火電廠鍋爐設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)研究

濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司 支元珍

1 火電廠鍋爐設(shè)備面對(duì)的主要故障類(lèi)別與成因

本廠配備2×300MW CFB 亞臨界鍋爐，爐身采用全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)，最大連續(xù)蒸發(fā)量為1065t/h，配備有高溫絕熱分離器、回料閥、對(duì)流煙道、冷渣器以及空氣預(yù)熱器等相關(guān)設(shè)施，相較于傳統(tǒng)鍋爐設(shè)備而言，具有燃料適應(yīng)性較好、污染排放較少、燃燒效率較高等特性。

冷渣器故障。是本廠CFB 鍋爐設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中最常見(jiàn)的一類(lèi)故障形態(tài)。在CFB 鍋爐運(yùn)行過(guò)程中，冷渣器能按需針對(duì)其內(nèi)部產(chǎn)生的燃燒殘?jiān)M(jìn)行收集，從而保障鍋爐內(nèi)部清潔度，提升鍋爐熱效率與安全性。但在冷渣器的使用過(guò)程中，受高溫高壓等因素影響其排渣管部位可能會(huì)出現(xiàn)變形現(xiàn)象，大量燃燒殘?jiān)M(jìn)入到排渣管內(nèi)部使其出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)冷渣器故障[1]。此外，在本廠CFB 亞臨界鍋爐的運(yùn)行過(guò)程中還出現(xiàn)了選擇室結(jié)焦的相關(guān)故障。一些高溫燃料在鍋爐內(nèi)部的燃燒不完全，在選擇室內(nèi)部出現(xiàn)燃燒結(jié)焦?fàn)顩r，床料未經(jīng)完全冷卻即進(jìn)行排渣，導(dǎo)致關(guān)鍵部件出現(xiàn)變形現(xiàn)象，使冷渣器內(nèi)部流化出現(xiàn)問(wèn)題。

旋風(fēng)分離器故障。CFB 鍋爐的運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，旋風(fēng)分離器能將煙氣中的顆粒物進(jìn)行有效分離與凈化，保障鍋爐運(yùn)行的正常循環(huán)，維持燃燒室內(nèi)部的固體顆粒物濃度，保障相關(guān)流程的充分燃燒。而在本廠CFB 鍋爐內(nèi)部，由于生產(chǎn)強(qiáng)度以及運(yùn)維保障等相關(guān)因素的影響，導(dǎo)致分離器部位灰位較高，分離器分離效果不斷下降，鍋爐內(nèi)部物料燃燒循環(huán)受到影響，使分離器入口部位的煙氣壓力發(fā)生變化，阻礙鍋爐循環(huán)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

給煤系統(tǒng)故障。在CFB 鍋爐中給煤系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用，該系統(tǒng)能將燃料穩(wěn)定輸送到鍋爐內(nèi)部進(jìn)行燃燒，而一些煤粒在生產(chǎn)過(guò)程中未經(jīng)過(guò)較為充分地處理導(dǎo)致其粒徑較大，輸送過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致送料通道出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，使給煤系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成一定影響。一些煤料內(nèi)部可能會(huì)存在樹(shù)枝、塑料等雜物殘留，同樣會(huì)引發(fā)給煤系統(tǒng)運(yùn)行滯澀、通道擁堵以及關(guān)鍵閥件斷裂等故障。

鍋爐部件磨損。熱電廠鍋爐設(shè)備需長(zhǎng)期運(yùn)行于高溫高壓環(huán)境下，這給鍋爐內(nèi)部相關(guān)部件的性能狀態(tài)以及使用壽命提出較高要求。通過(guò)對(duì)本廠CFB 鍋爐的運(yùn)行情況進(jìn)行分析與研究過(guò)后發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中鍋爐承壓部件、內(nèi)襯、送料通道、分離器等相關(guān)部位都會(huì)產(chǎn)生一定磨損現(xiàn)象，不僅降低了鍋爐部件的負(fù)荷負(fù)載能力，還可能對(duì)鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定性形成相應(yīng)沖擊，造成運(yùn)行異響以及異常振動(dòng)[2]。

膨脹節(jié)故障。在CFB 鍋爐運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，受溫度變化影響，鍋爐設(shè)備內(nèi)部關(guān)鍵部件可能會(huì)出現(xiàn)熱位移、熱膨脹等情況，對(duì)于鍋爐的正常工作造成一定影響。為強(qiáng)化鍋爐設(shè)備安全性，減少溫度變化引發(fā)的設(shè)備膨脹與位移所造成的相關(guān)損失，需采用膨脹節(jié)針對(duì)鍋爐設(shè)備關(guān)鍵部件進(jìn)行相互連接，而在本廠鍋爐膨脹節(jié)的運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期運(yùn)行的膨脹節(jié)容易發(fā)生漏氣、老化與破損等故障，導(dǎo)致鍋爐管道的強(qiáng)度受到影響。

