火電廠熱工控制系統(tǒng)的故障診斷研究

　　
　　一、過熱汽溫控制系統(tǒng)的構(gòu)成
　　
　　過熱汽溫控制是熱工控制系統(tǒng)中一個(gè)十分重要的控制系統(tǒng)，其主要任務(wù)是維持過熱器出口溫度在允許
　　
　 　范圍內(nèi)并且保護(hù)過熱器，使其壁溫不過允許溫度。過熱汽溫的暫時(shí)偏差不允許過±10℃，偏差不允許過±5℃。溫度過高會(huì)使過熱器和汽機(jī)高壓缸承 受過高的熱應(yīng)力而損壞;溫度過低則會(huì)降低機(jī)組的熱效率，影響經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[3]。過熱汽溫控制系統(tǒng)發(fā)生故障將會(huì)給整個(gè)電廠運(yùn)行帶來嚴(yán)重的后果，因此，以過熱汽 溫控制系統(tǒng)為例進(jìn)行故障診斷的研究具有代表性和實(shí)用性。
　　
　　圖1為某火電廠300MW機(jī)組過熱汽溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)采用二級(jí)噴 水減溫方式，鍋爐汽包產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)頂棚過熱器加熱，在立式低溫過熱器出口聯(lián)箱后匯合成一根管道，經(jīng)噴水減溫，分A、B側(cè)進(jìn)入屏式過熱器，在后屏出口聯(lián) 箱后分左、右兩根管道經(jīng)左右二級(jí)噴水減溫，后進(jìn)入末級(jí)過熱器[4]。

　　
　 　根據(jù)過熱汽溫控制系統(tǒng)故障診斷的需要，整理出了過熱汽溫控制系統(tǒng)包含的重要傳感器和執(zhí)行器，其中傳感器有:過熱器前、后左和后右溫度傳感器，二級(jí)過 熱器前左、前右、后左和后右溫度傳感器，末級(jí)過熱器左、右溫度傳感器，減溫水流量傳感器，左二級(jí)、右二級(jí)減溫水流量傳感器等;執(zhí)行器有:噴水減溫 閥、左二級(jí)和右二級(jí)噴水減溫閥、主減溫水截止閥。
　　
　　二、故障診斷研究的內(nèi)容
　　
　　一個(gè)典型的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。根據(jù)控制系統(tǒng)各部分的劃分，故障診斷的對(duì)象包括:（1）控制對(duì)象，即設(shè)備本體;（2）控制系統(tǒng)傳感器;（3）控制系統(tǒng)執(zhí)行器;（4）因控制系統(tǒng)狀態(tài) 變化而引起的故障[5]。因設(shè)備本體的故障診斷是單獨(dú)研究的，所以本文研究的控制系統(tǒng)故障診斷僅包含傳感器故障診斷、執(zhí)行器故障診斷和運(yùn)行狀態(tài)診斷。

　　
　 　結(jié)合過熱汽溫控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將故障診斷的研究?jī)?nèi)容歸納為:（1）研究過熱汽溫控制系統(tǒng)中重要傳感器的故障診斷，其中包括監(jiān)測(cè)各溫度傳感器、減溫水 流量傳感器是否工作正常，若存在故障，則進(jìn)行報(bào)警顯示并分離故障傳感器；（2）研究過熱汽溫控制系統(tǒng)中重要執(zhí)行器的故障診斷，其中包括監(jiān)測(cè)各噴水減溫調(diào)節(jié) 閥和各截止閥的運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)故障及時(shí)報(bào)警并分離出故障執(zhí)行器;（3）研究過熱汽溫控制系統(tǒng)狀態(tài)變化所帶來的系統(tǒng)故障的診斷，診斷出導(dǎo)致故障的原因并給出 操作指導(dǎo)。
　　
　　三、過熱汽溫控制系統(tǒng)常見故障
　　
　　3.1傳感器故障
　　
　　過熱汽溫控制系統(tǒng)中常見的傳感器故障包括：增益、偏差、速、脈沖故障等。
　　
　　（1）傳感器恒增益故障可表示為:

