故障樹分析法在電廠熱工自動化檢修中的應用

童帥

[摘? ? 要]我國科學技術(shù)的持續(xù)發(fā)展對國家電力事業(yè)具有積極的推動作用，同時對國家經(jīng)濟建設也具有重要的促進作用。故障樹分析法的引入有力確保電廠熱工自動化檢修工作的順利進行。本文首先闡述故障樹分析法的概念，并對電廠熱工出現(xiàn)的故障類型進行分析，詳細介紹故障樹診斷的執(zhí)行流程，借此促進相關(guān)作業(yè)人員在具體電力檢修作業(yè)時具有更為全面的業(yè)務知識，從而為電廠建設提供強有力的專業(yè)人才，促進我國電廠行業(yè)的進一步發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]故障樹分析法;電廠熱工;自動化檢修

[中圖分類號]TM621 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）05–0–02

Application of Automatic Maintenance of Thermal Engineering

in Power Plant Based on Fault Tree Analysis

Tong Shuai

[Abstract]The continuous development of science and technology in my country has positively promoted the national electric power industry， and also played an important role in promoting the national economic construction. The introduction of the fault tree analysis method has effectively ensured the smooth progress of the thermal automation maintenance work of power plants， and then promoted The operation of economic activities in my country is more efficient. This article first explains the concept of fault tree analysis， analyzes the types of faults that occur in the thermal engineering of power plants， and introduces the execution process of fault tree diagnosis in detail， so as to promote relevant operators to have more comprehensive business knowledge in specific power operations. Thereby providing powerful professionals for power plant construction and promoting the further development of China's power plant industry.

[Keywords]fault tree analysis method; power plant thermal engineering; automatic maintenance

我國經(jīng)濟不斷向前推進，人們生活中的電力需求也在不斷增加，從而對我國的電力行業(yè)提出更高的要求。在電廠熱工建設領(lǐng)

域，應用故障樹分析法檢修，可以很高程度地加強我國的電廠建設，確保我國經(jīng)濟得到高效發(fā)展。故障樹分析法在電廠熱工領(lǐng)域的應用，最大限度挖掘該方法的應用價值，特此開展本次課題研究。

1 故障樹分析法

在火電廠中，自動化系統(tǒng)難免會出現(xiàn)各種故障，對故障原因及時排查并進行準確地診斷，對檢修措施的正確應用具有積極意義，在進行系統(tǒng)分析及排除問題的過程中，需要豐富的生產(chǎn)作業(yè)經(jīng)驗，同時需要應用科學的分析方法[1]。

從電廠熱工系統(tǒng)的角度，該系統(tǒng)出現(xiàn)的故障包括硬件層面的故障、人為層面以及軟件層面的故障。硬件層面包括硬件性能出現(xiàn)惡化、硬件自身存在設計缺陷;軟件層面包括程序設計的錯誤、系統(tǒng)輸入輸出參數(shù)的錯誤等;人為層面主要指人為操作失誤導致的系統(tǒng)及設備故障。在這種背景下，采用故障樹分析法對故障類型進行排查顯得額外重要。

故障樹分析法源于樹形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將一個實體對象轉(zhuǎn)換為含有多個屬性的集合，且不同屬性與屬性間也存在包含及被包含的關(guān)系。該結(jié)構(gòu)用于故障分析時具有以下特點[2]。

（1）該方法從系統(tǒng)內(nèi)部進入，深入各個部件，再對各個零件進行原因排除，利用樹形結(jié)構(gòu)從上到下的原理進行分析。基于該方法可以從系統(tǒng)的頭部出發(fā)，采用邏輯符號構(gòu)建樹狀的決策/分析模型，對每個可能出現(xiàn)的故障進行概率計算，同時也可以對系統(tǒng)級故障、子系統(tǒng)故障及更小單位的故障進行影響權(quán)重分析。

