以需要为导向的汽轮机循环模拟工具箱的开发(328).docx

以需要为导向的汽轮机循环模拟工具箱的开发概要：我们把一个以水为介质发电的机械过程称为汽轮机循环或朗肯循环。由于汽轮机循环适用于大型连续的过程，它被应用到化石燃料电厂或核电厂。为了检测汽轮机循环的性能水平，我们必须根据权威机构提供的性能测试标准（PTCs）开展性能测试。然而研究者发现在实际电厂中实施这一标准是非常困难的。问题主要存在于信号可靠性和PTCs的前提条件。克服这些缺点的努力已经开始，而且一些商业应用方案也已经被开发。这些方案包括带有信号验证技术的通用模拟标准。尽管有这些成就，性能测试工程师还是困扰于他们先前的性能分析工作和新的性能分析工具存在的巨大差距。下面这项研究提出了以需要为导向的汽轮机模拟工具箱，它是应用了信号验证技术的另外一个通用模拟标准。这种信号验证技术是基于多元统计的。这个工具箱通过满足性能测试工程师实际特定的需求来消除前面所说到的巨大差距。开发形成的模拟标准的准确性可以和其他商业汽轮机循环模拟标准验证满足。关键词：多元统计 性能测试标准，模拟 汽轮机循环介绍以水为工作介质的汽轮机循环发明于100多年前。我们把这一系统称为朗肯循环。由于汽轮机循环适用于大型连续的过程，它被应用到化石燃料电厂或核电厂。现在汽轮机循环的总体结构和操作已经标准化。但是汽轮机循环的性能测试还有很多可以改进的地方。性能测试的目的是检测汽轮机的性能水平。它能应用在循环水平和局部水平上。在循环水平性能测试中电功输出和热耗率被分析。在局部水平性能测试中，根据局部的类型不同的性能参数被计算分析。一般的，性能测试和分析都遵照美国机械工程师协会（ASME）的性能测试标准（PTCs）进行。通常，性能测试标准提供：1）信号采集方法，2）性能参数计算方法，和3）和设计性能参数的比较方法。但是，通过和性能工程师的访问研究者了解到要遵照性能测试标准太难了。问题存在于硬件和软件中。在透平机循环中，往往在实际运行中设置最小数目的感应器。但从性能测试观点来看这些感应器是不够的。和锅炉或原子反应堆相比，透平机循环设备的重要性某种程度上被忽略了。信号可靠性是另外一个问题，它也和感应器的数量不足有关。尽管感应器不够，但是至少100或200个被设置在循环中。当性能测试进行时，不可能检验准确性和校正每一个感受器。由于感应器的数量不够，我们不可能进行信号交叉检验，也不可能有参考频段。对感应器准确性的怀疑降低了整个性能分析过程的准确性。我们可以通过一个非常具有代表性的例子来理解这个问题，给水流量计的错误现象。除了硬件问题，还有软件问题。首先就是性能测试标准本身。性能测试标准里的前提条件是使性能测试变得困难的主要原因。在性能测试进行之前必须满足这些条件。这些前提条件一般包括锅炉或蒸汽产生器的状态，阀门的线性和整体系统或局部的稳定性，也就是说性能测试标准要求和设计状态相似的状态。为了达到这些前提条件，性能工程师和电厂运行人员应该在测试进行中注意电厂的控制。为了使性能测试更简单，研究者和商业开发者提供了许多方法。实验室的产品主要关注于方法的改进。在Ogilvie2 和Prasa3的研究中，他们提出了透平机循环模拟模型和新的状态监测技术，而非按照美国机械工程师协会的性能测试标准。透平机循环模型是通过各种分析方法得出的，比如物理方法或启发式方法，如神经网络法。如果发现运行参数和设计参数存在着偏离，那这一运行状态实际就暗示你应该调整测点。消耗能量的测试方法同样要引起注意因为考虑到规范指导和性能测试标准这个系统可以提示你实际运行应该选择的选项。从以前的研究可以看出，性能测试最新趋势是在线监测和透平机循环模型的结合。现在有很多商业产品，比如“EfficiencyMap”和“PMAX”。两者都有在线监测能力，并且都拥有透平机模拟模型。它们还提供了信号验证方法和运行意见来使热效率最大化。这些方法基于数据分析，而不是工业应用中的启发式技术。但是由于他们先前的性能分析工作和新的性能分析工具存在的巨大差距性能工程师还是在犹豫是否应该用这些方案。那就是一个软件问题了。性能工程师希望有一个工具来帮助他们工作，又不想仅仅为了这一工具而改变他们原先的工作。本文的研究会阐述一个以需要为导向方法来解决这些硬件和软件问题。