　　
　　式中:uin（t）,uout（t）分別為傳感器的輸入、輸出信號(hào);ai為恒增益變化的比例系數(shù)。
　　
　?。?）傳感器恒偏差故障可表示為:

　　式中:△i為傳感器的零點(diǎn)偏差。
　　
　?。?）傳感器斷線故障可表示為:

　　
　　式（3）表示傳感器無信號(hào)輸出。
　　
　?。?）傳感器速故障可表示為:

　　式中:uout（t）為傳感器輸出信號(hào)的變化速率;δmax為傳感器允許大變化速率。
　　
　?。?）傳感器脈沖故障可表示為:

　　
　　式中δ為傳感器輸出信號(hào)上疊加的脈沖信號(hào)。
　　
　　3.2執(zhí)行器故障
　　
　　過熱汽溫控制系統(tǒng)中常見的執(zhí)行器故障包括:增益、偏差、卡死、滯環(huán)、粘滯-滑動(dòng)、漏流故障等，其中增益和偏差故障的描述同上，其它故障特征簡(jiǎn)述如下。
　　
　?。?）執(zhí)行器卡死故障可表示為:

　　
　　式中ai為常數(shù)。即執(zhí)行器輸出不隨輸入變化，而是穩(wěn)定在一個(gè)固定位置。
　　
　　（2）執(zhí)行器滯環(huán)故障可表示為:

　　式中:Qk表示執(zhí)行器開行程時(shí)的流量;Qg表示執(zhí)行器關(guān)行程時(shí)的流量；uout,k、uout,g分別為開行程和關(guān)行程時(shí)對(duì)應(yīng)的執(zhí)行器輸出；λ為兩流量的差值。滯環(huán)故障即在執(zhí)行器上下行程開度相同時(shí)對(duì)應(yīng)的流量不同。
　　
　?。?）正常情況下，閥桿是平滑運(yùn)動(dòng)的，但當(dāng)粘滯-滑動(dòng)故障發(fā)生時(shí)，閥桿的動(dòng)作則為"動(dòng)-停-動(dòng)"運(yùn)動(dòng)，這對(duì)閥門來說是一種損害，其故障現(xiàn)象如圖3所示[6]。

　?。?）執(zhí)行器漏流故障可表示為:
　　
　　Q=λ（uout=0）（8）
　　
　　式中:Q為執(zhí)行器控制的流量；λ為一常量。即當(dāng)執(zhí)行器閥門*關(guān)閉時(shí)，仍然有流量信號(hào)。
　　
　　四、故障診斷理論和方法
　　
　 　故障診斷理論和方法雖然有多種多樣，但總的來說可以歸納為兩類[4，7]:（1）基于數(shù)學(xué)模型的診斷理論和方法，例如故障檢測(cè)濾波器法、等價(jià)空間方程 法、故障檢測(cè)觀測(cè)器法等;（2）基于非模型的診斷理論和方法，例如多元統(tǒng)計(jì)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、系統(tǒng)法或數(shù)據(jù)分析法等[7]。
　　
　　根據(jù)筆者的研究并結(jié)合熱工控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，下面所述的診斷方法在熱工控制系統(tǒng)的故障診斷中有著
　　
　　較高的實(shí)用價(jià)值。
　　
　　（1）對(duì)于熱工控制系統(tǒng)中一些簡(jiǎn)單的無相關(guān)性的故障，可以采用簡(jiǎn)單易行、有針對(duì)性的方法，如信號(hào)分析、冗余分析方法。這些方法雖然簡(jiǎn)單，但容易實(shí)現(xiàn)并能對(duì)此類故障進(jìn)行行之有效的診斷。
　　
　 ?。?）對(duì)于存在相關(guān)性的較為復(fù)雜的故障，需要使用相對(duì)復(fù)雜的診斷方法。由于熱工控制系統(tǒng)不易建立的數(shù)學(xué)模型，所以采用基于數(shù)學(xué)模型的方法難以在應(yīng)用 中取得好的診斷效果;而基于統(tǒng)計(jì)的方法不依賴數(shù)學(xué)模型，它能在的歷史實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中找出故障特征和故障信息，因此是一種適合在熱工控制系統(tǒng)中應(yīng)用的故障診 斷方法。
　　
　?。?）由于統(tǒng)計(jì)方法的不性和自身局限性，造成故障診斷的精度不高，故障分離困難。所以，建立一種以統(tǒng)計(jì)方法為基礎(chǔ)，以數(shù)學(xué)模型方法為補(bǔ)充的綜合診斷方法來實(shí)現(xiàn)熱工控制系統(tǒng)故障診斷，是一種的解決方案。
　　
　　五、診斷實(shí)例
　　
　　針對(duì)火電廠過熱汽溫控制系統(tǒng)中傳感器的斷線、增益、偏差、速等故障和執(zhí)行器的卡死、滯環(huán)、粘滯-滑動(dòng)等故障進(jìn)行了診斷試驗(yàn)。故障診斷所使用的診斷方法均為針對(duì)該類故障的簡(jiǎn)單診斷方法。這些方法使用簡(jiǎn)單、可靠并有著較高的診斷精度，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試取得了較好的診斷效果。
　　
　　5.1二級(jí)過熱器后左溫度傳感器（K型熱電偶）斷線故障
　　
　?。?）故障現(xiàn)象如圖4所示，該溫度信號(hào)突然從463.49℃跳變到25.45℃（熱電偶冷端補(bǔ)償溫度），其變化速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)過了該傳感器正常變化速率。從圖中很容易看出二級(jí)過熱器后左溫度傳感器發(fā)生了斷線故障。

