淺談火電廠熱工控制系統(tǒng)故障診斷方法

鄭鵬坤

摘要：大型火力發(fā)電機(jī)組包含眾多的控制回路，涉及到鍋爐系統(tǒng)，汽機(jī)系統(tǒng)和其他輔助系統(tǒng)。以往的研究往往是從某個(gè)具體的控制系統(tǒng)著手研究其故障形式和診斷方法，要實(shí)現(xiàn)其控制系統(tǒng)狀態(tài)維修必須從整個(gè)機(jī)組級(jí)考慮故障檢測(cè)與診斷問(wèn)題。本文主要闡述了具有三層結(jié)構(gòu)的火電廠控制系統(tǒng)故障診斷整體規(guī)劃和實(shí)現(xiàn)策略。

關(guān)鍵詞：火電廠;熱工控制系統(tǒng);故障診斷

對(duì)于火電廠熱工控制過(guò)程來(lái)說(shuō)，目前提高控制系統(tǒng)可靠性的方法是提高系統(tǒng)各部件的可靠性，增加硬件冗余，但這將使系統(tǒng)成本和規(guī)模增加。為此，可采

用實(shí)時(shí)故障診斷技術(shù)，建立一套監(jiān)控系統(tǒng)，使其能在系統(tǒng)故障前期或發(fā)生故障時(shí)迅速地檢測(cè)且分離故障，并估計(jì)故障的大小，進(jìn)而采取必要的措施來(lái)防止故障擴(kuò)大，達(dá)到提高系統(tǒng)可靠性，減少維修時(shí)問(wèn)和成本之目的。

1過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)的構(gòu)成

過(guò)熱汽溫控制其主要任務(wù)是維持過(guò)熱器出口溫度在允許范圍內(nèi)并且保護(hù)熱器，使其壁溫不超過(guò)允許溫度。過(guò)熱汽溫的暫時(shí)偏差不允許超過(guò)±10～（2，長(zhǎng)期偏差不允許超過(guò)±5℃。溫度過(guò)高會(huì)使過(guò)熱器和汽機(jī)高壓缸承受過(guò)高的熱應(yīng)力而損壞;溫度過(guò)低則會(huì)降低機(jī)組的熱效率，影響經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)

發(fā)生故障將會(huì)給整個(gè)電廠運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的后果，因此，以過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)為例進(jìn)行故障診斷研究具有代表性和實(shí)用性。

火電廠機(jī)組過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的控制系統(tǒng)采用二級(jí)噴水減溫方式，

鍋爐汽包產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)頂棚過(guò)熱器加熱，在立式低溫過(guò)熱器出口聯(lián)箱后匯合成一根管道，經(jīng)一級(jí)噴水減溫，分A、B側(cè)進(jìn)入屏式過(guò)熱器，在后屏出口聯(lián)箱后分左、右兩根管道經(jīng)左右二級(jí)噴水減溫，最后進(jìn)入末級(jí)過(guò)熱器。

根據(jù)過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)故障診斷的需要，整理出了過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)包含的重要傳感器和執(zhí)行器，其中傳感器有：一級(jí)過(guò)熱器前、后左和后右溫度傳感器，

二級(jí)過(guò)熱器前左、前右、后左和后右溫度傳感器，末級(jí)過(guò)熱器左、右溫度傳感器，

一級(jí)減溫水流量傳感器，左二級(jí)、右二級(jí)減溫水流量傳感器等;執(zhí)行器有：一級(jí)噴水減溫閥、左二級(jí)和右二級(jí)噴水減溫閥、主減溫水截止閥。

2 熱工過(guò)程中主要的傳感器和執(zhí)行器及其故障

2.1 熱工過(guò)程傳感器及其故障

大型火電機(jī)組測(cè)點(diǎn)多，分布廣，幾乎包客機(jī)組及各工藝過(guò)程的全部主元參數(shù)和主要設(shè)備狀態(tài)，如溫度、壓力、流量、電壓、電流、轉(zhuǎn)速等。傳感器的常見故障形式：斷線故障，為傳感器處于斷開狀態(tài);超限故障，為輸出超出允許的范圍;超速故障，為輸出的變化速度突變;恒偏差故障，為輸出與實(shí)際信號(hào)存在恒定偏差;恒增益故障，為傳感器輸出增益減小或增大;卡死故障，為不隨被測(cè)量變化，保持某個(gè)值;漂移故障，輸出逐漸偏離實(shí)際信號(hào)。