这一工具包括基于统计回归的信号验证方法和模拟任意透平机循环的电厂模型。而且，本文还提供了满足工程师特定需求的方法。背景数学理论A 背景和要求作者调查了在电厂中进行性能测试的现状。和汽轮机循环性能测试相关的内容在性能测试标准的6，6.1和6S。ASME PTC 6主要用于全面的性能测试，6S是PTC6的简化版本。PTC6s仅仅关注于对电功率和热耗率的不定时检测。PTC6.1针对于半全面的性能测试。PTC6保证了性能测试的准确性，但是由于它的复杂性很少有电厂能实施这一标准。性能测试工程师是根据透平机循环供应商提供的流程来开展他们的工作的。这是因为性能工程师想要比较性能测试结果和设计试验结果。性能工程师经常把设计性能试验结果作为基线数据。当然，供应商的性能测试流程也是基于ASME PTCs的，但是由于供应商往往加了某些特定细节来反映他的产品特征和感应器性能。而且供应商流程的水平在定时检测的性能测试循环中显得太简单了，所以当要求变的严格时性能工程师并不能满足。为了帮助性能工程师更好的实施ASME PTCs一些性能专家组提出了新的方案。这些方案通过信号验证技术提高了信号可靠性，并通过利用通用模拟标准消除了上文提到的前提条件。所以这些方案能达到ASME PTCs的水平。然而作者发现性能工程师在使用这些方案时显得非常不方便，因为新的方案和他们之前的工作存在着巨大的差距。性能工程师想要利用一个比较简单的性能分析工具，使当前的分析工作和原来基本一致。在这个背景之上，作者提出了在开发性能分析工具开发时的一些要求。1. 通用透平机循环模型：尽管透平机结构和化石燃料还是原子能量无关，但是不是所有的电厂都是完全一样的。从软件的重复利用性看，一个有以目的为导向概念的透平机循环模型更有用。通用透平机循环模型是这样一个模型。它使任意形式的透平机循环的建模变得可能。对建模的范围来讲，透平机循环里所有部分，如透平机本体，给水加热器，再热器，冷凝器或泵都可以作为一个独立成分来建模。必须提供构建不同成分间的管路网络模型的方法。2. 透平机循环模拟能力：透平机循环模拟是为了减少ASME PTCs的前提条件。利用给定的边界条件，模拟就可以进行。边界条件指主要的控制参数和影响透平机循环性能的环境状况。边界条件是由用户输入的。为了模拟任意形式的透平机循环，必须利用局部为基础的模拟。局部模拟根据计算阶次最初产生了数学计算知道满足收敛。计算阶次可由分析管路网络后提出。3. 性能分析工作包括供应商的测试流程：ASME PTC和供应商性能测试流程最大的不同在于为了比较性能分析结果所作的修正方法。因为在性能测试中电厂状态和环境状态往往和设计状态不同，直接比较运行性能参数和设计性能参数是毫无意义的。修正使得设计性能参数和运行性能参数的比较变得有意义。原始的ASME PTC6根据质能守恒原理提出了修正方法5，但是供应商的性能分析流程提出了自己的修正方法。基于质能守恒原理的修正方法复杂但是准确，供应商的方法容易实施但是不那么准确。但是在电厂中使用供应商的修正方法已经成为主流。4. 错误信号的监测和评估：尽管我们开发了一个有用的性能分析工具，但是如果它的输入信号不可靠的话，工具就会没用。错误信号监测和评估称为信号验证。在这一研究中，错误信号是指从出错的或降级的感应器中收集到的信号。错误信号被认为是太低以至于不能用作性能分析的信号。开发者应该应用简单清楚的信号验证方法，以使性能工程师能够理解基本概念和信号验证方法可能会出现的偏差。否则，性能工程师会对使用这种工具持怀疑态度。这些从许多实验室研究中得出的信号验证方法有一个启发式的概念。启发式的方法有常见的优势，分析更加坚实，但是它很难表现它的性能和不确定性。B 信号验证信号验证的主要作用是错误信号的监测和评价。Fig.1表示了典型的信号验证过程，这一过程是由Hashemian开展的。信号验证的核心是用两种以上的方法测量或评价同一个信号，并且比较结果。Hashemian提出了三种信号验证的方法。如果我们用两个以上的感应器来测量一个量，我们可以选择“多余信号”。如果我们对一个目标系统已经有了模型并测量了它的相关状况参数，我们就可以选择“多样化信号”。最后，如果我们知道了信号的参考价值，它可能就是另外一个信号验证选项。