2 鍋爐設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

2.1 運(yùn)行信號(hào)分析

作為故障識(shí)別與狀態(tài)判斷的重要前提，在進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的同時(shí)，應(yīng)借助關(guān)鍵技術(shù)對(duì)鍋爐設(shè)備運(yùn)行信號(hào)進(jìn)行提取與捕捉，進(jìn)而為后續(xù)決策以及故障診斷工作的開(kāi)展提供參考。在進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)的同時(shí)，應(yīng)分別于燃燒室、送煤管道、給粉機(jī)、燃燒器噴口部位等關(guān)鍵性部位布設(shè)信號(hào)傳感器，同時(shí)使現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵信號(hào)能夠向控制中心進(jìn)行及時(shí)回傳，使技術(shù)人員及運(yùn)維團(tuán)隊(duì)能針對(duì)鍋爐設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)做出較為準(zhǔn)確地判斷。

2.2 異常狀態(tài)識(shí)別

及時(shí)針對(duì)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的異常狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，是提升故障診斷準(zhǔn)確性、保障鍋爐設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵所在。因此相關(guān)技術(shù)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)基于模態(tài)分解的相關(guān)原則，針對(duì)上述傳感器所回傳的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行一體化處理，對(duì)不同部位及不同類(lèi)別的傳感器信號(hào)進(jìn)行綜合識(shí)別，與預(yù)設(shè)狀態(tài)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)過(guò)后輸出相應(yīng)的異常識(shí)別結(jié)果。

在進(jìn)行異常識(shí)別的同時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)能基于模態(tài)分解的原則對(duì)設(shè)備運(yùn)行傳感器反饋數(shù)據(jù)的IFM分量進(jìn)行捕捉，同時(shí)進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理：式中：a代表現(xiàn)場(chǎng)傳感器的反饋數(shù)據(jù)IFM 分量的代碼，按照預(yù)設(shè)要求進(jìn)行編錄；k代表反饋數(shù)據(jù)IFM 分量當(dāng)中的點(diǎn)位；l代表傳感器回傳數(shù)據(jù)的總體數(shù)目；G代表反饋數(shù)據(jù)IFM 分量的特性值。待數(shù)據(jù)處理完成后，需針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳感器的反饋情況及分量處理情況對(duì)數(shù)據(jù)的峭度進(jìn)行分析，明確相關(guān)數(shù)據(jù)排列組合過(guò)后的特征向量：

通過(guò)對(duì)反饋數(shù)據(jù)及其分量分析結(jié)果進(jìn)行探討，能夠明確火電廠鍋爐設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)下所出現(xiàn)的異常情況，進(jìn)而為鍋爐設(shè)備的運(yùn)維工作提供支持與參考。

2.3 故障定位分析

在異常狀態(tài)記錄與分析完成過(guò)后，需由監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行故障定位，并給出相應(yīng)的解決策略以及解決方案。在進(jìn)行故障定位與分析的同時(shí)，相關(guān)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)遵循以下原則：首先應(yīng)遵循高度關(guān)聯(lián)性原則，故障部位的動(dòng)作變化應(yīng)能夠?qū)收现刚鳟a(chǎn)生較為顯著的影響，二者之間應(yīng)具備較為具體的關(guān)聯(lián)性；其次應(yīng)遵循高度可靠性原則，進(jìn)行故障定位分析的同時(shí)，可將故障表現(xiàn)與目標(biāo)點(diǎn)位狀態(tài)之間看做單值函數(shù)關(guān)系，將目標(biāo)點(diǎn)位狀態(tài)作為自變量，鍋爐設(shè)備故障表現(xiàn)則會(huì)基于自變量發(fā)生對(duì)應(yīng)變化；最終應(yīng)遵循實(shí)用性原則，在基于故障參量特征進(jìn)行定位分析的同時(shí)，應(yīng)保障相關(guān)特征的可測(cè)得性與可分析性，為后續(xù)故障診斷與操作處置的開(kāi)展提供指示。

2.4 故障診斷與操作指導(dǎo)

