羅智凌, 姚 琦, 劉吉臻

(1.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室,北京 102206;2.華北電力大學(xué) 控制與計算機工程學(xué)院,北京 102206;3.暨南大學(xué) 能源電力研究中心,廣東珠海 519070)

我國“三北”地區(qū)富煤缺水的資源分布特點限制了火力發(fā)電機組的容量。以空氣作為冷卻介質(zhì)的大型空冷系統(tǒng)具有顯著的節(jié)水優(yōu)勢,因此被廣泛應(yīng)用于水資源短缺地區(qū)的火力發(fā)電廠中[1]。環(huán)境中的空氣在軸流風(fēng)機的驅(qū)動下流經(jīng)翅片管外表面,與翅片管內(nèi)的汽輪機排汽進行熱交換,將蒸汽冷凝成水。軸流風(fēng)機是直接空冷系統(tǒng)運行中的關(guān)鍵設(shè)備,空冷風(fēng)機的運行效率直接影響汽輪機背壓及機組經(jīng)濟性。風(fēng)機群的入口空氣流量是影響直接空冷系統(tǒng)換熱性能的重要因素。

火電廠直接空冷系統(tǒng)的軸流風(fēng)機具有直徑大、數(shù)量多、能耗高的特點,以陣列方式布置,常采取統(tǒng)一調(diào)節(jié)風(fēng)機頻率的集群運行方式[2]。數(shù)十臺軸流風(fēng)機集群運行時,風(fēng)機的氣動特性與單獨運行時不同,主要表現(xiàn)為空氣流量顯著減少,整體效率降低,冷卻空氣流量的損失具有和總空氣流量相同的數(shù)量級,這種現(xiàn)象被稱為風(fēng)機的集群效應(yīng)[3]。Salta等[4]通過等比例縮小模型實驗發(fā)現(xiàn),邊緣風(fēng)機的風(fēng)機容積效率低于內(nèi)部風(fēng)機,提出以風(fēng)機容積效率來衡量軸流風(fēng)機群的容積損失。風(fēng)機容積效率是指通過風(fēng)機的實際空氣流量與風(fēng)機獨立運行且無入口擾動時的實際流量之比,也被稱為集群因子[5]。楊立軍等[6]通過風(fēng)機并聯(lián)運行實驗,繪制并聯(lián)風(fēng)機的性能曲線,引入集群因子得到軸流風(fēng)機群的性能曲線、阻力曲線及工作點,并研究了風(fēng)機數(shù)量及布置方式對集群因子的影響。

空冷風(fēng)機群同時受到多種因素的影響,除了風(fēng)機群自身因素外,還受到環(huán)境因素如氣溫、環(huán)境風(fēng)和大氣壓的影響[7]。其中,在環(huán)境風(fēng)影響下,處于不同位置的風(fēng)機入口流量會出現(xiàn)較大差異。Yang等[8]通過數(shù)值模擬得出,在環(huán)境風(fēng)作用下直接空冷系統(tǒng)迎風(fēng)風(fēng)機的容積效率低于內(nèi)部風(fēng)機的容積效率,而背風(fēng)風(fēng)機的容積效率更高。風(fēng)機容積效率受風(fēng)速和風(fēng)向的影響,風(fēng)向下游的換熱性能普遍優(yōu)于風(fēng)向上游,從鍋爐方吹向冷凝器的環(huán)境風(fēng)最不利于系統(tǒng)性能[9]。在直接空冷機組運行中曾出現(xiàn)鍋爐方向的橫向風(fēng)導(dǎo)致發(fā)電廠出現(xiàn)緊急停機的情況。Fourie等[10]通過數(shù)值模擬結(jié)合實驗的方法,推導(dǎo)出風(fēng)機容積效率、平臺高度和環(huán)境風(fēng)速之間的關(guān)聯(lián)式。Li等[11]采用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法計算了每個風(fēng)機的轉(zhuǎn)速與機組背壓的關(guān)聯(lián)度,研究表明,環(huán)境風(fēng)下各空冷單元的散熱量不同,調(diào)節(jié)與背壓關(guān)聯(lián)度高的風(fēng)機有利于降低背壓,因此提出了風(fēng)機分區(qū)調(diào)節(jié)以提高空冷系統(tǒng)能效的運行策略。

