基于性能参数对标的加热器故障诊断研究_闵浩.pdf

第 卷 第 期 年 月 汽 轮 机 技 术.基于性能参数对标的加热器故障诊断研究闵 浩，梁 岩，候 振，迟世丹（酒泉钢铁（集团）有限责任公司，嘉峪关；山东电力工程咨询院有限公司，济南）摘要：为实现对加热器性能的监控和故障诊断，利用神经网络对加热器换热过程进行了建模，可实时计算加热器性能参数的目标值，并利用目标值和运行值的对比，结合加热器的故障诊断逻辑，形成了加热器故障诊断系统，可以对电厂加热器实现在线性能监控和诊断。研究过程中对加热器的机理进行了分析，发现变工况运行时下，加热器的传统计算模型具有一定的局限性；提出了采用神经网络的方法建立加热器模型，在分析确定了输入输出参数后，利用 多组数据进行训练，形成了加热器换热模型，可以根据实时边界条件计算性能参数的目标值；通过对加热器的故障分析，形成故障诊断逻辑，再结合神经网络模型计算的目标值同运行值对标，实现加热器的故障诊断。关键词：加热器；故障诊断；神经网络；目标值；性能参数分类号：文献标识码：文章编号：（），（），；，）：，：；收稿日期：作者简介：闵 浩（），男，硕士，高级工程师。现从事电厂生产技术研究。前 言电厂加热器是电厂回热加热系统中的重要设备，加热器的运行环境，特别是高加的运行环境较为恶劣，给水压力、抽汽温度等参数更高，运行中容易出现故障。当运行中出现问题时，切除高加造成经济性下降更加明显，根据汽机厂提供的资料，以超临界 机组为例，切除高加造成热耗增加约 （）。因此，高加设备的运行性能对机组的经济性有重要的影响，做好加热器的故障诊断，及时发现设备运行中的问题，并尽快找到解决方法意义重大。目前很多研究在加热器故障诊断方面做了大量的工作，从目前的研究来看，主要分为基于数学模型和基于知识的研究两种方法。由于加热器换热过程的复杂性、非线性等原因，导致难以建立精确且相对简单的数学模型来描述换热过程，因此基于数学模型的研究方法应用受限，而基于知识的诊断方法，近几年来受到广泛关注，特别是结合神经网络算法，通过故障分类，不依赖数学模型，利用经验知识判断设备故障模式的研究较为普遍。加热器的常见故障问题及征兆信号电厂加热器的常见的故障有以下几类：（）水位过高或过低；（）换热效率降低；（）给水系统故障；（）水管泄漏等。根据具体的原因，这几类故障具体又可以更详细的分成 种故障类型，详见表。各种故障发生时的征兆也有所不同，理清故障征兆并根据故障征兆去推断故障的原因，是设备故障诊断的第一步。通过对各类故障发生过程中的一系列参数变化进行分析，将各种故障和征兆整理成表。要实现故障诊断，就需要根据故障征兆及时判断出加热器可能出现的故障类型，然而以上征兆有一部分可以直接获第 期闵 浩等：基于性能参数对标的加热器故障诊断研究取，如水位高低、阀门是否故障、阀门是否开启，但也有些征兆如给水温度低就难以判断。因为运行过程中加热器本身就处于变工况运行中，多种外部条件的变化都会导致加热器出口给水温度低，因此，判断温度偏低或偏高需要有个目标值（或应达值）作为比较的基准。表 设备故障类型和故障征兆对照表序号故障类型故障征兆疏水不及时疏水调节阀故障，高水位疏水失控疏水调节阀故障，低水位空气聚集出口给水温度低，疏水温度低管道脏污出口给水温度低，疏水温度高加热器堵管出口给水温度低，疏水温度高，水侧压降大旁路旁通旁通阀门开启或出口给水温度高水室短路出口给水温度低，水侧压降小微小泄漏出口给水温度低，水侧压降小管道破损加热器壳侧压力凸升，水位明显上升，水侧压降明显减小 加热器目标值的计算方法研究 加热器的换热原理加热器的换热过程遵循物质平衡和能量平衡，在设计工况下运行时，可以利用抽汽参数、给水参数和流量，以及上下端差的设计值计算得到加热器出口给水参数以及疏水参数。但随着负荷的变化，汽轮机偏离设计工况运行，抽汽参数会发生变化，同时给水的流量也在变化，当这些量同时变化时，加热器的端差也就会随之变化。