淺談火電廠熱工控制系統故障診斷方法

鄭鵬坤

摘要：大型火力發電機組包含眾多的控制回路，涉及到鍋爐系統，汽機系統和其他輔助系統。以往的研究往往是從某個具體的控制系統著手研究其故障形式和診斷方法，要實現其控制系統狀態維修必須從整個機組級考慮故障檢測與診斷問題。本文主要闡述了具有三層結構的火電廠控制系統故障診斷整體規劃和實現策略。

關鍵詞：火電廠;熱工控制系統;故障診斷

對于火電廠熱工控制過程來說，目前提高控制系統可靠性的方法是提高系統各部件的可靠性，增加硬件冗余，但這將使系統成本和規模增加。為此，可采

用實時故障診斷技術，建立一套監控系統，使其能在系統故障前期或發生故障時迅速地檢測且分離故障，并估計故障的大小，進而采取必要的措施來防止故障擴大，達到提高系統可靠性，減少維修時問和成本之目的。

1過熱汽溫控制系統的構成

過熱汽溫控制其主要任務是維持過熱器出口溫度在允許范圍內并且保護熱器，使其壁溫不超過允許溫度。過熱汽溫的暫時偏差不允許超過±10～（2，長期偏差不允許超過±5℃。溫度過高會使過熱器和汽機高壓缸承受過高的熱應力而損壞;溫度過低則會降低機組的熱效率，影響經濟運行。過熱汽溫控制系統

發生故障將會給整個電廠運行帶來嚴重的后果，因此，以過熱汽溫控制系統為例進行故障診斷研究具有代表性和實用性。

火電廠機組過熱汽溫控制系統結構中的控制系統采用二級噴水減溫方式，

鍋爐汽包產生的蒸汽經頂棚過熱器加熱，在立式低溫過熱器出口聯箱后匯合成一根管道，經一級噴水減溫，分A、B側進入屏式過熱器，在后屏出口聯箱后分左、右兩根管道經左右二級噴水減溫，最后進入末級過熱器。

根據過熱汽溫控制系統故障診斷的需要，整理出了過熱汽溫控制系統包含的重要傳感器和執行器，其中傳感器有：一級過熱器前、后左和后右溫度傳感器，

二級過熱器前左、前右、后左和后右溫度傳感器，末級過熱器左、右溫度傳感器，

一級減溫水流量傳感器，左二級、右二級減溫水流量傳感器等;執行器有：一級噴水減溫閥、左二級和右二級噴水減溫閥、主減溫水截止閥。

2 熱工過程中主要的傳感器和執行器及其故障

2.1 熱工過程傳感器及其故障

大型火電機組測點多，分布廣，幾乎包客機組及各工藝過程的全部主元參數和主要設備狀態，如溫度、壓力、流量、電壓、電流、轉速等。傳感器的常見故障形式：斷線故障，為傳感器處于斷開狀態;超限故障，為輸出超出允許的范圍;超速故障，為輸出的變化速度突變;恒偏差故障，為輸出與實際信號存在恒定偏差;恒增益故障，為傳感器輸出增益減小或增大;卡死故障，為不隨被測量變化，保持某個值;漂移故障，輸出逐漸偏離實際信號。

2.2 熱工過程執行器及其故障

執行器是控制系統的終端控制元件，由執行機構和調節機構組成。執行器的常見故障形式：卡死故障，為執行器輸出閥位不隨指令變化;死區故障，為死區超過正常允許范圍;偏差故障，為輸出閥位和閥位指令偏差過大;增益故障，為執行器輸入輸出增益變化;粘滯一滑動故障，為執行器動作的卡澀現象;回差故障，為上下行程差值超出正常情況。從故障的性質上看，所有的故障都可以歸結為漸變性故障、跳變性故障、完全失效故障的一種。對于發電機組，漸變性的故障可能是導致災難性故障的先兆，因此對其進行早期的故障檢測是十分必要的。

3基于三層結構的火電廠機組級診斷方案

3.1 部件診斷層

在該層中，故障的征兆產生是從單個的控制系統部件來考慮。典型的方法有以下幾點。

3.1.1 各種基于傳感器輸出的信號分析方法

信號的幅值檢測、變化速率檢測是現場采用的最為廣泛的傳感器故障檢測手段，它對于傳感器斷線、超速等故障是有效的，然而對于緩變、漂移等故障是不敏感的，只有故障非常嚴重的時候才能檢測出故障的存在。信號的平均值、方差的變動檢測適合于檢測過程變量正常時處于較小范圍內平穩變化的場合，而不適合于處于大幅度變動的信號。頻譜特性分析對于振動等信號的分析比較有效。