在進(jìn)行鍋爐設(shè)備故障診斷的過(guò)程當(dāng)中，相關(guān)技術(shù)人員需要對(duì)故障規(guī)則庫(kù)進(jìn)行建立，分別將一次風(fēng)管內(nèi)部煤粉燃燒情況、送粉管道當(dāng)中煤粉輸送情況、風(fēng)管內(nèi)部熱風(fēng)溫度情況、風(fēng)粉混合物溫度狀態(tài)以及火焰檢測(cè)器信號(hào)表現(xiàn)等作為故障診斷的關(guān)鍵性依據(jù)，從而進(jìn)一步強(qiáng)化監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)對(duì)于煤粉自燃、管道堵粉、設(shè)備斷粉、火焰偏移以及燃燒器滅火等故障的診斷準(zhǔn)確性，強(qiáng)化鍋爐設(shè)備故障反應(yīng)速度。在此基礎(chǔ)上，設(shè)備故障診斷完成過(guò)后，相關(guān)監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)還應(yīng)當(dāng)給出相應(yīng)的操作指導(dǎo)，提升火電站鍋爐設(shè)備燃燒效率與運(yùn)行效率，減少故障所造成的影響。

3 鍋爐設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)與故障診斷方案構(gòu)建

3.1 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建與設(shè)計(jì)的同時(shí)，需要對(duì)整體架構(gòu)方案進(jìn)行合理規(guī)劃，使系統(tǒng)能夠充分適應(yīng)火電廠鍋爐設(shè)備的運(yùn)行工況以及運(yùn)行狀態(tài)。

第一，在系統(tǒng)內(nèi)部需要對(duì)關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè)處理模塊進(jìn)行搭建，使系統(tǒng)能夠及時(shí)針對(duì)鍋爐設(shè)備運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中的異常狀態(tài)以及問(wèn)題數(shù)據(jù)做出反應(yīng)，并能夠進(jìn)行報(bào)警。在進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的同時(shí)，需要通過(guò)相應(yīng)的通信方式以及通信渠道對(duì)機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)傳感器回傳數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，同時(shí)借助ODBC 技術(shù)實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的交互，使監(jiān)測(cè)診斷設(shè)備能夠?qū)㈩A(yù)設(shè)故障庫(kù)當(dāng)中的數(shù)據(jù)信息與設(shè)備實(shí)際反饋信息之間進(jìn)行比對(duì)，明確設(shè)備的異常狀態(tài)，提升故障監(jiān)測(cè)針對(duì)性。

第二，需要對(duì)故障診斷與分析模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)應(yīng)能夠借助決策樹(shù)法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)傳感器反饋的相關(guān)數(shù)據(jù)信息對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行更加全面地判斷，明確系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中的故障源頭，并能夠及時(shí)采取措施進(jìn)行處理，減少故障對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行成效所產(chǎn)生的影響；第三，需要對(duì)知識(shí)庫(kù)以及預(yù)設(shè)故障庫(kù)進(jìn)行搭建，借助數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)針對(duì)火電廠鍋爐設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中常見(jiàn)故障的成因、表現(xiàn)形式以及表現(xiàn)狀態(tài)等進(jìn)行記錄，同時(shí)結(jié)合實(shí)際對(duì)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行及時(shí)更新，提升其參考價(jià)值；第四，需要對(duì)人機(jī)交互模塊進(jìn)行搭建與設(shè)計(jì)，使用戶(hù)的相關(guān)操作指令能夠直接作用于監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)當(dāng)中，有效調(diào)整監(jiān)測(cè)重點(diǎn)以及數(shù)據(jù)信息反饋內(nèi)容，推動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的進(jìn)一步協(xié)調(diào)[3]。

3.2 知識(shí)模型建立

在設(shè)備監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)知識(shí)模型進(jìn)行建設(shè)能夠?yàn)樵O(shè)備運(yùn)行故障的判斷定位給出相應(yīng)參考和依據(jù)，技術(shù)人員應(yīng)采取以下措施進(jìn)行建模與設(shè)計(jì)。

首先，應(yīng)當(dāng)從狀態(tài)識(shí)別流程當(dāng)中對(duì)關(guān)鍵信號(hào)以及重要數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，基于上文可知，將現(xiàn)場(chǎng)傳感器回傳信號(hào)經(jīng)統(tǒng)一化的數(shù)據(jù)處理過(guò)后可得設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)IFM 分量的特性值，同時(shí)還能夠獲取到G值排列組合過(guò)后的特征向量，因此在分析模型與故障庫(kù)建設(shè)過(guò)程當(dāng)中，還應(yīng)當(dāng)考慮到鍋爐設(shè)備運(yùn)行故障涉及到的關(guān)聯(lián)性?xún)?nèi)容如溫度、膛壓等，從而使故障定位以及分析更加準(zhǔn)確。