如果发现以上选项结果存在巨大偏离，信号就认为是错误的。然而能用到Hashemian信号验证的透平机循环的方法是有限的，因为感应器的数量和类型不够。首先，我们不可能得到多余信号，除非某些重要的透平机循环参数。而且，没有一个参考频段来比较测量的信号。我们唯一的选择就是利用透平机循环模型和不同的信号来源。在这一研究中，作者应用了基于物理模型和经验模型的信号验证方法。事实上，许多研究者已经对这类问题进行了研究。其中一个典型的代表就是Lo的状态评估和错误数据监测技术7,8。他们的方法是基于这样一个事实，尽管存在一些严重的错误，但是绝大部分的测量还是相当准确的。他们发明了一个实用的方法，损失二次功能，它能对错误数据进行过滤。尽管研究没有完全对应透平机循环问题，但是Dorr的状态评估法有相似的概念9。Hines的信号验证法，基于启发式方法，比如模糊和遗传算法（GA）也是一种选择10。也有一些研究是基于创新监测技术的。Kourti的数据进程表11或Akbaryan的状态识别和主要部件分析法为重新定义信号或过程紊乱提出了新参数。然而，尽管有各种各样的先进的信号验证方法，研究者必须考虑到这项研究是和工业应用发展相联系的。因此，研究者们决定改进应用在传统电厂软件中的信号验证方法13并且重新使用。改进的信号验证方法由信号改进的信号预处理和利用回归技术的信号评价组成。我们强化了信号预处理而且增强了信号评价方法的坚实性。数据预处理属于Fig.1中的“数据条件”阶段，并且由经过选择的均值信号和热力动态检测组成。排除了不在特定数据分布范围内的信号之后，经选择均值平均了信号。一般情况下，性能测试是在稳态下进行的。也就是说，所有的信号不会而且也不应该在测试阶段剧烈变动。从数学上讲，我们把它称为“信号严格和标准的偏离，都处于某个置信区间”。我们假设一个从性能测试中得到的信号为（1） （1）N为观察数。利用基础的统计理论，我们利用置信区间的方法（2）m 总平均k 根据置信水平的恒值 样本平均 样本偏差我们把在置信区间以外的信号称为异常值，并且只对置信区间内的数据进行平均。一般的，我们采用95%的置信水平，但是针对几个重要的参数我们可以设立不同的置信水平。这取决于性能工程师的决定。热力状态监测是信号预处理中的一个步骤，但它也和Fig.1中的“物理建模”相关。一般地，我们知道透平机循环中大多数位置工作流体的状态，无论是过冷液体，饱和液体还是过热蒸汽。如果压力和温度实在同一位置测量的，我们就能利用蒸汽性质表进行温度感受器和压力感受器的交叉验证。热力状况监测方法是根据以下简单准则进行的。1. 如果在过冷/过热工作流体位置测量温度和压力，而根据热力性质表流体不在过冷或过热区域，那么温度和压力感受器就被认为存在故障。2. 如果在饱和工作流体位置测量温度和压力，而根据热力性质表流体不在饱和区域，那么温度和压力感受器就被认为存在故障。在信号预处理之后，那些没有被认为出错的信号被认为是好的信号。好的信号能够进入信号评价阶段。在这一研究中，信号评价是依据Fig.1中的“经验模型”的。经验模型是一种黑箱模型，我们并不需要了解信号评价系统确切的物理步骤。这一特征使用户和性能分析工具开发者的工作更加方便。然而，并不是所有的信号都是信号分析的目标。用户可以通过性能分析工具的交互界面，选择那些对性能分析有重要影响的信号作为目标信号。为了建立一个利用不同感受器信号的经验模型，我们要确认它们之间的关系。关系分析中使用的信号来自正常状态和退化状态。然而这样的信号采集在实际电厂中不能实行，因为我们不可能为此故意使系统退化。这一研究利用了改进的性能分析工具产生的模拟结果，而经验模型是通过关系矩阵和线性回归得到的。下面我们展开（1）中试样信号的概念到普通集U （3）P为信号数我们可以利用（4），（5）（6）计算两个信号之间的相关系数。 （4） （5） （6）根据相关系数的物理意义，rij 代表系统所有状态之间的关系。rij 的大小和相关性成正比。在这一研究中，数学相关性由多元线性回归表示（7） （7） 为非独立或反映变量Xi 为独立或说明变量I 为Xi的回归相关系数我们不需要为了说明变量利用所有的信号创造相关。考虑到计算能力，我们应该减少说明变量。