按照传统的建模计算方法，要分析具体的变化量，需要了解换热器的内部结构，同时构建换热器的换热模型，每次参数的变化都需要重新对加热器的内部换热进行计算，过程中需要根据流量查取普朗特数、雷诺数等，并根据经验性公式进行计算，计算过程相当复杂，且由于采用经验性公式计算的准确性也难以保证。为此有研究对加热器的变工况进行了数值模拟，通过利用数值模拟形成研究数据，并对加热器端差运行目标值进行拟合，形成了无蒸汽冷却段和疏水冷却段的变工况端差计算公式：|式中，为加热器上端差，；为加热器的汽侧温度，；为给水入口水温，；为给水流量，；下角为 表示设计工况，非 为运行工况。在此基础上，相关研究对以上内容进行了扩展，并形成了适用于三段式加热器的变工况时上端差公式：（）（）|（）|（）式中，为加热器的抽汽量，；为上级加热器的疏水量，；为加热器的抽汽焓，；为加热器的抽汽压力对应的饱和焓值，；为加热器的疏水焓值，；为给水定压比热容，（）。加热器的下端差公式在以上文章中也有研究，在此不再详细说明。以上公式虽然很好地从理论上对各参数之间的关系进行了表达，但研究结果的实用性并不强，因为实际电厂中，公式中的流量数据、一般不进行测量，所以据此公式来实时计算上、下端差并不具有很好的可操作性，也就无法获得加热器的出口各项参数。鉴于传统机理模型在加热器变工况计算中的复杂性和局限性，本研究考虑采用神经网络建立加热器的模型，以计算不同工况下的相关参数。加热器神经网络模型研究根据第 节的故障类型和征兆分析，希望在故障诊断过程中能够得到当前运行条件下加热器出口给水温度、疏水温度、水侧压降的目标值。因此，构建的网络模型输出参数为这 个参数。同时结合理论分析，充分考虑可能会影响以上输出的各类因素，从中筛选加热器的输入参数。加热器水侧进口的压力、温度、流量，汽侧进口的压力、温度（汽侧流量一般不具备测量条件，而且可通过热平衡由水侧求出），上级疏水温度这 个变量对加热器出口参数具有直接的影响，另外为衡量变工况的情况，引入了发电功率这一输入。考虑到机组运行过程中，加热器具有一定的储热能力，因此上一时刻的运行对于下一时刻的运行有一定的影响，为此我们特别提取了 前的加热器实际疏水温度和发电功率来作为输入来模拟这种储热过程。综上分析内容，本研究中构建了 个输入（水侧进口的压力、温度、流量、汽侧进口的压力、温度、上级疏水温度、发电功率、前的本加热器疏水温度、前的发电功率），个输出（加热器出口给水温度、疏水温度、水侧压降）的神经网络，采用 神经网络模型，隐含层选取了 个节点。利用某 等级电厂的 号高加运行数据 组，对加热器的神经网络模型进行了训练，另随机取 组数据作为校验。利用形成的神经网络模型对 组数据进行目标值的预测，并与实际运行值相比较，得到图 图 所示的曲线。图 所示为加热器出口给水温度的目标值与实际运行值的对比，从图 可以看出，目标值与实际运行值非常接近，最大误差约 左右，最大预测偏差仅为，预测效果较好。图 加热器出口给水温度目标值和运行值对比曲线汽 轮 机 技 术第 卷图 所示为加热器汽侧疏水温度的目标值与运行值的对比，由图 可以看出，预测效果也较好，但相比图 误差要大一些，最大误差约，最大预测误差为，但预测的准确度也满足工程需要。图 加热器疏水温度目标值和运行值对比曲线图 所示为给水压降对比曲线，其最大误差为，整体预测效果也较好，可以很好的反映设备运行时的阻力。图 加热器给水压降目标值和运行值对比曲线 基于目标值分析的加热器故障诊断实例 加热器性能指标对标以上面建立的加热器神经网络模型对加热器的出口给水温度、疏水温度和水侧压降的目标值进行计算，通过对比实际运行值和目标值的偏差，再结合现有的测点和信号就可以实现加热器的故障诊断，及时发现系统运行可能存在的问题。为防止由于目标值预测过程中出现的误差影响诊断结果，给运行值和目标值的偏差设定了临界值。根据前面的目标值计算误差，由 个参数的误差最大值并进行圆整，得到出口给水温度、疏水温度、出口压降的最大偏差为、。当实际运行值超出以上偏差，则认为该项指标存在问题。