基于多信息融合的小機(jī)故障預(yù)警研究

浙江浙能溫州發(fā)電有限公司 李文華 徐智偉

基于多信息融合的小機(jī)故障預(yù)警研究

浙江浙能溫州發(fā)電有限公司 李文華 徐智偉

本文根據(jù)小機(jī)故障類型進(jìn)行知識(shí)推理和信息融合混合推理識(shí)別故障模式，利用知識(shí)庫(kù)中的診斷規(guī)則，對(duì)小機(jī)的多測(cè)點(diǎn)信息進(jìn)行融合推理，得到故障模式的診斷信息。通過(guò)采用D-S證據(jù)理論方法對(duì)小機(jī)的進(jìn)口蒸汽壓力和高壓進(jìn)口蒸汽溫度的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到綜合診斷結(jié)果。

信息融合；故障預(yù)警；小機(jī)；綜合診斷；可靠性

0 引言

電廠小機(jī)運(yùn)行狀況的優(yōu)劣，直接影響到整個(gè)電廠運(yùn)行的安全性以及經(jīng)濟(jì)性。在故障發(fā)生的時(shí)候，小機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性往往會(huì)變得很差，此時(shí)如果運(yùn)行人員調(diào)整不當(dāng)，很容易造成機(jī)組溫度持續(xù)升高，嚴(yán)重極端情況下還會(huì)引發(fā)爆燃等事故。

為提高小機(jī)的運(yùn)行效率并提高安全性，本文將證據(jù)理論融合方法引入到小機(jī)的穩(wěn)定性診斷中，對(duì)小機(jī)的進(jìn)口蒸汽壓力和高壓進(jìn)口蒸汽溫度傳感器監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析并融合，得到一個(gè)較全面反應(yīng)小機(jī)安全狀況的綜合診斷信息。

證據(jù)理論是一種處理不確定性的理論。證據(jù)理論的主要特點(diǎn)有：需滿足的條件比貝葉斯概率理論更弱，即不必滿足概率可加性；具有直接表達(dá)“不知道”和“不確定”的能力，在證據(jù)合成過(guò)程中，這些保留的信息表示在函數(shù)中；類似于人類在各級(jí)抽象層次上的證據(jù)收集過(guò)程，證據(jù)理論允許人們將信度賦給假設(shè)空間里的單個(gè)元素，而且還能賦給它的子集。相比于概率推理理論而言，證據(jù)理論中所需的先驗(yàn)數(shù)據(jù)更容易獲得、更為直觀，且合成公式可以綜合多個(gè)專家或數(shù)據(jù)源的知識(shí)或數(shù)據(jù)。在故障模式識(shí)別過(guò)程中，同一個(gè)故障征兆可以對(duì)應(yīng)多個(gè)故障模式，且每個(gè)故障征兆對(duì)識(shí)別故障的貢獻(xiàn)不同，因而基于證據(jù)理論的信息融合方法就非常適合用來(lái)做故障模式識(shí)別。

1 基于證據(jù)理論的信息融合方法

在證據(jù)理論中，涉及到識(shí)別框架、基本概率分配函數(shù)、信度函數(shù)、似真函數(shù)等概念，定義如下：

定義1設(shè)變量所有可能值的窮舉集合為Θ={,θ1,θ2,...,θn}，若Θ中的各個(gè)元素是相互排斥的，則稱Θ為識(shí)別框架（Frame of Discernment）。

定義2設(shè)Θ為識(shí)別框架，對(duì)人一個(gè)屬于Θ的子集A(命題)都令他對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)m(A)∈[0，1]，且滿足：

表1 故障模式識(shí)別示例計(jì)算的BPA

圖1 小機(jī)故障樹

表2 小機(jī)軸故障樹符號(hào)定義表

表3 溫州小機(jī)性能報(bào)警測(cè)點(diǎn)表

所定義的函數(shù)Bel(A)為識(shí)別框架Θ上的信度函數(shù)(Belieffunction)。信度函數(shù)Bel(A)表示對(duì)A的總的信任程度。

所定義的函數(shù)Pl(A)為識(shí)別框架上的似真函數(shù)(Plausibilityfunction)，似真函數(shù)Pl(A)表示對(duì)A不否定的信任程度。

其中，K為歸一化常數(shù)