最佳参数的选择是基于相关系数的。为了提高得到相关性的可能，一个两个或三个信号被选择为说明变量，调整的R2Ra2 作为选择的标准。Ra2 被定义为（8） （8）其中 修正的平方和 误差平方和为了增强信号分析过程的准确性，作者根据值做了以下两个等式。如果最佳评价方程的说明变量里有错误信号，这个方程就应该被下一个最佳方程取代。因此，我们对一个信号提供了9个方程。有意义的说明变量和回归相关系数i的选择是通过IMSL标准14的最低阶方程解进行的，这一标准被镶嵌在了性能分析工具中。因为基于统计回归的经验模型容易建立而且过程明晰，所以分析某些重要信号非常有效，如给水流量，蒸汽压力和凝汽器压力。然而，利用统计回归的评价对外界的变化却是非常敏感的，因此信号预处理应该超越经验模型。C 透平机循环模拟透平机循环模拟的目的是为了减少性能测试的前提条件。这一方法和ASME PTC6的修正方法概念相似，但是透平机循环模拟能提供以下两个重要图表。1. 可得到的热量平衡图表：在这一模拟中，每一成分的设计性能参数和运行边界条件被输入。也就是说热量平衡图表会提供可以得到在当前运行状况下最大的电能输出。这和ASME PTC6的修正方法相似，但是我们不用考虑前提条件，如阀门分布，补水流量，防空流量，出口、锅炉或蒸汽产生器的状态，或凝汽器的背压。2. 运行背压平衡图表：它提供了热力平衡图表，提供了给定运行边界条件下的透平机循环状态和运行性能参数。运行热量平衡图表也给出了各种性能参数，包括只能由总热量平衡才能得到的一些参数。而且，这也被用到信号验证中，因为流量状态的情况如压力，温度，焓和流量都是在透平机循环中才能计算的。关于电厂模拟模型的研究在世界范围内广泛展开。在Lu的研究15和Carcasci的研究16中,我们不难发现透平机循环模型的想法。因为这一研究关注透平机循环，并且透平机表现是最重要的模型，作者为了了解透平机建模的细节参考了Cotton的方法17和其他一些关于整体结构的研究。透平机循环模拟的根本准则是稳定状态的质能平衡方程，如（9）和（10） （9） （10）其中 质量流量h 焓in 成分的一个进口out 成分的一个出口，数据计算中的误差（9）和（10）适用于每个成分的初始步骤，直到，趋于收敛。成分的计算顺序表是通过分析所有成分的关系得到的。分析通过下一部分中描述的透平机循环建模进行。如果一个成分的一些进口流体状况给出了，出口流体状态就可以根据进口流体状态和性能参数得到。计算得到的出口流体状态又可以作为下一成分的进口流体状态。根据热力特征和性能参数所有成分被分成8组。表表示了成分建模方法概括。每一组根据细节特征不同再分为若干子小组。实际存在的成分被分到“物理组”，只在模型模拟中的抽象成分被分到“逻辑组”。除了质能平衡方程外的建模方法被分到表的最后一栏。所有的成分都用“表1，管道”连接。“第8组，输入/输出”成为成分的开头和结尾。透平机模拟在三中状态下实施。第一种状态是数据产生的过程，主要为了数据评价建立经验模型，这在上文已经提及。第二种状态是透平机循环模拟在没有人为操作下间断地进行。在这种情况下，它的性能参数计算功能间断地进行并且计算了运行是的性能参数，这个功能将在下文中讲述。运行边界条件和计算参数输入到透平机循环模型中，然后透平机循环模型会作出运行热力平衡图表。这称为间断状态。最后的状态称为“要求状态”，它就是按照用户的要求进行的。用户可以输入他们自己的边界条件和性能参数。在要求状态下，用户可以画出热力平衡图表或者“如果-那么”分析。D. 性能参数计算功能这一功能支持画出运行热力平衡图表。为了得到运行热力平衡图表，我们应该输入每个成分的合适运行性能参数。一些参数能够很简单地由人工计算，但是绝大多数的性能参数计算都是烦人和复杂的。这一功能就使性能参数计算变得非常简单。信号获得，信号验证性能参数计算和运行热力平衡表格的关系如表2. 用户可以输入任意性能参数来得到运行热力平衡图表，同时要关闭性能参数计算功能。这是“性能参数计算2”选项，它和要求状态的执行也有关系。为了分析特定状态下的效果，如设计状态，这一功能或许就会有用。然而，从一个电厂中得到的信号往往不经过信号验证而直接输入到“性能参数计算1”选项中。