基于模糊petri網(wǎng)理論的汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)故障診斷研究

冉 力，廖開(kāi)強(qiáng)，陳艷軍，張曉勇

（1.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，山東 濟(jì)南 250013；2.國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100094）

0 引言

汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)是汽輪發(fā)電機(jī)組的重要功能系統(tǒng)，其主要是為汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)軸承提供潤(rùn)滑用油及冷卻用油。潤(rùn)滑油壓低故障報(bào)警信號(hào)是電廠監(jiān)控的重要故障信號(hào)之一，該故障將直接導(dǎo)致汽輪機(jī)停機(jī)或影響電廠機(jī)組的安全運(yùn)行。以660MW火力發(fā)電廠汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)汽輪機(jī)潤(rùn)滑油壓低故障，進(jìn)行故障建模及診斷分析研究。

Petri網(wǎng)（Petri net，PN）的概念最初是由聯(lián)邦德國(guó)的Carl A dam Petri于1962年首次在他的博士論文 《自動(dòng)機(jī)通信》中提出。后經(jīng)過(guò)Peterson和Hack等人的不斷研究，發(fā)展成為一種可并發(fā)的狀態(tài)變遷模型，已經(jīng)在許多領(lǐng)域展開(kāi)了廣泛的研究，并在20世紀(jì)80年代后期得到了大量的應(yīng)用［1］。模糊Petri網(wǎng)（FPN）作為Petri網(wǎng)的一個(gè)重要分支，也越來(lái)越多地得到了人們的關(guān)注。模糊Petri網(wǎng)由于更符合人類的思維和認(rèn)知方式，在描述和分析許多物理系統(tǒng)乃至社會(huì)系統(tǒng)的并行和并發(fā)行為時(shí)具有廣泛的意義，特別是應(yīng)用在人類知識(shí)的表示和人工智能中非常合適由于模糊網(wǎng)對(duì)知識(shí)表示和推理的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)［2］。

由于故障的產(chǎn)生和傳播是一個(gè)典型的動(dòng)態(tài)行為過(guò)程，基于Petri網(wǎng)的故障診斷方法可將知識(shí)表示和診斷推理融為一體，完成描述性知識(shí)和過(guò)程性的診斷推理。利用模糊Petri網(wǎng)理論，針對(duì)汽輪機(jī)潤(rùn)滑油壓低故障，建立汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)模糊Petri網(wǎng)故障模型。經(jīng)過(guò)對(duì)模型的推理計(jì)算，得到了汽輪機(jī)潤(rùn)滑油壓低故障產(chǎn)生的各個(gè)原因概率。通過(guò)與電廠潤(rùn)滑油系統(tǒng)故障原因的實(shí)際對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性和有效性，為電廠運(yùn)行人員的故障分析處理起到了一定的指導(dǎo)，并為電廠系統(tǒng)的故障診斷提供了一種新的方法。

1 汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)

以某火力發(fā)電廠660MW機(jī)組汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)“汽輪機(jī)潤(rùn)滑油壓低”故障進(jìn)行建模和分析。

由于汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)中注油器和主油泵只在汽輪機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后投入，其本身故障概率極低，且故障后會(huì)有輔助油泵聯(lián)鎖啟動(dòng)以滿足軸承潤(rùn)滑油壓力，不會(huì)導(dǎo)致“汽輪機(jī)潤(rùn)滑油壓低”故障，故本文模型中將簡(jiǎn)化掉注油器和主油泵。汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)模型，如圖1所示。

圖1 汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)模型

該系統(tǒng)中，主油箱中的油經(jīng)潤(rùn)滑油泵到達(dá)冷油器，經(jīng)冷油器冷卻后進(jìn)入過(guò)濾器，然后到達(dá)軸承供油總管。各潤(rùn)滑油泵之間存在如下聯(lián)鎖關(guān)系：當(dāng)交流潤(rùn)滑油泵A故障，將自動(dòng)啟動(dòng)交流潤(rùn)滑油泵B；當(dāng)交流潤(rùn)滑油泵均故障，潤(rùn)滑油壓力下降到一定值（未達(dá)到低報(bào)警值）時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)危急直流潤(rùn)滑油泵。

