火電機組熱控系統(tǒng)故障分析及改進措施

國能重慶萬州電力有限責任公司 周 森

火電機組熱控系統(tǒng)是控制火力發(fā)電機組正常運行和驅動的神經中樞，主要是用于控制發(fā)電機組的發(fā)電輸出和電能輸出，屬于智能控制系統(tǒng)。目前火電機組熱控系統(tǒng)在火力發(fā)電廠中得到了廣泛應用。火電機組熱控系統(tǒng)的應用雖然能夠有效控制火電機組，但是由于系統(tǒng)內部結構比較復雜，使用到的軟件和硬件數(shù)量較多，并且火電機組在運行過程中對于熱控系統(tǒng)的控制精密度要求比較高，在工況負荷比較大的情況下火電機組熱控系統(tǒng)非常容易發(fā)生現(xiàn)場故障，并且發(fā)生故障的概率也比較高[1]。

引發(fā)火電機組熱控系統(tǒng)故障的原因有很多種，故障類型也有很多，其中包括系統(tǒng)邏輯故障、系統(tǒng)硬件設備故障、系統(tǒng)DCS 裝置異常故障以及系統(tǒng)電源故障等，一旦發(fā)生故障就會導致火電機組熱控系統(tǒng)停止運行，從而導致火力發(fā)電廠無法正常工作，影響居民企業(yè)正常用電。因此對火電機組熱控系統(tǒng)故障分析是非常有必要的[2]。

1 火電機組熱控系統(tǒng)故障分析方法設計

火電機組熱控系統(tǒng)故障分析是一個復雜的問題，故障種類多樣，且系統(tǒng)軟硬件結構復雜，為了簡化故障分析難度，減少故障分析運算量，此次以殘差理論為故障分析依據(jù)，設計一種新的系統(tǒng)故障分析方法，其流程如下：火電機組熱控系統(tǒng)-無線傳感器-故障信息重組/故障特征提取-信息殘差-設計闕直-輸出結果。本文提出的系統(tǒng)故障分析方法共分為三個階段，第一個階段是利用無線傳感器采集系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)；第二個階段是對系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)分析，對系統(tǒng)運行故障信息進行重組，并提取到系統(tǒng)運行故障特征；第三個階段是計算出系統(tǒng)殘差并設計閾值，將二者進行分析對比判斷系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障。以下將對該三個階段進行詳細分析。

1.1 火電機組熱控系統(tǒng)信息采集

信息數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)故障分析的基礎工作，根據(jù)系統(tǒng)故障分析需求，此次利用無線傳感技術對系統(tǒng)運行信息進行采集。選取的無線傳感器為GNKBNJS/5S5DA5型號微波無線傳感器，該傳感器體積小，重量輕，能夠準確讀取到系統(tǒng)中軟件與硬件的運行數(shù)據(jù)。通過BGSK 接口將GNKBNJS/5S5DA5型號微波無線傳感器與火電機組熱控系統(tǒng)連接，在無線傳感器操控界面中選中添加系統(tǒng)的所有軟件和硬件，并對無線傳感器的讀取頻率、周期、范圍以及數(shù)據(jù)類型進行設定，具體技術參數(shù)值需要根據(jù)系統(tǒng)實際情況而定[3]。利用網絡接口將GNKBNJS/5S5DA5型號微波無線傳感器與局域網連接，在系統(tǒng)網絡中截獲系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，并將系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲到無線傳感器S/D 硬盤中，利用數(shù)據(jù)線將S/D 硬盤中的數(shù)據(jù)導出，以此實現(xiàn)對系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的采集。

1.2 火電機組熱控系統(tǒng)故障特征提取

采集到系統(tǒng)運行信息之后，需要對系統(tǒng)運行信息進行系統(tǒng)的分析，提取到系統(tǒng)運行故障特征，此次將采集到的系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)集合設定為K，假設系統(tǒng)運行故障數(shù)據(jù)之間存在一定的距離，其距離設定為h，將集合K 中所有的系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)放入到系統(tǒng)故障特征分類域x 中，以此構建一個火電機組熱控系統(tǒng)故障分析大數(shù)據(jù)融合最優(yōu)分類平面K，如果系統(tǒng)故障特征量滿足最優(yōu)分類平面K 大于運行故障特征之間的距離h 條件，則系統(tǒng)故障信息分布的關聯(lián)系數(shù)為1；如果系統(tǒng)故障特征量滿足最優(yōu)分類平面K小于運行故障特征之間的距離h 條件，則系統(tǒng)故障信息分布的關聯(lián)系數(shù)為-1。