3.1.2 DCS模件的自診斷信息

DCS中直接與現場打交道的控制設備是現場控制單元，它們是由機柜、電源、I/0通道、以微處理器為核心的功能模件組成。其中I/O通道是DCS中種類最多、使用數量最大的一類模件，它們是聯系生產現場傳感器和執行器的信號通道，也是聯系微處理器的橋梁，它們的故障會引起DCS中采集數據不準確或使控制信號不能有效執行。不過這些功能模件大多都具有故障自檢功能，因此利用模件本身的狀態信息來協助傳感器或執行器的故障診斷。

3.1.3 信號趨勢分析與部件知識相結合的方法

對于執行器來說，其輸人和輸出信號一般都可以采集得到，根據其趨勢變化特征可以反映其故障的特征，結合執行器本身動作過程的知識，可以實現執行器的典型故障的診斷。

3.2 回路診斷層

回路層的主要診斷方法是基于模型的故障診斷。回路層的故障診斷可以采用典型的殘差方法如下。

3.2.1 利用靜態模型產生殘差

對于一些簡單過程，其輸入輸出關系可以用靜態模型來表達，則可直接利用其靜態模型的輸入得到其輸出，實際的輸出與模型的輸出之差即可作為殘差信號。

3.2.2 利用觀測器產生殘差

即通過過程的輸入輸出以及過程的動態模型，借助于觀測器重構過程的測量值，重構信號與實際信號的差值作為殘差。

3.2.3 利用參數在線估計產生殘差。

參數估計方法根據模型參數和相應的物理參數的變化來檢測和分離故障。該方法需要找到模型參數和物理參數之間的一一對應關系，相比狀態估計方法而言，更有利于故障的分離。但是在進行參數估計的時候，往往需要過程被充分激勵。對于火電廠的被控過程建立比較精確的數學模型是十分困難的，僅有為數較少的系統可以獲得其解析數學模型。回路層的故障診斷依賴于機組建模的結果，在沒有良好的數學模型的支撐下，其應用將受到很大的限制。但是對于比較容易建立過程模型的場合，應盡量選擇使用模型的方法進行故障診斷。

3.3 系統診斷層

由于支配整個系統運行的規律是物質和能量的平衡，這體現在系統中大量的參數和變量將具有某種相關性，因此多個控制回路并不是完全獨立的而是存在大量的相關性。這里稱這種關系為系統冗余。從系統冗余的角度，利用系統中變量間的相關性提取故障信息以實現故障檢測與診斷。主要采用的方法有以下幾點。

3.3.1 變量間直接的相關關系

變量間的關系可以用動態和靜態模型來表達，這里區別于回路層中基于模型的方法是，這里的變量不僅僅從單個的控制回路考慮，可能涉及到多個控制回路。

3.3.2 利用神經網絡構造變量相關關系

神經網絡通過訓練可以獲得多個變量間的相關關系，將這種相關性保存在其網絡權值中。訓練好的神經網絡具有用其他變量來預測其他變量的能力，從而利用其預測輸出和實際輸出構造出故障殘差來。

3.3.3 基于大量數據的統計分析

過程變量間的相關性實際上蘊藏在系統長期的運行數據中，因此從數據挖掘的角度來尋求變量間的相關性用于故障診斷是完全可行的途徑。由于過程中數據維數高，數據量大，適合于這種特點的統計分析的方法主要是多變量統計分析方法，該類方法包括主元分析PCA、部分最小二乘PLS、主元回歸PCR等。

上述三個診斷層次為提取過程冗余信息以及故障診斷系統的設計提供了一個基本框架。對于一個具體的診斷任務來說，可以從這三個層次上去考慮故障征兆的提取和診斷策略的選擇。

4結語

結合火電廠的實際情況，研究熱工控制系統的故障診斷，并以過熱汽溫控制系統為例對故障類型和診斷方法進行了總結。同時，在應用方面使用了一些簡單實用的故障診斷方法對常見故障進行診斷，并且在現場進行了故障診斷過程試驗，取得了較好的應用效果。

參考文獻：

[1]彭鋼，王紅燕.熱工自動控制系統診斷技術的研究[J].河北電力技術，2017.

[2]李遵基.熱工自動控制系統[J].北京：電力工業出版社，2010.

[3]陳博川，張建玲，劉武林.火力發電廠熱工控制技術[J].長沙：湖南科學技術出版社，2011.