2 故障模式的識(shí)別

2.1 融合策略

不同故障模式在各自診斷模型中所列的各個(gè)故障征兆表現(xiàn)上具有不同程度的反映，經(jīng)分類得到故障所屬模式類后，利用不同的征兆條件群建立診斷模型，通過(guò)基于證據(jù)理論的信息融合方法進(jìn)行知識(shí)推理來(lái)診斷具體的故障模式。例如，對(duì)于一倍頻故障類，所包含的在線監(jiān)測(cè)故障模式共有原始質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)動(dòng)部件松動(dòng)飛脫、轉(zhuǎn)子熱彎曲這三種，根據(jù)這三個(gè)故障模式的診斷模型，利用軸振振幅、瓦振振幅、振動(dòng)穩(wěn)定性、軸振時(shí)域波形、軸心軌跡、振動(dòng)相位變化、軸瓦溫度、頂軸油壓、軸向位移和脹差等征兆，就能將它們區(qū)分識(shí)別。經(jīng)過(guò)信息融合后選擇可信度最大的故障模式即為所求結(jié)果。為了提高證據(jù)合成的效率，避免發(fā)生證據(jù)組合爆炸情況，提出一種貝葉斯近似方法的Dempster證據(jù)合成公式，使焦元個(gè)數(shù)小于或等于識(shí)別框架中元素的個(gè)數(shù)。Voorbraak給出了mass函數(shù)的貝葉斯近似計(jì)算公式:

否則，m(A)=0。

一倍頻故障類的三個(gè)故障模式組成了識(shí)別框架Θ={F1,F2,F3}（原始質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)動(dòng)部件松動(dòng)飛脫、轉(zhuǎn)子熱彎曲分別用F1,F2,F3表示），故障征兆集合{Z1,Z2,...,Zn}作為mass函數(shù)集合{M1,M2,...,Mn}。這里僅用于演算示例，假設(shè)故障征兆只有Z1,Z2,ZN，故障發(fā)生的情況只有{F1},{F2},{F3},{F1,F2},和{F1,F2,F3}這幾種簡(jiǎn)化組合情況，根據(jù)上述假定分別給出下表所示的BPA，各列的數(shù)值為該征兆對(duì)每個(gè)故障模式識(shí)別的貢獻(xiàn)度。

對(duì)于這種無(wú)交叉故障發(fā)生情形的而言，對(duì)F1,F2,F3的組合函數(shù)再求信任函數(shù)、似然函數(shù)，可知“信任函數(shù)=似然函數(shù)=組合后的mass函數(shù)值”，即:

2.2 故障原因查找

在診斷出故障模式后，根據(jù)故障樹分析法可以找出故障原因。故障原因的查找方法如圖1所示：

圖2 水泵小計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 進(jìn)口蒸汽壓力和高壓進(jìn)口蒸汽溫度趨勢(shì)圖

圖4 小機(jī)調(diào)門開度趨勢(shì)圖

首先，依據(jù)故障樹得到故障原因底事件，列全所有的故障原因的最小割集，形成故障原因規(guī)則知識(shí)庫(kù)。以圖1的軸向動(dòng)靜跑摩故障為例說(shuō)明故障原因知識(shí)庫(kù)的建立過(guò)程。該故障樹的最小割集有個(gè)，故能得出的診斷規(guī)則有條，例如：

If“升速率太快或暖機(jī)時(shí)間過(guò)短”and“脹差引起的軸向間隙減小”and“軸封與凸肩軸向碰摩”and“故障模式為軸向碰摩”，then“故障原因?yàn)樯俾侍旎蚺瘷C(jī)時(shí)間過(guò)短引起的脹差間隙變小”；

2.3 故障位置查找

對(duì)于大多數(shù)故障而言，故障位置一般都是根據(jù)故障信號(hào)的監(jiān)測(cè)位置，例如對(duì)于整個(gè)軸系來(lái)說(shuō)，分為高中壓缸、低壓缸、小機(jī)幾個(gè)部分，通過(guò)每段軸承上的軸振或者瓦振信息，就能大致定位出故障發(fā)生在那個(gè)體或設(shè)備上。但是機(jī)組的振動(dòng)往往具有很大的關(guān)聯(lián)性，因?yàn)楦鞫无D(zhuǎn)軸是通過(guò)聯(lián)軸器相連的，所以也會(huì)有小機(jī)的異常振動(dòng)引起低壓缸的振動(dòng)這種類似的情況。而且，對(duì)于某些特殊故障，這一簡(jiǎn)單直觀的方法并不能解決問(wèn)題，如轉(zhuǎn)軸碰摩，到底是汽紅內(nèi)的轉(zhuǎn)子碰摩還是軸封處碰摩都無(wú)法立即確定。所以運(yùn)行人員需根據(jù)相關(guān)聯(lián)的部件測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，同時(shí)進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析，對(duì)非故障因素進(jìn)行排除，得到一個(gè)相對(duì)精確的故障信息，從而可以確定故障模式以及故障位置。例如：“故障模式為軸向振動(dòng)碰摩”and“故障原因?yàn)樯俾侍旎蚺瘷C(jī)時(shí)間過(guò)短引起的脹差間隙變小”and“軸振過(guò)大”，then“故障位置在高中壓缸高壓端軸封處”。