2.2 熱工過(guò)程執(zhí)行器及其故障

執(zhí)行器是控制系統(tǒng)的終端控制元件，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。執(zhí)行器的常見故障形式：卡死故障，為執(zhí)行器輸出閥位不隨指令變化;死區(qū)故障，為死區(qū)超過(guò)正常允許范圍;偏差故障，為輸出閥位和閥位指令偏差過(guò)大;增益故障，為執(zhí)行器輸入輸出增益變化;粘滯一滑動(dòng)故障，為執(zhí)行器動(dòng)作的卡澀現(xiàn)象;回差故障，為上下行程差值超出正常情況。從故障的性質(zhì)上看，所有的故障都可以歸結(jié)為漸變性故障、跳變性故障、完全失效故障的一種。對(duì)于發(fā)電機(jī)組，漸變性的故障可能是導(dǎo)致災(zāi)難性故障的先兆，因此對(duì)其進(jìn)行早期的故障檢測(cè)是十分必要的。

3基于三層結(jié)構(gòu)的火電廠機(jī)組級(jí)診斷方案

3.1 部件診斷層

在該層中，故障的征兆產(chǎn)生是從單個(gè)的控制系統(tǒng)部件來(lái)考慮。典型的方法有以下幾點(diǎn)。

3.1.1 各種基于傳感器輸出的信號(hào)分析方法

信號(hào)的幅值檢測(cè)、變化速率檢測(cè)是現(xiàn)場(chǎng)采用的最為廣泛的傳感器故障檢測(cè)手段，它對(duì)于傳感器斷線、超速等故障是有效的，然而對(duì)于緩變、漂移等故障是不敏感的，只有故障非常嚴(yán)重的時(shí)候才能檢測(cè)出故障的存在。信號(hào)的平均值、方差的變動(dòng)檢測(cè)適合于檢測(cè)過(guò)程變量正常時(shí)處于較小范圍內(nèi)平穩(wěn)變化的場(chǎng)合，而不適合于處于大幅度變動(dòng)的信號(hào)。頻譜特性分析對(duì)于振動(dòng)等信號(hào)的分析比較有效。

3.1.2 DCS模件的自診斷信息

DCS中直接與現(xiàn)場(chǎng)打交道的控制設(shè)備是現(xiàn)場(chǎng)控制單元，它們是由機(jī)柜、電源、I/0通道、以微處理器為核心的功能模件組成。其中I/O通道是DCS中種類最多、使用數(shù)量最大的一類模件，它們是聯(lián)系生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)傳感器和執(zhí)行器的信號(hào)通道，也是聯(lián)系微處理器的橋梁，它們的故障會(huì)引起DCS中采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確或使控制信號(hào)不能有效執(zhí)行。不過(guò)這些功能模件大多都具有故障自檢功能，因此利用模件本身的狀態(tài)信息來(lái)協(xié)助傳感器或執(zhí)行器的故障診斷。

3.1.3 信號(hào)趨勢(shì)分析與部件知識(shí)相結(jié)合的方法

對(duì)于執(zhí)行器來(lái)說(shuō)，其輸人和輸出信號(hào)一般都可以采集得到，根據(jù)其趨勢(shì)變化特征可以反映其故障的特征，結(jié)合執(zhí)行器本身動(dòng)作過(guò)程的知識(shí)，可以實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器的典型故障的診斷。

3.2 回路診斷層

回路層的主要診斷方法是基于模型的故障診斷?；芈穼拥墓收显\斷可以采用典型的殘差方法如下。

3.2.1 利用靜態(tài)模型產(chǎn)生殘差

對(duì)于一些簡(jiǎn)單過(guò)程，其輸入輸出關(guān)系可以用靜態(tài)模型來(lái)表達(dá)，則可直接利用其靜態(tài)模型的輸入得到其輸出，實(shí)際的輸出與模型的輸出之差即可作為殘差信號(hào)。

3.2.2 利用觀測(cè)器產(chǎn)生殘差

即通過(guò)過(guò)程的輸入輸出以及過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型，借助于觀測(cè)器重構(gòu)過(guò)程的測(cè)量值，重構(gòu)信號(hào)與實(shí)際信號(hào)的差值作為殘差。