并进入自动故障诊断过程。加热器故障诊断过程诊断时，运行值可以由电厂 系统实时获得，目标值根据 项输入（也来自 系统）有神经网络模型实时计算，计算得到的目标值同运行值进行对标比较，当二者误差超过以上临界值时，进入诊断流程，诊断流程的具体的逻辑如图 所示。分别将出口温度、疏水温度、出口压降 个参数进行以上对标判断，如图 中，得出、后，根据 个数值的组合情况进行事故推理。当三者值满足右边几种故障对应的情况时，即可判断当前故障为此类故障，并弹出报警及操作指导窗口。经过测试，当实际运行的指标出现偏差时，加热器诊断图 加热器故障诊断逻辑图系统可以根据偏差指标的数量和类型，并按照诊断逻辑，对故障进行判断，并弹出窗口，进行报警提示并指导工作人员运行，以消除故障。结 论本研究从加热器的常见故障类型出发，对故障进行了分类，并对故障过程进行了分析，得到了各类故障发生时对应的故障征兆，为故障诊断奠定了基础。考虑到加热器的变工况计算过程复杂，同时由于部分流量数据现场无直接测量数据，因此传统机理模型在计算变工况运行时存在局限性。因此，本研究结合理论分析，提出了加热器的神经网络模型，通过分析，确定了加热器的输入输出参数，并采用 神经网络模型，利用 多组运行数据对加热器进行了训练。利用 组数据对模型进行检验，发现模型的出口给水温度、疏水温度、给水出口压降的最大计算误差分别为、。在以上研究的基础上，利用神经网络模型对加热器的 个目标值进行计算，与实际运行值对标，并考虑一定的误差，结合故障诊断逻辑图，实现对加热器的故障诊断。参 考 文 献 王启龙 火电厂汽轮发电机组故障诊断系统的研究与开发 南京：东南大学，马良玉，高建强，王兵树，等 机组给水高压加热器系统故障的模糊模式识别 中国电力，（）：宋宏儒，丁常富，冯玉朝 神经网络在高加故障诊断中的应用 东北电力技术，（）：张欣刚，李 勇，徐治皋，等 高压给水加热器泄露的动态仿真与故障特征提取 汽轮机技术，（）：梁 娜，丁常富，丁振宇 基于概率神经网络的高压加热器故障诊断及仿真 发电设备，（）：张 晓，李录平，陈腊民，等 加热器内部泄露故障的试验研究 热能动力工程，（）：骆贵兵，李崇祥 算法的回热系统故障诊断人工神经网络模型 热力发电，（）：马良玉，刘 婷 不同负荷低加内部泄露故障神经网络诊断研究 计算机测量与控制，（）：张欣刚，徐治皋，李 勇，等 火电机组高压给水加热器动态过程的数值分析 中国动力工程学报，（）：（下转第 页）汽 轮 机 技 术第 卷 工程应用 年，本案例机组进行了给水调频旁路改造，旁路设计流量比例为总流量的。主给水的管道口径为，给水调频小旁路的管道口径定为。旁路设置用于调节流量的调节阀，以及前后隔绝的开关阀。该管路与主给水管道为相同的工作参数，压力高，所以管道及阀门采用 合金钢材料。工况进行了一次调频响应试验，在主汽阀保持阀位的情况下，开启给水调频旁路，时间负荷提升约，为额定负荷的，小于理论调频能力。试验表明旁路设计偏小，当一次调频幅值要求较大时，给水调频旁路不能满足要求，需结合实施其它调频手段。但给水调频旁路投用后，可以明显减小主汽调节阀节流程度，机组运行经济性得到提高。结 论鉴于火电机组常规一次调频方式对机组经济性的影响，以 超超临界汽轮机组为分析对象，从抽汽侧和给水侧提出了一次调频优化手段，要点如下：（）常规一次调频手段是通过保留主汽阀开度裕量实现，牺牲了机组的经济性。（）补汽阀旁路调频可能引起轴系振动，凝结水变负荷调频能力有限，两种方式只能作为辅助手段。（）抽汽侧一次调频优化手段有单切一抽和同切一二抽两种。切一二抽在中高负荷可以满足调频的要求。（）给水侧一次调频优化手段通过增设给水调频旁路。工况旁路流量，工况旁路流量 可满足规范的调频要求。（）蒸汽侧或给水侧一次调频投运时，给水温度大幅降低。蒸汽侧一次调频会引起高加的工作压力变化。（）推荐采用给水调频旁路来提升机组一次调频能力。参 考 文 献 潘尔生，田雪沁，徐彤，等 火电灵活性改造的现状、关键问题与发展前景 电力