現(xiàn)有的環(huán)境風(fēng)影響下直接空冷系統(tǒng)特性研究以數(shù)值模擬為主,實驗研究較少。張學(xué)鐳等[12]通過現(xiàn)場實驗研究發(fā)現(xiàn),環(huán)境風(fēng)對上游風(fēng)機的流量及下游風(fēng)機的入口溫度有較大影響,下游風(fēng)機的入口流量有可能增加甚至超過設(shè)定值。郭牧[13]通過等比例縮小的空冷風(fēng)機陣列實驗平臺,測量了風(fēng)機入口流量,得出在相同轉(zhuǎn)速下軸流風(fēng)機群具有邊緣風(fēng)機流量小、中間風(fēng)機流量大的特點。測量實驗風(fēng)機轉(zhuǎn)速分別為600 r/min及800 r/min集群運行時的風(fēng)機流量,實驗結(jié)果表明,隨風(fēng)機轉(zhuǎn)速及風(fēng)機數(shù)量的增加,風(fēng)機受集群效應(yīng)的影響更加明顯[14]。張輝等[15]結(jié)合數(shù)值模擬和實驗方法,發(fā)現(xiàn)風(fēng)機入口流量的差別來源于風(fēng)機近壁區(qū)的速度分布不同,邊緣風(fēng)機的入口存在嚴(yán)重的流動變形。現(xiàn)有的軸流風(fēng)機群入口流量特性研究大部分只考慮了風(fēng)機在額定工況運行或超頻運行的情況,未考慮風(fēng)機變頻調(diào)節(jié);另一方面,針對環(huán)境風(fēng)影響下的風(fēng)機群不同位置的風(fēng)機入口流量特性的研究較少。

筆者通過1∶10等比例縮小的直接空冷風(fēng)機陣列實驗系統(tǒng)對風(fēng)機入口流量特性展開實驗研究,并采用模態(tài)經(jīng)驗分解方法(EMD)處理風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù),根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算風(fēng)機容積效率,并通過隨機森林回歸(RFR)算法估計不同風(fēng)況下的風(fēng)機容積效率,最后討論風(fēng)機容積效率與風(fēng)機位置、運行方式、風(fēng)機頻率及環(huán)境風(fēng)速的關(guān)系,為風(fēng)機群的節(jié)能運行提供參考。

1 實驗系統(tǒng)

考慮到火電廠冷端系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟性,在不同工況下進行直接空冷系統(tǒng)風(fēng)機群現(xiàn)場試驗是昂貴且不切實際的。而且,目前大多數(shù)的直接空冷風(fēng)機陣列沒有配備風(fēng)機流量測量裝置。基于風(fēng)機相似定律,進行縮小模型實驗是一種可行的方案。

當(dāng)2臺風(fēng)機滿足幾何相似(風(fēng)機對應(yīng)的長度尺寸成比例,比值相等,且葉片數(shù)和安裝角相等)、運動相似(風(fēng)機對應(yīng)點上的速度大小有相同的比值,且方向相同)和動力相似(風(fēng)機對應(yīng)位置作用在流體質(zhì)點上的力有相同比例,且方向相同)3個條件時,可認為其流體流場是相似的。黏性力和慣性力是流體流動時起主要作用的力,因此流體的動力相似要求模型與實型風(fēng)機具有相同的雷諾數(shù)。嚴(yán)格保證實驗?zāi)Ｐ团c實型風(fēng)機的動力相似是較難實現(xiàn)的,然而當(dāng)流體雷諾數(shù)達到一定數(shù)值后,雷諾數(shù)的變化幾乎不影響流場性質(zhì),只需要保證實驗?zāi)Ｐ团c實型風(fēng)機流體處于同一自模區(qū)即可滿足動力相似。實型風(fēng)機流體為紊流狀態(tài),處于第二自模區(qū)(Re>105),實驗風(fēng)機的雷諾數(shù)為3.4×106,滿足動態(tài)相似條件。

參照330 MW直接空冷機組的直接空冷系統(tǒng)尺寸,搭建了按1∶10的比例縮小的直接空冷風(fēng)機陣列實驗系統(tǒng),如圖1所示。直接空冷風(fēng)機陣列實驗系統(tǒng)由軸流風(fēng)機陣列模型、控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成。

