基于信息融合的鍋爐安全運行多參數檢測方法

湖南省特種設備檢驗檢測研究院 夏向共 張希旺 劉 欣

0 引言

鍋爐壓力容器是在石油化學工業、能源工業、科研和軍工等國民經濟的各個部門都起著重要作用的設備。鍋爐作為承壓容器，其動力來源于電能與化石燃料產生，產生各行各業中所需要的大量熱量。在高溫、高壓的作用環境下，長期運行的鍋爐容易出現泄漏、鍋爐壁變形和腐蝕等，嚴重情況下還會導致爆炸，嚴重影響了運行的安全可靠性。[1-2]。因此，對鍋爐的安全運行在線監測，及時發現鍋爐運行中出現的缺陷問題，對于延長鍋爐使用壽命、提高鍋爐運行的安全可靠性具有重要價值。

通過監測鍋爐運行參數，進行數據分析，研究鍋爐壁破損情況，合理安排故障維修，以發現鍋爐在運行過程中存在的缺陷問題。運行中的鍋爐出現問題的額原因多種多樣，為了及時對鍋爐缺陷做到修復，紀要有針對性的去分析故障原因。目前經常采用的檢測方法有：宏觀檢查、壁厚測量、幾何尺寸測量、無損檢測、理化檢測、垢樣分析等[3]。但這些方法都存在檢測對象單一的弊端。

本文提出一種基于融合多參數分析的鍋爐安全檢測方法，該檢測方法利用超聲波在材料中傳播時遇到界面（如裂紋、氣孔缺陷）反射回來的回波特征來分析與檢測被測物體內部的缺陷情況，并結合射線檢測對可疑部位進行檢測，最后將來自多個不同傳感器的數據信息進行整合優化處理，這有利于提早發現鍋爐運行中的隱患，對鍋爐安全、經濟、環保運行的問題提供了有力的保障。

1 數字超聲波探傷技術檢測

該探傷掃描技術的工作原理是基于超聲波和計算機技術，利用超聲波在物體中反射傳播特性來檢測缺陷的，通過計算機技術分析數字信號，最后消除數字信號中的噪聲，再進一步處理分析[4]。

超聲波探傷法的原理是超聲波探傷儀產生的數值信號脈沖，在合適的耦合方式下入射到被檢測物體內，超聲波信號在物體內產生反射波，通過示波器來分析反射波中蘊含的故障信息[4-7]。數字超聲波探傷掃描技術可以根據缺陷的不同顯示方式分為A 型、B 型、C型和 3D 型四種，本文是對B型超聲波探傷技術進行相應的研究探討，其結構及原理如圖1所示。

圖1 B型顯示原理框圖

B型顯示超聲波探傷在應用過程中，探頭只需要實現一維掃描即可成像[8]，超聲波探傷傳感器示意圖如圖2所示。

圖2 超聲波探傷傳感器原理圖

由于鍋爐在制造時是通過鋼結構的焊接構成的，在焊縫中會存在裂縫、氣隙、雜物等缺陷。裂紋、無融合、不完全穿透2 x射線檢測平面缺陷，應力高程度集中、易對焊接接頭造成損傷，從而造成更大的危害。孔隙和凹陷是體積型缺陷，應力集中較少，危害較小[9-10]。

檢測方法如下：首秀根據鍋爐壁鋼板厚度選擇合適大小的探頭；其次在檢測剪切波前計算估計量，確定區域邊界線，并利用基于探針的矢量加減過程[11]；第三步是使用彎曲的屏蔽孔調整掃描線的位置；最后通過示波器分析信號波形，并在接管和外部墻之間做出區分，以避免遺漏或錯誤判斷。

2 X射線數字化實時成像檢測

隨著對工件無損傷技術的發展，一種更新進的技術應用而生—X射線數字化實時成像檢技術。在鍋爐缺陷檢測時，用X射線掃面鍋爐壁，由于缺陷與正常鋼結構存在不同程度的吸收能力，會形成一個存在明顯區別的X射線圖像，該圖像通過圖像增強器轉換成可見光圖像，通過A/D轉換將可見光轉換為數字圖像來進行故障分析[12]。