其次，需要對(duì)故障風(fēng)險(xiǎn)特性值G與關(guān)聯(lián)要素之間的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行明確。例如，在針對(duì)CFB 鍋爐進(jìn)行故障分析與診斷的過(guò)程中，可將爐內(nèi)煙氣溫度的變化情況設(shè)定為V=[10,20]，將鍋爐運(yùn)行排煙溫度的增加值設(shè)定為A，進(jìn)而可求得兩者之間的函數(shù)關(guān)系與隸屬情況：v=15，f=m/n，式中：特征值隸屬度為15，m為符合故障分析的變化頻次，n表示分析過(guò)程中涉及到的對(duì)象數(shù)量。

最后，在鍋爐設(shè)備故障知識(shí)模型的建設(shè)過(guò)程當(dāng)中，還需要對(duì)相關(guān)模型的信度進(jìn)行分析。具體算法為：其中：P代表故障知識(shí)模型當(dāng)中的求解流程，L代表模糊分析規(guī)則，F(xiàn)代表結(jié)果信度，m代表故障風(fēng)險(xiǎn)特性值G與關(guān)聯(lián)要素之間的隸屬情況[4]。

3.3 系統(tǒng)推理判斷

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程當(dāng)中，需要分別基于現(xiàn)場(chǎng)傳感器回傳數(shù)據(jù)以及故障知識(shí)庫(kù)建設(shè)情況進(jìn)行推理與判斷，明確故障特征與要素內(nèi)容之間的關(guān)聯(lián)特性，進(jìn)而求得相應(yīng)的結(jié)果，掌握二者之間的聯(lián)系。在本文所述系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程當(dāng)中，主要應(yīng)用了正向推理的策略，系統(tǒng)能夠基于故障知識(shí)庫(kù)當(dāng)中的相關(guān)信息出發(fā)，基于現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)反饋情況展開(kāi)全面判斷與分析，實(shí)現(xiàn)由前提到結(jié)論的細(xì)致推導(dǎo)，最終得到相應(yīng)的分析結(jié)果。例如，當(dāng)信號(hào)線完好、鍋爐運(yùn)行環(huán)境正常時(shí)，傳感器回傳數(shù)據(jù)顯示測(cè)量值為零，則能夠推導(dǎo)出傳感器出現(xiàn)問(wèn)題，而當(dāng)一次風(fēng)管熱風(fēng)溫度正常的前提下，出現(xiàn)給煤機(jī)斷粉以及風(fēng)壓變化的現(xiàn)象，則能夠推導(dǎo)出鍋爐粉管出現(xiàn)堵塞故障[5]。

3.4 軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

作為運(yùn)維團(tuán)隊(duì)與技術(shù)人員進(jìn)行故障處置和管控的關(guān)鍵渠道，針對(duì)在線監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)同樣具有重要意義。相關(guān)技術(shù)人員在開(kāi)發(fā)過(guò)程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)明確相關(guān)系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)以及運(yùn)行要求，針對(duì)故障知識(shí)庫(kù)修改、故障查詢(xún)、故障留言等關(guān)鍵性功能進(jìn)行開(kāi)發(fā)，同時(shí)采用全圖形界面對(duì)人機(jī)交互菜單進(jìn)行設(shè)計(jì)，使軟件系統(tǒng)能夠較為系統(tǒng)地展現(xiàn)出鍋爐設(shè)備的運(yùn)行現(xiàn)狀以及故障定位情況，便于運(yùn)維團(tuán)隊(duì)及時(shí)采取措施進(jìn)行處理[6]。

3.5 監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)應(yīng)用成效

筆者所在火電廠經(jīng)過(guò)對(duì)在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)、配置與應(yīng)用過(guò)后，故障報(bào)警信度曲線不斷提升，在鍋爐設(shè)備163次在線監(jiān)測(cè)與故障報(bào)警過(guò)程中準(zhǔn)確率達(dá)到99.2%以上，有效抑制了鍋爐設(shè)備的故障風(fēng)險(xiǎn)，減少了設(shè)備故障造成的經(jīng)濟(jì)損失，顯著提升了火電生產(chǎn)效益。

綜上所述，在火電廠鍋爐設(shè)備運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，及時(shí)針對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行識(shí)別、定位與分析具有關(guān)鍵性作用。