圖1 直接空冷風(fēng)機陣列實驗系統(tǒng)示意圖

(1) 軸流風(fēng)機陣列

軸流風(fēng)機陣列由鋼結(jié)構(gòu)框架和30個空冷單元組成,按南北向5行、東西向6列的方式布置。每個空冷單元包括1臺實驗軸流風(fēng)機、1臺交流異步電機和1對翅片管模擬孔板。軸流風(fēng)機陣列模型的鋼結(jié)構(gòu)框架與實驗風(fēng)機部分沿用了此前的直接空冷風(fēng)機陣列特性實驗研究中所搭建的實驗裝置[13]。不同之處在于,本實驗系統(tǒng)搭建在戶外受自然風(fēng)影響的流場環(huán)境中,四周空曠無建筑,且在模擬翅片管四周設(shè)置了擋風(fēng)墻。實驗中利用了自然風(fēng),未配備輔助風(fēng)力設(shè)施。實驗系統(tǒng)用于研究環(huán)境風(fēng)對軸流風(fēng)機群運行特性的影響,未模擬水蒸氣在翅片管的冷凝過程,因此采用金屬孔板代替實際翅片管。金屬孔板的選取遵循風(fēng)機相似定律,金屬孔板與實際風(fēng)機翅片管出口空氣流速的比值與實驗及實型風(fēng)機對應(yīng)點速度比值相等,以保證與原系統(tǒng)有相似的阻力特性。

(2) 控制與變頻調(diào)速系統(tǒng)

軸流風(fēng)機陣列的控制系統(tǒng)由國能智深控制技術(shù)有限公司的EDPF NT+分散控制系統(tǒng)(DCS)搭建?？刂葡到y(tǒng)設(shè)置了工程師站、操作員站和歷史站,分別用來對系統(tǒng)進行配置、組態(tài)和調(diào)試,監(jiān)視和控制實時運行狀態(tài),收集過程歷史數(shù)據(jù)。實驗系統(tǒng)配有30臺ABB變頻器。每個空冷單元分別由1臺變頻器驅(qū)動電機變頻調(diào)速,實現(xiàn)風(fēng)機變頻控制,風(fēng)機頻率及對應(yīng)的轉(zhuǎn)速、功率見表1?，F(xiàn)有的直接空冷系統(tǒng)通過變頻器控制風(fēng)機啟停與變頻調(diào)節(jié),能實現(xiàn)單個風(fēng)機或單列風(fēng)機的頻率調(diào)節(jié)。在此基礎(chǔ)上,實驗系統(tǒng)加入軸流風(fēng)機入口空氣流量測點,將按列調(diào)節(jié)風(fēng)機的邏輯組態(tài)擴展為可自選分組調(diào)節(jié)風(fēng)機頻率。

表1 實驗風(fēng)機變頻調(diào)節(jié)對應(yīng)的轉(zhuǎn)速及功率

(3) 測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)包括風(fēng)機入口空氣流量測量裝置及風(fēng)速風(fēng)向測量裝置。風(fēng)機入口空氣流量常采用皮托管流量計進行測量。皮托管流量計是差壓式流量計的一種,其測量原理是伯努利定律,即通過測量流體流動產(chǎn)生的差壓來獲得流速或者流量:

(1)

式中:qV為流體體積流量,m3/s;A為管道截面積,m2;Δp為動壓,即全壓與靜壓之差,Pa;ρ為測量點處流體密度,kg/m3。

采用傳統(tǒng)皮托管測量軸流風(fēng)機入口截面的方法是根據(jù)流速分布選取一個測點,通過數(shù)學(xué)模型計算截面流量。當(dāng)流體流動是紊流時,需取多個測點流速的平均值或者加權(quán)平均值作為平均流速。

均速管流量計的測量原理與皮托管相同,優(yōu)點是能夠直接測量出管道截面的平均流速。均速管是一根橫跨管道布置的中空、多孔管,其測量管道上迎流方向上有多個連通的全壓取壓孔,自動平均多個測點的全壓,背向流體流向一側(cè)有一個靜壓取壓孔。利用差壓測量原理,定制了用于風(fēng)機入口空氣流量測量的流量計[16]。如圖1(c)所示,每個空冷單元軸流風(fēng)機下方布置2根均速管,均速管呈十字交叉分布,全壓孔軸線與風(fēng)機截面中心線平行。根據(jù)等環(huán)面法[15],將風(fēng)機截面分為4個面積相等的同心圓環(huán),每個圓環(huán)的等分處布置測點,每根流量計共有8個流速測點。2根均速管測量出空氣流速的平均值作為風(fēng)機入口空氣流速。