2 模糊Petri網(wǎng)理論

模糊Petri網(wǎng)（FPN）是在 Petri網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展而成的，同樣是由庫(kù)所、變遷、用于連接庫(kù)所和變遷的有向弧及初始標(biāo)識(shí)所構(gòu)成的［3］。庫(kù)所是靜態(tài)的，其用于記錄構(gòu)成系統(tǒng)的個(gè)體及系統(tǒng)本身的狀態(tài)。變遷的作用則是使系統(tǒng)中狀態(tài)改變的規(guī)則動(dòng)態(tài)化。模糊Petri網(wǎng)相比普通Petri網(wǎng)是在變遷的產(chǎn)生中加入了模糊規(guī)則。

2.1 模糊petri網(wǎng)的定義

模糊 petri網(wǎng)（FPN）可定義為一個(gè)六元組［4］：（P，R，I，O，λ，C）。

其中，P＝｛P1，P2，…，Pn｝是模糊庫(kù)所節(jié)點(diǎn)的有限集合，表示模糊命題。

R＝｛R1，R2，…，Rm｝是模糊變遷節(jié)點(diǎn)的有限集合，表示規(guī)則的實(shí)現(xiàn)。

I：P×R→｛0，1｝，是命題到規(guī)則的 n×m 的有向弧矩陣。

O：P×R→｛0，1｝，是規(guī)則到命題的 n×m 的有向弧矩陣。

λ 表示命題為真的矩陣 λ＝（λ1，λ2，…，λn）T，λi∈［0，1］，命題初始值由 λ0表示。

C＝diag｛C1，C2，…，Cm）｝，C 為置信度矩陣。

2.2 模糊產(chǎn)生式規(guī)則

模糊產(chǎn)生式規(guī)則（fuzzy production rules）通常是描述2個(gè)模糊命題之間關(guān)系的規(guī)則。令R為模糊產(chǎn)生式規(guī)則的集合，R＝｛R1，R2，…，Rm｝，置信度（confidence）是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或?qū)＜覕?shù)據(jù)庫(kù)對(duì)一個(gè)事物或現(xiàn)象為真的相信程度，基于置信度Ci的第i條模糊產(chǎn)生式規(guī)則Ri可用如下的形式來(lái)描述［5］：

式中：Ci為置信度，Ci∈［0，1］，它表示規(guī)則真實(shí)度的強(qiáng)度；Pj和Pk為包含模糊變量命題。

2.3 含模糊規(guī)則的petri網(wǎng)表示

Petri網(wǎng)的庫(kù)所中可以包含令牌（token，用一小黑點(diǎn)表示），表示與該庫(kù)所相連的條件是否成立。庫(kù)所和所含的令牌構(gòu)成系統(tǒng)的一個(gè)標(biāo)識(shí)。如果一個(gè)變遷的所有指向它的庫(kù)所都至少含有一個(gè)令牌，那么該變遷是可以發(fā)生的。如果變遷是可以發(fā)生的，并且使它發(fā)生的外部邏輯條件也得到了滿足，則稱這個(gè)變遷是可發(fā)射的。變遷發(fā)射后，從這個(gè)變遷的各輸入位置中取出一個(gè)令牌，并在這個(gè)變遷的各輸出庫(kù)所中放入一個(gè)令牌，系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)新的標(biāo)識(shí)狀態(tài)。模糊Petri網(wǎng)在變遷上增加了規(guī)則的置信度，圖2表示了幾種基本模糊Petri網(wǎng)（FPN）的結(jié)構(gòu)［6］：

圖2 幾種基本的FPN表示結(jié)構(gòu)

3 潤(rùn)滑油系統(tǒng)模糊petri網(wǎng)故障建模和分析

3.1 模糊 petri網(wǎng)故障模型

模糊Petri網(wǎng)故障模型的建模方法與故障樹分析法相似。通過(guò)分析故障模型的頂事件，給出故障判據(jù)，分別找出事件發(fā)生的直接原因，并確定原因之間的邏輯關(guān)系；依此推理，直到找出導(dǎo)致系統(tǒng)故障的最底層故障［7］。

潤(rùn)滑油系統(tǒng)正常運(yùn)行壓力范圍為0.096～0.124MPa，當(dāng)軸承總管壓力低于0.06MPa時(shí)，產(chǎn)生“汽輪機(jī)潤(rùn)滑油壓低”故障報(bào)警信號(hào)。對(duì)于一個(gè)特定的系統(tǒng)，其系統(tǒng)故障的產(chǎn)生可由底層故障和過(guò)程故障導(dǎo)致。 過(guò)程故障是由底層故障的產(chǎn)生所引起。潤(rùn)滑油系統(tǒng)中系統(tǒng)故障P0為 “汽輪機(jī)潤(rùn)滑油壓低”，導(dǎo)致系統(tǒng)故障 P0的底層故障［8］，及其在壽命周期內(nèi)的發(fā)生概率如表1所示。