2.4 系統(tǒng)實(shí)施

利用多元數(shù)據(jù)信息融合技術(shù)，可以融合不同維度的信息，結(jié)合一定的數(shù)據(jù)挖掘算法和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，在“故障預(yù)警”系統(tǒng)里，當(dāng)設(shè)備在實(shí)時(shí)工況下出現(xiàn)報(bào)警，可以結(jié)合報(bào)警信息對(duì)設(shè)備的當(dāng)前工況下進(jìn)行安全狀態(tài)分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的早期預(yù)警診斷，以確保設(shè)備的正常運(yùn)行，有效的避免設(shè)備的損壞而造成經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重后果。

由于一般的設(shè)備在異常工況下不是單一測(cè)點(diǎn)報(bào)警，而是多測(cè)點(diǎn)報(bào)警，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的信息又是不同維度的，這時(shí)為了研究分析設(shè)備當(dāng)前工況下的安全狀態(tài)就需要這樣的分析理論去結(jié)合多元數(shù)據(jù)信息來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)警診斷。對(duì)報(bào)警的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行羅列，每一個(gè)種類分為一種特征，各種特征之間相互組合都能夠?qū)υO(shè)備造成不同的影響。根據(jù)當(dāng)前報(bào)警測(cè)點(diǎn)的情況，將每種報(bào)警的特征結(jié)合在一起，可以分析出設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行狀況，以及確定故障發(fā)生的位置，達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障位置，對(duì)設(shè)備實(shí)現(xiàn)早期預(yù)警，避免發(fā)生嚴(yán)重后果的效果，并且對(duì)異常工況下的設(shè)備對(duì)多測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全面性分析能夠更有效、更準(zhǔn)確的確定設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀況。

3 實(shí)例分析

該系統(tǒng)自投入我廠實(shí)際應(yīng)用以來(lái)，已取得了十分良好的使用效果，通過(guò)該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用和專業(yè)人員的不斷總結(jié)和不斷完善，多年來(lái)已經(jīng)實(shí)際預(yù)警了很多設(shè)備的故障。避免了很多不必要的經(jīng)濟(jì)損失和設(shè)備故障可能造成的嚴(yán)重后果。下面通過(guò)實(shí)際發(fā)生的小機(jī)故障案例來(lái)說(shuō)明系統(tǒng)的故障預(yù)警實(shí)際的工作過(guò)程。

將設(shè)備出現(xiàn)異常的具體時(shí)間，相關(guān)測(cè)點(diǎn)描述等相關(guān)詳細(xì)信息整理成如表3所示的預(yù)警點(diǎn)詳情表。實(shí)際工作人員就可以按照相關(guān)流程，并根據(jù)相關(guān)設(shè)備的實(shí)際預(yù)警信息對(duì)設(shè)備可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析判斷，這樣就能夠提前排除設(shè)備故障。

圖5 四抽至小機(jī)壓力和小機(jī)轉(zhuǎn)速趨勢(shì)圖

自“故障預(yù)警”系統(tǒng)投運(yùn)起，1月2日20時(shí)，#4B給水泵進(jìn)口蒸汽壓力實(shí)際值0.35MPa，比預(yù)估值0.54MPa偏差0.19MPa，由此導(dǎo)致預(yù)警。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)趨勢(shì)圖

圖6 給水泵汽機(jī)B進(jìn)口蒸汽壓力趨勢(shì)圖

3.3 原因分析

溫州電廠#4機(jī)（330MW）配備二套50%給水泵小機(jī)系統(tǒng)，該小機(jī)可以由高壓（冷再）和低壓（四抽）兩種汽源單獨(dú)或同時(shí)供汽，各有獨(dú)立的主汽門和調(diào)整門進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。如圖3所示：

從趨勢(shì)圖分析，1月20日20時(shí)，#4B小機(jī)四抽進(jìn)汽壓力下降，#4B小機(jī)冷再進(jìn)汽溫度上升，判斷冷再蒸汽已經(jīng)參與調(diào)節(jié)，判斷四抽進(jìn)汽回路或者調(diào)節(jié)控制回路出現(xiàn)異常引起。如圖4所示：