常用風(fēng)速風(fēng)向測量裝置按測量原理可分為機械式風(fēng)速風(fēng)向儀和超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀兩類,其中機械式風(fēng)速風(fēng)向儀結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,因此實驗系統(tǒng)選用Thies Clima機械式風(fēng)向標(biāo)與風(fēng)速儀。風(fēng)速風(fēng)向儀安裝在軸流風(fēng)機陣列西南側(cè)、與模擬翅片管同一高度的測量桿上。實驗系統(tǒng)參數(shù)見表2。

表2 直接空冷風(fēng)機陣列實驗系統(tǒng)參數(shù)

2 實驗方案

邊緣風(fēng)機更容易受到環(huán)境風(fēng)和風(fēng)機相互作用的影響,而內(nèi)部風(fēng)機則受影響較小。此外,環(huán)境風(fēng)速和風(fēng)向是隨機變化的,優(yōu)先采用對稱的風(fēng)機分組方案。因此,考慮將風(fēng)機陣列分為邊緣風(fēng)機和內(nèi)部風(fēng)機2組,分別進行風(fēng)機變頻調(diào)節(jié),其中邊緣風(fēng)機包括迎風(fēng)風(fēng)機和背風(fēng)風(fēng)機。

實驗系統(tǒng)軸流風(fēng)機陣列平面布置如圖2所示,每一個圓圈代表1臺實驗風(fēng)機,以正北方向為0°風(fēng)向角,圖上標(biāo)記了30臺軸流風(fēng)機的行號、列號、盛行風(fēng)向范圍及盛行風(fēng)向下的迎風(fēng)風(fēng)機、背風(fēng)風(fēng)機及內(nèi)部風(fēng)機。

為了研究環(huán)境風(fēng)影響下的直接空冷風(fēng)機運行特性,針對直接空冷風(fēng)機陣列實驗系統(tǒng),設(shè)計軸流風(fēng)機分區(qū)調(diào)節(jié)實驗如下:

(1) 風(fēng)機獨立運行。在環(huán)境風(fēng)速小于0.5 m/s時,測量每一臺軸流風(fēng)機獨立運行的空氣流量。風(fēng)機頻率從10～50 Hz以10 Hz的間隔遞增。每次風(fēng)機頻率調(diào)節(jié)時間持續(xù)2 min。

(2) 風(fēng)機集群運行。在自然風(fēng)環(huán)境下,30臺軸流風(fēng)機集群運行,同時調(diào)節(jié)全部風(fēng)機頻率。風(fēng)機頻率從10～50 Hz以10 Hz的間隔依次遞增。每次調(diào)節(jié)持續(xù)5 min。

(3) 邊緣風(fēng)機及內(nèi)部風(fēng)機分別調(diào)節(jié)。在自然風(fēng)環(huán)境下,軸流風(fēng)機群分為邊緣風(fēng)機及內(nèi)部風(fēng)機分別進行調(diào)節(jié)。當(dāng)內(nèi)部風(fēng)機的頻率以10 Hz的間隔從10 Hz增加到50 Hz時,邊緣風(fēng)機的頻率在內(nèi)部風(fēng)機頻率的基礎(chǔ)上分別加/減10 Hz,每次調(diào)節(jié)持續(xù)5 min。

由于環(huán)境風(fēng)速、風(fēng)向不斷變化,為了能獲得各種風(fēng)速、風(fēng)向下的風(fēng)機分區(qū)調(diào)節(jié)的流量測量數(shù)據(jù),重復(fù)多次實驗。最后,從實驗系統(tǒng)中以1 s為采樣周期導(dǎo)出風(fēng)機流量穩(wěn)定狀態(tài)下每臺風(fēng)機頻率和相應(yīng)的風(fēng)機空氣流量。

3 數(shù)據(jù)處理方法

3.1 風(fēng)速及風(fēng)向處理方法

環(huán)境風(fēng)速及風(fēng)向具有強隨機性,而軸流風(fēng)機群入口流量是一個過程變量,其變化具有慣性和遲延,因此環(huán)境風(fēng)中的高頻分量可以看成是噪聲。為了獲得用于分析環(huán)境風(fēng)對直接空冷系統(tǒng)影響的有效數(shù)據(jù),采用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法對實驗系統(tǒng)測量的風(fēng)速及風(fēng)向數(shù)據(jù)進行時頻分析[17]。經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法是一種時頻處理方法,能自適應(yīng)地將非線性、非平穩(wěn)信號分解為幾個本征模函數(shù)(IMF)和一個殘差信號的疊加。經(jīng)過EMD法分解出的本征模函數(shù)包含原信號在不同時間尺度的局部特征。頻率高的本征模函數(shù)可以看成零均值的噪聲信號,頻率低的本征模函數(shù)則包括了原信號在各個頻率的局部波動特征。將風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)的本征模函數(shù)和剩余分量按照頻率分為高頻分量和低頻分量進行疊加,波動頻率高于1/60 Hz的為高頻分量,其余為低頻分量。其中低頻分量表征了原信號的主要變化信息,可用于實驗分析。EMD算法流程如下。