X射線檢測管和圖像監測接收系統被安裝在同一個框架上，通過電機驅動，檢測的發射射線與管子饋送方向構成可以調整大小的角，為了使前后的焊縫圖像不會重疊，可以調整焊縫為橢圓形中。[13]。為了使被檢測工件全方位成像，本文在每個對接焊縫上裝配了旋轉機構，可以360°連續成像，系統實施圖如圖3所示。

圖3 實時系統方案圖

3 基于信息融合的鍋爐故障診斷方法

信息融合是基于多種傳感器將不同的信息源信號進行整合優化，得出最有效的信息。這種方法的優勢在于利于多種不同類型傳感器協同作用，收集優化目標信號，提高系統的有效性[14]，信息融合原理圖如圖4所示。

圖4 信息融合原理圖

依據鍋爐缺陷原理以及信息融合的工作原理及，提出了如圖5所示的信息融合鍋爐缺陷檢測模型。

圖5 基于信息融合的鍋爐故障診斷模型

3.1 數據挖掘技術

數據挖掘技術是將原始數據信號中未知的、隱含的有效信息進一步挖掘，被挖掘出的信息能夠有效地用于信息管理及分析控制等方面。

3.2 基于數據層融合的故障報警

數據層的信息融合主要功能是實現標準化數據以及數據越限報警。在二元假設前提下，對于鍋爐的某些故障失效狀態，其監測的區域可以被劃分為Z0和Z1[15]。當傳感器接收到的數據信號在Z0區域時，可以診斷為運行正常，否則運行出現故障。通過實現兩區域的合理劃分，可以減小實驗的誤差率。

3.3 基于特征層數據融合的故障診斷

基于特征層與決策層融合的故障診斷方法需要檢測層分析的結果，同時需要數據庫中故障診斷的信息知識。該數據庫的診斷信息知識既包括常見的故障類型，也包括通過數據挖掘得來的新的故障數據信息[16]。當鍋爐運行發生故障時，會產生噪聲等干擾信號，這些外在因素使得在數據信號分析時產生影響[17-19]，所以需要進一步的特征層的信息融合，即故障診斷。

4 實例分析

湖南省某廠1#鍋爐是一次中間再熱自然循環、平衡通風鍋爐，最大連續蒸發量1151t/h，主蒸汽溫度540℃，過熱蒸汽壓力17.37MPa，再熱蒸汽流量1035t/h，再熱蒸汽進/出口壓力4.3MPa/4.11M Pa，再熱蒸汽進/出口溫度335.6℃/540℃，給水壓力19.595MPa，給水溫度278℃，排煙溫度128攝氏度，2012年10月投入生產。

2014年2月11日上午10時，發現1#轉爐低溫過熱器處有異常聲音。在測試過程后期，密切關注1＃機組的實測數據，清除明顯不良數據，進行對比分析，并將檢測結果與先前訓練好的神經網絡系統的測試數據進行計算，提升特性的有效性。測試結果顯示，一些指標超過了關注值。初步判斷是低溫過熱器失效。

停爐檢查可以分為以下幾步：首先通過超聲波探傷檢測，判斷低溫過熱器和中隔墻管子是否有損壞，接著從管子損壞進行初步判斷，定位塊與管子的焊縫有拉裂紋，通過是否有被蒸汽吹損的痕跡，判斷焊縫裂口是不是管子損壞的裂紋源；最后利用X射線成像技術對破裂管子的化學成分和機械性能進行分析，看其是否達要求。

將診斷過程中得到的特征測量值進行標準化處理，并通過推理與實際故障進行對比分析，將分析結果通過數據挖掘模塊存入專家系統中。

實驗證明，使用單一參數信息很難準確的判斷事故原因和故障位置點，而通過信息融合，將多種參數進行綜合判斷可以有效降低故障率，提高判斷精度。

5 結論

通過分析數字超聲波探傷技術，信息融合技術，X射線數字實時成像探測與特點，提出了基于信息融合的鍋爐故障診斷通用模型及其實現技術，為鍋爐事故預防提供了一個技術上可行的有效途徑。并通過實驗證明，信息融合技術可以提高鍋爐故障診斷中診斷的可靠性和準確性。