1月12日汽機(jī)點(diǎn)檢員和儀控點(diǎn)檢員分別對(duì)機(jī)務(wù)進(jìn)汽回路和調(diào)節(jié)控制回路進(jìn)行檢查，四抽調(diào)節(jié)控制回路。如圖5所示，儀控對(duì)小機(jī)調(diào)門開度趨勢(shì)圖分析，四抽調(diào)門開度在全開位置，為了維持小機(jī)轉(zhuǎn)速，冷再調(diào)門參與調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)控制回路屬于正常狀態(tài)。

汽機(jī)專業(yè)點(diǎn)檢也對(duì)進(jìn)汽回路所有閥門進(jìn)行檢查，退出#4B汽泵運(yùn)行，隔離冷再至小機(jī)進(jìn)汽隔離閥，只有四抽進(jìn)汽隔離閥參與調(diào)節(jié)，當(dāng)小機(jī)轉(zhuǎn)速低于3000r/min時(shí)四抽至小機(jī)進(jìn)汽壓力顯示0.35MPa；小機(jī)轉(zhuǎn)速4200r/min時(shí)四抽至小機(jī)進(jìn)汽壓力顯示0.25MPa，進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥全開，進(jìn)汽量不足，如圖6所示：

點(diǎn)檢還對(duì)四抽至小機(jī)進(jìn)汽隔離閥和電動(dòng)閥進(jìn)行檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。經(jīng)過(guò)以上綜合判斷，認(rèn)為四抽逆止閥卡澀引起進(jìn)汽壓力和流量不夠，冷再參與調(diào)節(jié)引起預(yù)警，等機(jī)組檢修時(shí)安排逆止閥檢修處理。

從趨勢(shì)圖看，進(jìn)口蒸汽壓力和高壓進(jìn)口蒸汽溫度變動(dòng)曲線偏離較大，但是無(wú)突變現(xiàn)象，可以排除“汽流激振”“動(dòng)靜摩擦”等異常可能，屬于逆止閥卡澀現(xiàn)象。

對(duì)該事件可以總結(jié)出小機(jī)故障的一個(gè)故障模式，如表3所示：

綜上所述，可以得出結(jié)論：在“故障預(yù)警”系統(tǒng)投用后，監(jiān)測(cè)到機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，監(jiān)測(cè)到小機(jī)四抽進(jìn)汽壓力下降，小機(jī)冷再進(jìn)汽溫度上升，點(diǎn)檢還對(duì)四抽至小機(jī)進(jìn)汽隔離閥和電動(dòng)閥進(jìn)行檢查，且均無(wú)異?，F(xiàn)象。經(jīng)過(guò)以上綜合判斷，認(rèn)為進(jìn)汽壓力過(guò)低和進(jìn)口流量低由四抽逆止閥卡澀引起。所以在有條件檢修情況下，建議運(yùn)行維修人員修整逆止閥，提高小機(jī)運(yùn)行可靠性，消除壓力偏差。

表4 小機(jī)故障模式

4 結(jié)束語(yǔ)

這種基于D-S矩陣論的多信息融合的故障預(yù)警與診斷方法，相比于傳統(tǒng)的單信息單測(cè)點(diǎn)故障預(yù)警，具有更高的可靠性、精確性，能夠在多維度數(shù)據(jù)中體現(xiàn)出其優(yōu)秀高效的特點(diǎn)。這種多信息融合的故障預(yù)警診斷技術(shù)通過(guò)全面分析設(shè)備的實(shí)時(shí)工況信息，能夠根據(jù)關(guān)聯(lián)性較大的測(cè)點(diǎn)直接的關(guān)聯(lián)度，來(lái)準(zhǔn)確判斷設(shè)備的安全狀況，為機(jī)組的安全運(yùn)行提供了可靠的保障，方便進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)人員制定的設(shè)備維修計(jì)劃，為機(jī)組在線安全運(yùn)行提供了科學(xué)依據(jù)。

[1]陳昆亮．汽輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)警系統(tǒng)研究[D]．華北電力大學(xué),2012．

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[8]黃乃成．基于知識(shí)的汽輪發(fā)電機(jī)組智能故障診斷研究[D]．華北電力大學(xué),2013．

[9]張國(guó)坤．基于聚類分析的汽輪發(fā)電機(jī)組早期故障識(shí)別系統(tǒng)研究[D]．華北電力大學(xué),2013．

[10]李文祝．小機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化故障診斷系統(tǒng)研究[D]．華北電力大學(xué),2000．