(1) 初始化:ri=x(t),x(t)為輸入信號,i=1。

(2) 分解第i個本征模函數(shù)fi(t):

① 初始化:令hj(t)=ri(t),j=1。

② 識別hj(t)的局部極值點。

③ 對hj(t)的極大值點和極小值點分別進行3次樣條插值,得到上下包絡(luò)線emax(t)與emin(t)。

④ 計算上下包絡(luò)線的平均值mj(t)=(emax(t)+emin(t))/2。

⑤ 計算hj+1(t)=hj(t)-mj(t)。

⑥ 如果hj+1(t)滿足以下2個條件:局部極值點和過零點的數(shù)目相等或最多相差一個;局部上包絡(luò)線和下包絡(luò)線的平均值為零,為本征模函數(shù)fi(t)=hj+1(t),否則j=j+1,轉(zhuǎn)到②。

(3) 計算剩余分量ri+1(t)=ri(t)-fi(t)。

根據(jù)以上EMD算法流程,以風(fēng)速風(fēng)向儀采集的一段1 800 s的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)為例進行EMD分解。風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)的采樣周期為1 s,風(fēng)速平均值為3.56 m/s,風(fēng)向平均值為305°。風(fēng)向數(shù)據(jù)中可能出現(xiàn)風(fēng)向變化跨越0°或風(fēng)向之差大于180°的情況,直接進行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解有可能造成較大的誤差。在進行信號分解前需對風(fēng)向數(shù)據(jù)進行判斷,對與平均風(fēng)速相差大于180°的風(fēng)向數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)變換,將數(shù)值小的數(shù)據(jù)值增加360°,在信號分解后對超過量程的數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)變換恢復(fù)至0°～359°范圍內(nèi)。

采用EMD法分別將測量得到的風(fēng)速及風(fēng)向數(shù)據(jù)分解為8個和10個本征模函數(shù)及剩余分量。風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)的本征模函數(shù)和剩余分量按照高頻分量和低頻分量兩組進行疊加,結(jié)果如圖3所示。其中風(fēng)速、風(fēng)向的低頻分量表征了原信號的主要變化信息,用于后續(xù)的機器學(xué)習(xí)算法及實驗分析。

(a) 風(fēng)速數(shù)據(jù)

3.2 風(fēng)機容積效率計算

直接空冷風(fēng)機陣列受環(huán)境風(fēng)及集群效應(yīng)影響,風(fēng)機集群運行的氣動特性與單獨運行時不同,表現(xiàn)為空氣流量顯著減少。風(fēng)機容積效率η是用來衡量風(fēng)機容積損失的指標(biāo),定義為風(fēng)機的實際體積流量和理論體積流量之比,表達式如下:

(2)

式中:qV,F為風(fēng)機實際體積流量,m3/s,qV,ideal為風(fēng)機體積流量理論值,m3/s。

對于直接空冷風(fēng)機,理論空氣流量為風(fēng)機獨立運行且無環(huán)境風(fēng)擾動時的風(fēng)機流量。容積效率可應(yīng)用于單個或多個風(fēng)機,可以評估直接空冷風(fēng)機在集群運行及環(huán)境風(fēng)擾動下的運行效率,容積效率越小,意味著風(fēng)機運行效率越低。

實驗風(fēng)機陣列與實際軸流風(fēng)機陣列雖然達到了相似條件,但并不是完全相似的,因此通過實驗風(fēng)機測量出的風(fēng)機性能參數(shù)不能直接作為實型風(fēng)機在相似工況中參考。相似的風(fēng)機具有相同的無量綱性能曲線,因此采用無量綱化方法,當(dāng)實驗風(fēng)機與實型風(fēng)機特征變量的無量綱參數(shù)相同時,實驗風(fēng)機與實型風(fēng)機的性能相同。研究環(huán)境風(fēng)速對軸流風(fēng)機群性能的影響,容積效率為風(fēng)機無量綱性能指標(biāo),以環(huán)境風(fēng)速為特征變量,采用環(huán)境風(fēng)速與軸流風(fēng)機葉尖速度比值作為無量綱環(huán)境風(fēng)速[9]:

(3)

式中:v為無量綱化的環(huán)境風(fēng)速;vwind為環(huán)境風(fēng)速,m/s;vtip為軸流風(fēng)機葉尖速度,m/s。

當(dāng)實驗風(fēng)機與實型風(fēng)機的無量綱風(fēng)速相同時,風(fēng)機容積效率也相等,因此實驗風(fēng)機測得的風(fēng)機容積效率可以作為實型風(fēng)機性能的參考。

3.3 隨機森林回歸

由于環(huán)境風(fēng)具有隨機性,為了能獲得盡可能多的風(fēng)況下的風(fēng)機入口流量數(shù)據(jù),除了重復(fù)實驗之外,采用隨機森林回歸算法對實驗結(jié)果進行泛化。

隨機森林是以決策樹為基學(xué)習(xí)器、以Bagging(Bootstrap Aggregating)的集成學(xué)習(xí)方式構(gòu)建的學(xué)習(xí)器,算法示意圖如圖4所示。集成學(xué)習(xí)通過某種策略將有差異的多個同類個體學(xué)習(xí)器結(jié)合起來,以獲得比個體學(xué)習(xí)器更優(yōu)的泛化性能。Bagging是一種并行的集成學(xué)習(xí)方式,基于自助采樣法,通過n次有放回的抽樣每次生成包含n個元素的樣本,用樣本子集訓(xùn)練基學(xué)習(xí)器,最后將基學(xué)習(xí)器結(jié)合起來。

圖4 隨機森林回歸算法示意圖

(4)

(5)

最后,對基學(xué)習(xí)器預(yù)測的結(jié)果進行結(jié)合,將所有決策樹輸出的平均值作為RFR的輸出。基學(xué)習(xí)器的多樣性對于集成學(xué)習(xí)非常重要,除了自助采樣之外,RFR在訓(xùn)練中還引入了隨機屬性選擇來增加決策樹之間的差異,避免陷入局部極小值或過擬合,并保證模型的準(zhǔn)確性。RFR算法實現(xiàn)簡單,計算復(fù)雜度低,通過引入2種樣本擾動,增強了學(xué)習(xí)器的泛化能力,且不需要進行特征選擇。

采用隨機森林回歸算法,風(fēng)機容積效率的估計可以用以下風(fēng)機頻率和環(huán)境風(fēng)速的函數(shù)來描述:

(η1,…,ηi)=f(n1,…,ni,v)

(6)

式中:ηi為第i組風(fēng)機的容積效率;ni為第i組風(fēng)機的頻率,Hz。

在RFR測試中,采用均方根誤差(RMSE)和平均相對誤差(MRE)評估算法性能。RMSE是用來衡量一組測量序列真實值與預(yù)測值之間的平均誤差,MRE反映了一組測量序列的誤差占實際值的百分比。

(7)

(8)

4 實驗結(jié)果及討論

以1 s為采樣周期,從實驗系統(tǒng)的DCS中導(dǎo)出風(fēng)機流量穩(wěn)定狀態(tài)下每組風(fēng)機頻率和相應(yīng)的風(fēng)機空氣流量,剔除部分風(fēng)機運行異常時的無效數(shù)據(jù)。其中,平均環(huán)境風(fēng)向為310°,平均環(huán)境風(fēng)速為3.5 m/s,風(fēng)機頻率調(diào)節(jié)范圍為10～50 Hz。

首先,采用EMD法對環(huán)境風(fēng)速及風(fēng)向數(shù)據(jù)進行處理,由原信號分解出的低頻信號組成處理后的風(fēng)速、盛行風(fēng)向數(shù)據(jù)。EMD法處理后的風(fēng)速范圍為0～6 m/s,風(fēng)向dwind范圍為300°～330°。采用滑動平均法計算盛行風(fēng)向下邊緣風(fēng)機、內(nèi)部風(fēng)機、迎風(fēng)風(fēng)機、背風(fēng)風(fēng)機及全部風(fēng)機的平均流量,滑動時間窗寬度為10 s。然后計算無量綱參數(shù),包括各組風(fēng)機容積效率及無量綱環(huán)境風(fēng)速。無量綱環(huán)境風(fēng)速范圍為0～0.084,需要注意的是,實驗分析中所提的環(huán)境風(fēng)速均為實驗系統(tǒng)環(huán)境下的風(fēng)速,可根據(jù)式(3)計算得到,對應(yīng)的實際系統(tǒng)環(huán)境風(fēng)速范圍為0～4.02 m/s。最后,在處理好的數(shù)據(jù)集中隨機抽取90%的數(shù)據(jù)作為RFR算法的訓(xùn)練集,剩余10%作為測試集,決策樹的數(shù)量設(shè)置為20。采用RFR算法估計各組風(fēng)機的容積效率,測試結(jié)果見表3。從表3可以看出RFR算法有較好的預(yù)測效果。其中,背風(fēng)風(fēng)機及迎風(fēng)風(fēng)機容積效率的預(yù)測誤差較大,因為這2組風(fēng)機的容積效率隨環(huán)境風(fēng)速的波動而產(chǎn)生較大變化。