　　（2）診斷方法通過計(jì)算溫度傳感器信號(hào)的變化速率和變化方向來判斷傳感器是否發(fā)生了故障。這是
　　
　　因?yàn)楫?dāng)傳感器斷線時(shí)，溫度信號(hào)從正常值瞬間負(fù)向變化到一個(gè)比較小的值（熱電偶冷端補(bǔ)償溫度），且變化速率很大。所以如果計(jì)算出來在某一個(gè)時(shí)刻溫度信號(hào)負(fù)向變化速率很大，過傳感器自身大變化速率，即證明有斷線故障的發(fā)生[8]。
　　
　?。?）診斷結(jié)果在故障前一個(gè)時(shí)刻的值為463.49℃，故障時(shí)刻的值為25.45℃，診斷周期為1s。所以
　　
　　該時(shí)刻溫度信號(hào)的變化速率為438.04℃/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)出該溫度傳感器的大允許變化速率，從而診斷出在該
　　
　　時(shí)刻二級(jí)過熱器后左溫度傳感器發(fā)生了斷線故障。
　　
　　5.2噴水減溫閥粘滯-滑動(dòng)故障
　　
　?。?）故障現(xiàn)象從圖5可明顯看出，指令信號(hào)變化平滑，而反饋信號(hào)有階梯型變化，所以該減溫閥有粘滯-滑動(dòng)故障產(chǎn)生。

　?。?）診斷方法根據(jù)閥桿在粘滯-滑動(dòng)過程中速度變化事件發(fā)生的頻率分布，可以實(shí)現(xiàn)粘滯-滑動(dòng)故障的診斷。當(dāng)閥桿運(yùn)動(dòng)平滑時(shí)，閥桿速度的均值和方均根比較接近;當(dāng)發(fā)生故障時(shí)這兩個(gè)值的差值比較大。所以可以用速度均值和方均根之間的關(guān)系來診斷這種粘滯-滑動(dòng)故障。

　?。?）診斷結(jié)果從圖6可以看出，指令信號(hào)的速度均值和方均根的比值大約為1，兩者比較接近;而反饋信號(hào)的速度均值與方均根的比值大約為3，表明兩者相差比較大，從而診斷出噴水減溫閥存在粘滯-滑動(dòng)故障。
　　
　　六、結(jié)語