通過上述分析，并根據(jù)系統(tǒng)故障分析需求，系統(tǒng)運行故障信息量應該滿足的條件為：系統(tǒng)運行故障特征之間的距離h 為1[4]。按照上述過程對采集的系統(tǒng)運行信息進行分析，并根據(jù)實際情況對系統(tǒng)運行故障信號的幅度值和采樣頻段進行拉伸，由此可以得到重組后的系統(tǒng)運行非平穩(wěn)信號。在上述基礎上再對系統(tǒng)運行故障信息進行分類，由于系統(tǒng)故障類型比較多，且沒有明顯的規(guī)律性，因此將系統(tǒng)運行故障分類問題轉化為非線性規(guī)劃問題，利用UGUHG/5964增減量式支持向量機對系統(tǒng)運行故障特征進行準確分類，最后根據(jù)UGUHG/5964增減量式支持向量機的分類結果，實現(xiàn)對系統(tǒng)故障特征的提取，為后續(xù)系統(tǒng)故障分析提供依據(jù)。

1.3 基于殘差診斷分析火電機組熱控系統(tǒng)故障

殘差可以反映出兩個系統(tǒng)或者物體之間不一致程度，也是設備、系統(tǒng)故障診斷中常見的一種手段，因此在上述基礎上，以殘差理論作為理論基礎，對火電機組熱控系統(tǒng)故障信息分析，計算系統(tǒng)殘差，利用殘差分析出火電機組熱控系統(tǒng)運行信息中出現(xiàn)的突變信息，其計算過程如下。

在火電機組熱控系統(tǒng)中，各軟件、硬件設備運行過程的殘差定義為y，殘差分別包括系統(tǒng)控制輸出量殘差和系統(tǒng)電流殘差，其計算公式為式（1）：，式中，y(t)表示時間為t 時火電機組熱控系統(tǒng)殘差值；y1表示系統(tǒng)控制輸出量殘差；y2表示系統(tǒng)電流殘差；y1＊表示系統(tǒng)實際控制輸出量；yr表示系統(tǒng)標準控制輸出量；y2＊表示實際系統(tǒng)電機電流量；yu表示系統(tǒng)電機標準電流量[5]。系統(tǒng)殘差取控制輸出量殘差和系統(tǒng)電流殘差均值。當火電機組熱控系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)時，殘差y 為均值為零的高斯白噪聲；當火電機組熱控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，殘差y 的均值不再為零，因此可以根據(jù)殘差y 值來判斷火電機組熱控系統(tǒng)的運行狀態(tài)[6]。

火電機組熱控系統(tǒng)殘差的計算目的是為了在避免誤報警的前提下，判斷系統(tǒng)運行狀態(tài)，也就是是否發(fā)生故障，為了更好地實現(xiàn)該目標，在系統(tǒng)故障分析運算中插入一個閾值，將閾值作為判斷系統(tǒng)故障的標準，閾值的計算公式為N=u+wp，式中，N表示火電機組熱控系統(tǒng)故障分析閾值；u 表示火電機組熱控系統(tǒng)正常時的殘差均值；w 表示比例系數(shù)，通過比例系數(shù)取值為1.5；p 表示火電機組熱控系統(tǒng)正常運行時的殘差方差。如果火電機組熱控系統(tǒng)殘差值y 大于閾值N，則判定火電機組熱控系統(tǒng)存在故障；如果火電機組熱控系統(tǒng)殘差值y 小于閾值N，則判定火電機組熱控系統(tǒng)沒有故障，以此實現(xiàn)火電機組熱控系統(tǒng)故障分析。

2 火電機組熱控系統(tǒng)故障分析及改進措施

使用本文提出方法，針對三種常見的系統(tǒng)硬件設備故障、電源故障以及系統(tǒng)邏輯故障情況進行分析，并提出改進措施。

2.1 系統(tǒng)熱控就地硬件設備故障

對系統(tǒng)熱控就地硬件設備的軸承進行振動測量，檢查系統(tǒng)熱控就地硬件設備軸承回路，當發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)熱控就地硬件設備B 柱軸承封漏氣量比較大，泄漏的水蒸氣沿著B 柱滲漏到系統(tǒng)延伸電纜處，并遇到冷空氣凝結成水時，是發(fā)生了硬件設備故障。這種情況下容易導致火電機組熱控系統(tǒng)延伸電纜絕緣性能下降，從而引發(fā)系統(tǒng)的信號故障[7]。造成該故障的原因是因為熱控就地硬件設備軸承缺乏潤滑，由于軸承摩擦量加重，在高速運轉下熱控就地硬件設備軸承表面溫度升高，造成B 柱軸承表面出現(xiàn)裂縫，熱控就地硬件設備內蒸汽向外散發(fā)，從而出現(xiàn)以上情況。

根據(jù)該故障特征，對熱控就地硬件設備B 柱軸承進行更換，并加入適量的順滑劑，在系統(tǒng)運行過程中定時向熱控就地硬件設備B 柱軸承表面噴水，以此將其軸承表面溫度，避免出現(xiàn)軸承斷裂，通過采取該措施，解決系統(tǒng)熱控就地硬件設備故障。