表3 隨機森林回歸測試結(jié)果

實驗風(fēng)機在環(huán)境風(fēng)速為0 m/s、風(fēng)機頻率為30Hz時的空氣流量和容積效率如圖5所示。圖5(a)給出了風(fēng)機單獨運行及集群運行時的空氣體積流量。實驗風(fēng)機單獨運行時,平均空氣體積流量約為2.96 m3/s,邊緣風(fēng)機及內(nèi)部風(fēng)機的平均空氣體積流量分別為2.91 m3/s和3.03 m3/s。當(dāng)實驗風(fēng)機集群運行時,平均空氣體積流量為2.50 m3/s,邊緣風(fēng)機及內(nèi)部風(fēng)機的平均空氣體積流量分別為2.41 m3/s和2.70 m3/s。軸流風(fēng)機轉(zhuǎn)動使得空冷島下方形成負壓區(qū),空氣從正壓區(qū)向負壓區(qū)流動。理想情況下,冷卻空氣從下往上垂直空冷島進入空冷單元,氣流方向與軸流風(fēng)機軸線的夾角為0°,實際上風(fēng)機入口處氣流的流場在各種因素影響下會產(chǎn)生流動變形,氣流進入邊緣風(fēng)機的方向與風(fēng)機軸線存在一定夾角,進而導(dǎo)致風(fēng)機容積損失。受到風(fēng)機位置影響,邊緣風(fēng)機氣流進入風(fēng)機的角度大于內(nèi)部風(fēng)機,因此邊緣風(fēng)機體積流量略低于內(nèi)部風(fēng)機體積流量。

(a) 風(fēng)機單獨運行與集群運行時的空氣體積流量

從圖5(b)可以看出,實驗風(fēng)機集群運行時的平均容積效率為0.85,邊緣風(fēng)機容積效率為0.81,內(nèi)部風(fēng)機平均容積效率為0.91,邊緣風(fēng)機集群運行時容積效率顯著低于內(nèi)部風(fēng)機。直接空冷系統(tǒng)軸流風(fēng)機群的總體積流量介于風(fēng)機并聯(lián)運行的體積流量與風(fēng)機獨立運行的總體積流量之間。其中,邊緣風(fēng)機空氣體積流量下降程度明顯多于內(nèi)部風(fēng)機,這是因為風(fēng)機集群運行使得邊緣風(fēng)機的入口流動變形惡化。

圖6給出了實驗風(fēng)機在環(huán)境風(fēng)速為2.5 m/s、風(fēng)機頻率為30 Hz時集群運行的空氣體積流量和容積效率。當(dāng)風(fēng)機集群運行時,平均空氣體積流量為2.55 m3/s,平均容積效率為0.86,比環(huán)境風(fēng)速為0 m/s時的平均空氣體積流量及容積效率有小幅增長。迎風(fēng)風(fēng)機、背風(fēng)風(fēng)機、內(nèi)部風(fēng)機的平均空氣體積流量分別為2.14 m3/s、3.01 m3/s和2.69 m3/s,容積效率分別為0.72、1.01和0.91。與圖5相比,此時迎風(fēng)風(fēng)機空氣體積流量有明顯下降,背風(fēng)風(fēng)機空氣體積流量上升,部分背風(fēng)風(fēng)機的空氣體積流量超過了風(fēng)機獨立運行時的空氣體積流量。環(huán)境風(fēng)的擾動使得冷卻空氣以一定角度流入軸流風(fēng)機,其中空氣流入迎風(fēng)風(fēng)機的角度最大,導(dǎo)致進入迎風(fēng)風(fēng)機的空氣體積流量減少。環(huán)境風(fēng)對下游風(fēng)機的影響較小,因此空氣進入下游風(fēng)機的角度較小,下游風(fēng)機的容積損失少于上游風(fēng)機。此外,環(huán)境風(fēng)使得空氣進入風(fēng)機的流速增加。因此,在同樣的環(huán)境風(fēng)作用下,出現(xiàn)了背風(fēng)風(fēng)機空氣體積流量上升的情況。