3.2.3 利用參數(shù)在線估計(jì)產(chǎn)生殘差。

參數(shù)估計(jì)方法根據(jù)模型參數(shù)和相應(yīng)的物理參數(shù)的變化來(lái)檢測(cè)和分離故障。該方法需要找到模型參數(shù)和物理參數(shù)之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，相比狀態(tài)估計(jì)方法而言，更有利于故障的分離。但是在進(jìn)行參數(shù)估計(jì)的時(shí)候，往往需要過(guò)程被充分激勵(lì)。對(duì)于火電廠的被控過(guò)程建立比較精確的數(shù)學(xué)模型是十分困難的，僅有為數(shù)較少的系統(tǒng)可以獲得其解析數(shù)學(xué)模型?；芈穼拥墓收显\斷依賴于機(jī)組建模的結(jié)果，在沒(méi)有良好的數(shù)學(xué)模型的支撐下，其應(yīng)用將受到很大的限制。但是對(duì)于比較容易建立過(guò)程模型的場(chǎng)合，應(yīng)盡量選擇使用模型的方法進(jìn)行故障診斷。

3.3 系統(tǒng)診斷層

由于支配整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的規(guī)律是物質(zhì)和能量的平衡，這體現(xiàn)在系統(tǒng)中大量的參數(shù)和變量將具有某種相關(guān)性，因此多個(gè)控制回路并不是完全獨(dú)立的而是存在大量的相關(guān)性。這里稱這種關(guān)系為系統(tǒng)冗余。從系統(tǒng)冗余的角度，利用系統(tǒng)中變量間的相關(guān)性提取故障信息以實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)與診斷。主要采用的方法有以下幾點(diǎn)。

3.3.1 變量間直接的相關(guān)關(guān)系

變量間的關(guān)系可以用動(dòng)態(tài)和靜態(tài)模型來(lái)表達(dá)，這里區(qū)別于回路層中基于模型的方法是，這里的變量不僅僅從單個(gè)的控制回路考慮，可能涉及到多個(gè)控制回路。

3.3.2 利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造變量相關(guān)關(guān)系

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)訓(xùn)練可以獲得多個(gè)變量間的相關(guān)關(guān)系，將這種相關(guān)性保存在其網(wǎng)絡(luò)權(quán)值中。訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有用其他變量來(lái)預(yù)測(cè)其他變量的能力，從而利用其預(yù)測(cè)輸出和實(shí)際輸出構(gòu)造出故障殘差來(lái)。

3.3.3 基于大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

過(guò)程變量間的相關(guān)性實(shí)際上蘊(yùn)藏在系統(tǒng)長(zhǎng)期的運(yùn)行數(shù)據(jù)中，因此從數(shù)據(jù)挖掘的角度來(lái)尋求變量間的相關(guān)性用于故障診斷是完全可行的途徑。由于過(guò)程中數(shù)據(jù)維數(shù)高，數(shù)據(jù)量大，適合于這種特點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析的方法主要是多變量統(tǒng)計(jì)分析方法，該類方法包括主元分析PCA、部分最小二乘PLS、主元回歸PCR等。

上述三個(gè)診斷層次為提取過(guò)程冗余信息以及故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)基本框架。對(duì)于一個(gè)具體的診斷任務(wù)來(lái)說(shuō)，可以從這三個(gè)層次上去考慮故障征兆的提取和診斷策略的選擇。

4結(jié)語(yǔ)

結(jié)合火電廠的實(shí)際情況，研究熱工控制系統(tǒng)的故障診斷，并以過(guò)熱汽溫控制系統(tǒng)為例對(duì)故障類型和診斷方法進(jìn)行了總結(jié)。同時(shí)，在應(yīng)用方面使用了一些簡(jiǎn)單實(shí)用的故障診斷方法對(duì)常見故障進(jìn)行診斷，并且在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了故障診斷過(guò)程試驗(yàn)，取得了較好的應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭鋼，王紅燕.熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)診斷技術(shù)的研究[J].河北電力技術(shù)，2017.

[2]李遵基.熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].北京：電力工業(yè)出版社，2010.

[3]陳博川，張建玲，劉武林.火力發(fā)電廠熱工控制技術(shù)[J].長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2011.