2.2 系統(tǒng)電源故障

當火電機組熱控系統(tǒng)某機組線路與相鄰的另一機組線路全部失電時，兩個機組的電源開關均處于跳閘狀態(tài)，這是典型的火電機組熱控系統(tǒng)電源故障。該故障出現(xiàn)的原因主要為火電機組熱控系統(tǒng)變壓器運行紊亂導致系統(tǒng)上級開關跳閘，跳閘后系統(tǒng)的失電信號無法正常傳輸，進而觸發(fā)變壓器附近的三號機組和四號機組線路失電，如果不及時發(fā)現(xiàn)該故障，將會造成火電機組熱控系統(tǒng)運行癱瘓。結合該故障的原因和特征，將系統(tǒng)變壓器更換為AC220V/DC24V 變壓器，并將兩個故障機組的電源開關打開，保證系統(tǒng)機組正常送電。更換完變壓器后啟動系統(tǒng)并網，以此解決系統(tǒng)的電源故障。

2.3 系統(tǒng)控制邏輯故障

當火電機組熱控系統(tǒng)P 引風機控制指令在智能模式下隨著N 引風機控制指令增大而增大時，火電機組的爐膛負壓容易超出預先設定的控制限值，并會隨著運行時間逐漸增加，這是典型的火電機組熱控系統(tǒng)控制邏輯故障。造成該故障的原因在于系統(tǒng)操作人員操作錯誤，在P 引風機投入智能模式時操控停運送風機擋板，當P 引風機控制指令速度增大時，N 引風機控制已投入智能，輸出指令就會隨之增大，因此系統(tǒng)火電機組運行速率無法抑制，進而造成火電機組爐腔內壓力增大到兩倍，如果不及時發(fā)現(xiàn)該故障，將會造成火電機組熱控系統(tǒng)跳機現(xiàn)象。

根據(jù)以上分析，將系統(tǒng)P 引風機改為汽機沖轉模式，重新設定火電機組的爐膛復壓限值，隨后對火電機組的鍋爐重新點火，并將系統(tǒng)并網帶負荷。當火電機組的鍋爐內溫度達到750℃時，開啟N 引風機開關，并將N 引風機的控制模式設定為自定義模式，隨時觀察N 引風機的運行情況，運行穩(wěn)定后轉化為智能模式。火電機組熱控系統(tǒng)控制邏輯故障的改進需要了解其出現(xiàn)邏輯錯誤的位置，這樣才能準確對其進行改進，保證系統(tǒng)正常運行邏輯輸出。

3 現(xiàn)場實驗論證

實驗以某火電機組熱控系統(tǒng)作為實驗對象，該火電機組熱控系統(tǒng)共包含18種軟件和11種硬件設備，系統(tǒng)使用年限比較久，運行過程中故障頻發(fā)，利用此次設計方法與傳統(tǒng)方法對該系統(tǒng)進行故障分析，檢驗此次設計的火電機組熱控系統(tǒng)故障分析方法的有效性和可靠性。

實驗準備：實驗準備了GNKBNJS/5S5DA5型號微波無線傳感器1臺，增減量式支持向量機一臺，將無線傳感器信息讀取頻段設定為2.36Hz，讀取周期設定為1.5s，讀取范圍設定為0～1m。實驗過程：開啟火電機組熱控系統(tǒng)開關，令系統(tǒng)保持運行狀態(tài)，利用GNKBNJS/5S5DA5型號微波無線傳感器對系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)進行采集，采集到的數(shù)據(jù)樣本集合為3000個，數(shù)據(jù)量為234GB，采用4個16位輸入通道進行系統(tǒng)故障信號加載以及指令傳輸控制。利用公式（1）計算系統(tǒng)運行殘差均值，并設計系統(tǒng)故障分析閾值，輸出結果（圖1）。

實驗利用兩種方法對系統(tǒng)運行故障分析100次，運用設計方法分析到的系統(tǒng)故障分別為系統(tǒng)邏輯故障76個、系統(tǒng)硬件設備故障162個、系統(tǒng)DCS 裝置異常故障42個以及系統(tǒng)電源故障36個，利用上文提出的改進措施對故障進行改進和調整。實驗分別抽取10次故障分析結果，將分析到的故障數(shù)量與實際情況比較，利用BLO 軟件計算出兩種方法應用過程中的誤診率，并使用電子表格對實驗數(shù)據(jù)進行記錄。

從實驗數(shù)據(jù)可以看出，此次設計的方法檢出量與實際數(shù)量基本相同，誤診率均在1%以內，最小誤診率為零，說明設計方法對于火電機組熱控系統(tǒng)故障分析精度比較高；而傳統(tǒng)方法檢出量與實際數(shù)量差距比較大，多數(shù)情況下故障檢出量要比實際故障數(shù)量多，系統(tǒng)故障誤診率比較高，最大誤診率為22.75%，遠遠高于設計方法，因此實驗證明了此次設計的方法具有良好的可行性，分析結果可靠性比較高，更適用于火電機組熱控系統(tǒng)故障分析，并且可以針對故障的分析結果，進行上述提出的改進措施。