(a) 風(fēng)機單獨運行與集群運行時的空氣體積流量

不同環(huán)境風(fēng)速下風(fēng)機頻率對容積效率的影響如圖7所示。從圖7(a)可以看出,在環(huán)境風(fēng)速較小時,其影響可以忽略,隨著風(fēng)機頻率增加,風(fēng)機空氣體積流量增加,但容積效率先增加后減小。風(fēng)機頻率為30 Hz時平均容積效率最大,是實驗風(fēng)機的高效運行區(qū)域,其變化趨勢符合一般風(fēng)機的效率性能曲線。其中,內(nèi)部風(fēng)機的容積效率比全部風(fēng)機大0.029,而邊緣風(fēng)機的容積效率比全部風(fēng)機小0.025,邊緣風(fēng)機與內(nèi)部風(fēng)機的容積效率有明顯差別。

(a) vwind=0 m/s

從圖7(b)可以看出,風(fēng)機頻率為20～50 Hz時,2.5 m/s的環(huán)境風(fēng)對邊緣風(fēng)機、內(nèi)部風(fēng)機和全部風(fēng)機的容積效率影響較小,其中風(fēng)機頻率為30～40 Hz時容積效率較大。風(fēng)機頻率在10 Hz時整體容積效率下降,這是因為風(fēng)機的迎面風(fēng)速較小,環(huán)境風(fēng)對風(fēng)機入口流場的擾動導(dǎo)致其流動變形更加嚴(yán)重。其中,迎風(fēng)風(fēng)機和背風(fēng)風(fēng)機的容積效率受環(huán)境風(fēng)的影響,風(fēng)機頻率為30 Hz時,迎風(fēng)風(fēng)機的容積效率比邊緣風(fēng)機容積效率小0.11,比全部風(fēng)機平均容積效率小0.14,背風(fēng)風(fēng)機的容積效率比邊緣風(fēng)機平均容積效率大0.12,比全部風(fēng)機容積效率大0.11。根據(jù)風(fēng)機頻率對風(fēng)機容積效率的性能曲線,將風(fēng)機運行在高效區(qū)時能夠減少風(fēng)機能耗。利用不同位置風(fēng)機的性能特性對直接空冷系統(tǒng)進行分區(qū)調(diào)節(jié),有助于提高系統(tǒng)效率。

環(huán)境風(fēng)速對風(fēng)機容積效率的影響如圖8所示。從圖8可以看出,實驗風(fēng)機頻率為30 Hz、集群運行時,背風(fēng)風(fēng)機的容積效率隨環(huán)境風(fēng)速增大而上升。無量綱風(fēng)速為0.084時,即環(huán)境風(fēng)速為6 m/s時,背風(fēng)風(fēng)機容積效率比環(huán)境風(fēng)速為0 m/s時上升了0.15。迎風(fēng)風(fēng)機的容積效率隨環(huán)境風(fēng)速的增大而減小。環(huán)境風(fēng)速為6 m/s時的迎風(fēng)風(fēng)機容積效率比環(huán)境風(fēng)速為0 m/s時減小了0.1。邊緣風(fēng)機、內(nèi)部風(fēng)機和全部風(fēng)機的容積效率隨環(huán)境風(fēng)速的增大有小幅增加,在無量綱風(fēng)速大于0.03時趨于平穩(wěn),變化幅度較小。

圖8 環(huán)境風(fēng)速對風(fēng)機容積效率的影響

5 結(jié) 論

(1) 風(fēng)機陣列集群運行時,整體空氣體積流量有明顯下降,邊緣風(fēng)機空氣體積流量下降幅度要多于內(nèi)部風(fēng)機。

(2) 根據(jù)風(fēng)機頻率對風(fēng)機容積效率的性能曲線,風(fēng)機運行在高效區(qū)時能夠減少風(fēng)機能耗。

(3) 在環(huán)境風(fēng)影響下,風(fēng)機群迎風(fēng)風(fēng)機的容積效率隨環(huán)境風(fēng)速的增大而減小,背風(fēng)風(fēng)機的容積效率隨環(huán)境風(fēng)速的增大而上升,部分背風(fēng)風(fēng)機的空氣體積流量超過了風(fēng)機獨立運行時的空氣體積流量。