表1 底層故障及其概率

其中由這些底層故障產(chǎn)生的過(guò)程故障狀態(tài)有：

P21：供油泵故障

P22：供油嚴(yán)重泄露

P23：潤(rùn)滑油溫低、黏度高

P24：供油系統(tǒng)阻力大

根據(jù)模糊Petri網(wǎng)的建模原則，分析底層故障、過(guò)程故障及系統(tǒng)故障之間的模糊產(chǎn)生式如下：

規(guī)則 R1：if P1 and P2 and P3 then P21

規(guī)則 R2：if P4 or P5 or P6 then P22

規(guī)則 R3：if P7 or P8 then P23

規(guī)則 R4：if P9 or P10 or P11 then P24

規(guī)則 R5：if P12 or P13 or P21 or P22 or P23 or P24 then P0

其中規(guī)則 R1 R3 R4 R5 為復(fù)合規(guī)則［9］，分別包含了故障產(chǎn)生的多條規(guī)則信息。

底層故障P12～P13、過(guò)程故障與系統(tǒng)故障之間的規(guī)則置信度為：

底層故障P1～P11與過(guò)程故障之間的規(guī)則置信度為：

將以上故障庫(kù)所、故障產(chǎn)生式規(guī)則以及規(guī)則置信度按相應(yīng)關(guān)系對(duì)應(yīng)，并根據(jù)模糊petri網(wǎng)的建模原則，建立潤(rùn)滑油系統(tǒng)模糊故障petri網(wǎng)模型，如圖3所示。

圖3 模糊petri網(wǎng)故障模型

3.2 故障分析

根據(jù)模糊Petri網(wǎng)的定義，F(xiàn)PN推理算法如下［10］：

算法推理過(guò)程如下①：K=0②根據(jù)式 （2），由λk求 λk+1； ③ 若 λk≠λk+1，令 K=K+1，重復(fù)步驟②，若 λk=λk+1，推理結(jié)束。

初始狀態(tài)為：

λ0＝（0.003，0.003，0.002，0.000 5，0.000 8，0.6，0.003，0.003，0.026，0.01，0.008，0.015，0.01，0）

C1（1，0.94，0.62，0.85，1，0.73）

C2（1，1，0.98，0.87，0.25，0.12，0.95，0.9，0.3）

代入公式（2），由推理算法計(jì)算得：

λ0＝（0.003，0.003，0.002，0.000 47，0.000 7，0.049，0.000 5，0.000 25，0.021，0.008，0.002，0.015，0.007 3）T

λ3＝λ2推理結(jié)束。

對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行歸一化處理，得到各導(dǎo)致汽輪機(jī)潤(rùn)滑油壓低故障的原因的發(fā)生概率分別為：

λ＝（0.027，0.027，0.018，0.004，0.006，0.44，0.004，0.002，0.185，0.07，0.018，0.135，0.064）T

由以上結(jié)果可知，汽輪機(jī)潤(rùn)滑油壓低故障產(chǎn)生的最主要原因?yàn)橄到y(tǒng)焊口斷裂（P6），其次是潤(rùn)滑油過(guò)濾器阻塞（P9）及系統(tǒng)壓力開(kāi)關(guān)故障（P12）。

通過(guò)對(duì)多個(gè)電廠汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng) “油壓低故障”原因的調(diào)研，得知產(chǎn)生該故障的最主要原因均為系統(tǒng)焊口間存在斷裂或破口。實(shí)際調(diào)研結(jié)果與模糊petri網(wǎng)故障模型計(jì)算結(jié)果一致，證明了該方法的正確性和有效性。

4 結(jié)論

針對(duì)汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)潤(rùn)滑油壓低故障，利用模糊petri網(wǎng)，建立了汽輪機(jī)潤(rùn)滑油系統(tǒng)的故障petri網(wǎng)模型。經(jīng)過(guò)對(duì)模型的推理計(jì)算，得到了汽輪機(jī)潤(rùn)滑油壓低故障產(chǎn)生的各個(gè)原因概率。通過(guò)與電廠潤(rùn)滑油系統(tǒng)故障原因的實(shí)際對(duì)比，證明了推理結(jié)果的正確性和有效性，為電廠運(yùn)行人員的故障分析處理起到了一定的指導(dǎo)，并為電廠系統(tǒng)的故障診斷提供了一個(gè)新的思路。