在这一步骤中，关于画运行热力平衡所有必要的性能参数都被计算。如果性能工程师计划进行修正过程使他们的工作具有连续性，那么他们可以插入修正曲线到编辑窗口中，这也是性能参数计算功能的一部分。因为修正曲线由透平机循环供应商提供，所以曲线的形状不同。有时，性能工程师开发的的修正曲线也会用到。因此，修正曲线的编辑功能对性能参数计算功能来使是独立的。. 执行和展示为了执行整体方案，作者开发了以需求为目的的性能分析系统，性能分析工具箱（PAT）。PAT被开发用来满足工业需求，作者通过访谈和调查收集了性能工程师的要求和需要。最后，作者发现这些需求可以通过实施第章中讲的功能需求来满足。PAT整体结构在图3中。PAT主要由两部分组成-透平机循环模型和执行模块-每一部分都有其重要作用来满足提出的需求。A. 透平机循环建模和执行模块作为PAT主要模块之一，透平机循环模型提供了透平机循环建模功能和感应器信息编辑功能。透平机循环模型和PAT执行模块不同。图4展示了透平机循环模型，来自于Younggwang核电站单元机组3和4。透平机循环模型提供了表示电厂中不同元件的符号，如表所示。在表4的左边有元件符号，而透平机循环模型画在这些符号的右边。而且这些元件之间的逻辑和物理管道也被展示。在表4的中间，我们可以看到一个用来编辑感应器信息的对话框。利用这一对话框，用户可以输入感受器在电站监测系统（PMS）中的信息，描述，单元，和感应器是否是信号验证的目标等内容。我们也可以为信号预处理输入置信水平。在间断状态信号由PMS传输到执行模块。关于这些信号的性能参数计算和热量平衡图表绘制就会连续进行。对于需要信号验证的感应器，关于（7）的一系列过程会在执行模块的初始阶段进行。PAT的执行模块如图5。在左边，有一些从间断状态或要求状态收集的数据集。数据集包括感应器的信息和感应器所测的数据。对话框根据成分的类型不同而改变。如果输入性能参数到这一对话框中，执行模块就会根据这些数值作出热量平衡图表。或者执行模块会利用输入的信号计算性能参数，然后作出热量平衡图表。为了验证实行的汽轮机循环模拟算法，作者用商业透平机循环模拟工具对PAT产生的透平机循环做了标样。作为参考标样工具，我们选择了电厂系统效率性能评估系统（PEPSE）24。所有的透平机循环模拟工具都会有基础的算法来计算通常汽轮机的表现和某些细节调和技术来使适应每个透平机供应商特有的表现。在这验证中，我们仅仅专注于基本的算法，因为如果使用调和技术不可能区分PAT和PEPSE的基础能力。作者将性能参数输入到两种模拟工具中而没有得到任何的细节的区别。在透平机循环模拟验证中，比较透平机膨胀曲线或焓熵图是非常重要的，焓熵图显示了整个透平机循环的特征包括如透平机，给水和凝汽器等主要透平机循环成分的特征。Fig.6显示了PAT，PEPSE和透平机供应商GE给出的透平机膨胀曲线。考虑到膨胀曲线的形状和两条曲线的区别，作者发现PAT中的汽轮机循环算法有效地反映了参考系统的算法。然而，我们可以看到透平机供应商和模拟的图线尤其在低压透平机部分存在巨大的差距，所以我们也能意识到为了得到精确的模拟结果多样的调和技术是有必要的。B. 信号验证模块首先，PAT的执行模块检查是否有感应器需要信号验证。如果一个以上的感应器需要验证并且这是第一次，那么执行模块就会换算然后按（7）进行。如果不是第一次，执行模块就会直接按（7）进行。在这部分中，作者将会验证模块的准确度使之符合（7）。这一功能是根据第章中的数学背景进行的。通过Younggwang核电站3和4机组的PAT模型的数据，可以进行多元回归计算。在这种情况下，我们可以了解到透平机循环模型的细节调和。利用要求状态的重复模拟是通过Table来得到数据并建立经验模型。如第章中所讲到的，我们必须在不同的退化状态下收集透平机循环数据。比如凝汽器堵塞，给水污垢，蒸汽流量下降等等，我们必须尽可能多地考虑，使集合（1）更加完善通用。在这项研究中，八个参数，如Table所示，被选择用来模拟具有代表性的退化状态，这些参数被认为是透平机循环中最重要的23。通过透平机循环模型，Younggwang3和4机组所有感应器的信息被输入，这些数据是通过这些信息来收集的。在这一验证过程中，给水流量信号被选择进行验证；也就是说感应器有