基于大數(shù)據(jù)分析的燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組遠程診斷平臺及其應用

王 非，馬 雁，劉黎明

(1.國家電投集團河南電力有限公司技術信息中心，鄭州 450000；2.鄭州電力高等?？茖W校電力工程系，鄭州 450000；3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司培訓中心湖州分中心，浙江 湖州 313000)

隨著燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的不斷發(fā)展，對機組安全、可靠、經(jīng)濟運行的要求日益提高，傳統(tǒng)的人工監(jiān)測方式已經(jīng)無法滿足當前需要?；诖髷?shù)據(jù)的工業(yè)企業(yè)(機電設備)遠程診斷服務平臺(以下簡稱“遠程診斷平臺”)可以將分布于不同地域、不同企業(yè)的數(shù)據(jù)集中采集、存儲和挖掘，并在此基礎上建立企業(yè)的知識庫模型、案例分析模型，從而實現(xiàn)對設備故障的早期預警和診斷。

1 遠程診斷平臺

基于大數(shù)據(jù)分析的火力發(fā)電廠遠程診斷平臺通過與電廠的不低于2M的專線網(wǎng)絡進行連接，將診斷對象的SIS系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)，設備點檢、MIS等管理數(shù)據(jù)集中采集、存儲和挖掘，并在此基礎上建立企業(yè)知識庫模型、安全分析模型，積累設備診斷和故障分析經(jīng)驗，形成一個標準體系完善的數(shù)據(jù)平臺[1-2]。通過設備早期劣化預警，發(fā)現(xiàn)設備的劣化趨勢，結合故障模式庫，將預警信息變?yōu)轭A警診斷單，同時建立分級診斷體系，與電廠設備管理閉環(huán)，及時采取糾正措施避免設備狀態(tài)惡化，結合預警信息還可實現(xiàn)對設備狀態(tài)的實時有效評估，優(yōu)化檢修策略。

1.1 平臺工作原理

遠程診斷平臺首先對監(jiān)測設備建立診斷分析模型，其次選取各種工況下正常歷史數(shù)據(jù)當作訓練樣本，采用神經(jīng)網(wǎng)絡算法計算出與實際值對應狀態(tài)下的期望值。通過比較實際值與期望值之差，大于設定的閾值則產(chǎn)生早期預警，實現(xiàn)對設備的監(jiān)視和故障診斷。區(qū)別于傳統(tǒng)DCS系統(tǒng)是基于單個測點固定限值產(chǎn)生的報警，該平臺能夠監(jiān)視模型中相關聯(lián)的每一個測點相對于期望運行狀態(tài)的任何偏差，在破壞性故障真正發(fā)生之前的早期階段準確發(fā)現(xiàn)和定位故障。傳統(tǒng)DCS報警圖見圖1?；谶h程診斷平臺的報警圖見圖2。

圖1 傳統(tǒng)DCS報警

圖2 基于遠程診斷平臺的報警

由圖2可知，基于遠程診斷的報警不再只是在絕對限值被超過時才產(chǎn)生，而是大大提前，當測量值偏離正常運行值時就可及時產(chǎn)生。

1.2 平臺建模方法

該平臺診斷模型對應設備級，用戶可以利用平臺提供的模型生成和配置工具對需要進行監(jiān)測診斷的設備或工藝過程進行建模，選取影響該設備或工藝過程主要性能的一些相關聯(lián)測點，組成該模型下的測點集合，同時選擇合適的監(jiān)控模式。

2 遠程診斷平臺在燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組上應用

針對燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組自動化程度高、主輔設備運行相對穩(wěn)定、啟停頻繁等特點，根據(jù)工藝流程及性能特點建立設備診斷模型。

2.1 燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組工作原理

經(jīng)過調(diào)壓站及前置模塊降壓、加熱后的天然氣進入燃氣輪機的燃燒室，與壓氣機壓入的高壓空氣混合燃燒，產(chǎn)生高溫高壓煙氣推動透平旋轉(zhuǎn)做功。從燃氣輪機排出的煙氣高達600℃，仍然具備很高的能量，將煙氣送入余熱鍋爐，水加熱成蒸汽再去推動蒸汽輪機，帶動發(fā)電機發(fā)電。

2.2 建模方案

西門子V94.3A型燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組由燃氣輪機、余熱鍋爐、蒸汽輪機、電氣設備、燃料系統(tǒng)及其他輔助設備組成，其機組設備布置方式如圖3所示。

圖3 V94.3A型燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組布置方式

以西門子V94.3A型燃氣輪機為研究對象，根據(jù)每部分的工作原理及功能，提出相應的建模方案。故障預警模型及類別見表1。

表1 故障預警模型及類別

2.3 應用實例

2.3.1設備簡介

某電廠2×390 MW燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，采用西門子V94.3A型燃氣輪機，汽輪機為三壓、再熱、雙缸凝汽式汽輪機，與燃氣輪機和發(fā)電機通過SSS離合器聯(lián)軸，構成完整的單軸配置，鍋爐為三壓、再熱、無補燃、自然循環(huán)、臥式余熱鍋爐。遠程診斷平臺對該廠主要設備建立診斷模型并對運行工況進行監(jiān)測。

2.3.2故障現(xiàn)象

遠程診斷平臺1號機組2號高壓給水泵電機自由端軸承溫度曲線見圖4。

由圖4可知，1號機組2號高壓給水泵在運行期間，電機自由端軸承溫度逐漸升高，遠程診斷平臺發(fā)出預警提示，隨后軸承溫度最高升至85℃，出現(xiàn)明顯劣化趨勢，在故障發(fā)生的早期階段及時向電廠人員發(fā)出預警。電廠人員根據(jù)診斷報告停泵檢查，發(fā)現(xiàn)有輕微磨損現(xiàn)象，經(jīng)處理后振動及溫度均正常。

圖4 遠程診斷平臺1號機組2號高壓給水泵電機自由端軸承溫度曲線

1號機組2號高壓給水泵電機自由端軸承溫度SIS曲線見圖5。通過調(diào)取該泵SIS曲線,也同樣可以看出電機自由端軸承溫度逐漸升高的趨勢。

圖5 1號機組2號高壓給水泵電機自由端軸承溫度SIS曲線

3 結語

基于大數(shù)據(jù)的遠程診斷平臺在燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組上的應用可以看出，區(qū)別于常規(guī)DCS單測點固定限值報警，該平臺通過關聯(lián)性測點組建設備診斷模型,再經(jīng)過對大量歷史數(shù)據(jù)樣本的訓練，針對實時數(shù)據(jù)采用神經(jīng)網(wǎng)絡算法產(chǎn)生對應期望值, 實現(xiàn)越限參數(shù)預警提示，及時發(fā)現(xiàn)設備的劣化過程。在真正故障發(fā)生前進行預警，及早消除設備隱患，提升發(fā)電企業(yè)的設備管理及監(jiān)控水平，對機組安全、可靠、經(jīng)濟運行具有重要的意義。