收来自电站DCS控制系统(8)发来的管道流量传感器(2)、泵上游温度传感器(3)和泵上游压力传感器(4)的测量信号，并将泵汽蚀校核结果发送给电站DCS控制系统(8)，利用电站DCS控制系统(8)内置的报警和提示模块即可发出提示和报警，提示运行人员。

【技术特征摘要】
1.一种火电站水泵实时在线汽蚀监测预警系统，其特征在于：包括与电站DCS控制系统(8)相连的外部监测单元(9)、监测目标水泵(6)、管道流量传感器(2)、泵上游温度传感器(3)和泵上游压力传感器(4)；所述泵上游温度传感器(3)和泵上游压力传感器(4)为监测目标水泵(6)所在管路上游距离监测目标水泵(6)最近的压力和温度测量传感器；监测目标水泵(6)与泵上游压力传感器(4)之间的管道和管路元件构成上游管段(5)；外部监测单元(9)与电站DCS控制系统(8)之间通过常规电站DCS支持的标准工业MODBUS串口进行双向通讯，接收来自电站DCS控制系统(8)发来的管道流量传感器(2)、泵上游温度传感器(3)和泵上游压力传感器(4)的测量信号，并将泵汽蚀校核结果发送给电站DCS控制系统(8)，利用电站DCS控制系统(8)内置的报警和提示模块即可发出提示和报警，提示运行人员。2.根据权利要求1所述的一种火电站水泵实时在线汽蚀监测预警系统，其特征在于：所述管道流量传感器(2)位于监测目标水泵(6)的上游管道(1)或下游管道(7)上，只需保证所测流量等于或近似等于通过目标水泵(6)的流量。3.根据权利要求1所述的一种火电站水泵实时在线汽蚀监测预警系统，其特征在于：所述外部监测单元(9)选择配有各自操作系统且支持工业标准MODBUB串口通讯的可编程控制器PLC、工业控制计算机、微型计算机或服务器。4.权利要求1所述火电站水泵实时在线汽蚀监测预警系统的实时在线汽蚀监测预警方法，其特征在于：泵在选型设计时都需要进行汽蚀校核，泵选型需满足条件：NPSHa≥NPSHr(1)式中，NPSHr——允许汽蚀余量，由泵厂家提供，单位：m；NPSHa——有效汽蚀余量，单位：m；根据有效汽蚀余量NPSHa的定义，利用泵入口压力来进行计算：式中，ρ——工质液体密度g——重力加速度pin——泵入口压力pr——工质当地饱和压力因此，不会发生汽蚀的充分条件为取汽蚀风险系数λ这样λ≤1...

【专利技术属性】
技术研发人员：高林，王春利，李晓博，高海东，胡博，刘茜，
申请(专利权)人：西安热工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61