（2）該方法可以進行定量分析，也可以進行定性分析，即可以針對某一個構(gòu)件產(chǎn)生的系統(tǒng)故障進行分析，也可以將多個構(gòu)件作為一個整體進行綜合故障分析。由于故障樹分析法采用邏輯圖進行描述，故障對象間的箭頭表示指向關(guān)系，有助于技術(shù)人員、相關(guān)應用人員有效應用該模型。

（3）一般來說，故障樹可以通過邏輯門的方式構(gòu)建邏輯圖，因而可以通過程序設計對邏輯關(guān)系進行有效計算，同時故障樹根據(jù)實際應用場景的復雜度而構(gòu)建，復雜的故障樹層次數(shù)可能高達上千，每一層的故障對象可以多達幾萬，僅僅依賴人工進行故障分析，效率顯然低下，因而需要采用計算機輔助的方式進行故障樹的構(gòu)建。

（4）故障分析法在應用時也存在一定的不足。首先故障樹在構(gòu)建的初始階段存在嚴重冗余，應用較為困難，分析人員采用該方法需要具備較高的專業(yè)知識，致使該方法在電廠熱工檢修中的應用受到一定的限制。在構(gòu)建故障樹時，需要對各個故障間關(guān)系進行邏輯推導，要求相關(guān)作業(yè)人員具有一定的數(shù)學基礎(chǔ)，否則會造成工程排查出錯。同時，考慮到不同工作人員專業(yè)水平不

同，各相關(guān)人員陳述分析結(jié)論的可信度也存在明顯差異。

2 火電廠熱工自動化的發(fā)展及現(xiàn)狀

大容量、高參數(shù)的火電機組成為我國發(fā)電工業(yè)的主力機組，而熱工自動化技術(shù)因為機組容量的提升、控制儀表的智能化而取得大幅度進步。熱工的智能化控制是實現(xiàn)安全經(jīng)濟運行的主要措施之一，包括鍋爐、汽輪機、發(fā)電機以及輔機的參數(shù)調(diào)控、回路設計、命令控制以及性能優(yōu)化等功能，從而使得熱工從簡單的人為操作發(fā)展到不同復雜程度設備的自動控制、過程管控以及綜合分析，進而成為火電機組運行的重要環(huán)節(jié)。

回顧熱工自動化的發(fā)展，可以看到其與經(jīng)濟社會發(fā)展的變化緊密相關(guān)，是一個從簡單到復雜，從局部智能到全局操控，從低水平智能向高精尖智能轉(zhuǎn)化的過程。結(jié)合熱工自動化的發(fā)展及設備更新的程度，可以將其歸納為三個階段。

（1）熱工向智能化轉(zhuǎn)變的第一階段。

建國初期，我國的火電機組只有50MW，機組采用就地控制，很多輔助設備，包括鍋爐、汽輪機都需要在各自設備上設置相應的控制盤。這一時期，關(guān)于熱工怎么實現(xiàn)智能化主要依靠傳遞函數(shù)的方式進行論述，其中以根軌跡法、頻率法等分析方法應用較多，因而在這個時期對熱工的控制主要采用手工+經(jīng)驗的方式來實現(xiàn)。

（2）熱工向智能化轉(zhuǎn)變的第二階段。

上世紀70年代，通過生產(chǎn)工藝的發(fā)展，鍋爐、汽輪機可以構(gòu)成一個整體，從而減少了控制環(huán)節(jié)，提升了火力發(fā)電的效率。在該模式下，機、鍋爐、電力采用集中控制。此時熱工智能化采用模擬儀表、單元組合的方式，開始引入了計算機技術(shù)。

在這個時期，熱工實現(xiàn)智能化的理論基礎(chǔ)為狀態(tài)空間分析法，具體內(nèi)容包括最小二乘法、極大值的動態(tài)評估、卡爾曼濾波估計等方法，同時計算機技術(shù)的進一步發(fā)展為普及現(xiàn)代控制理論提供了新的途徑。

（3）熱工向智能化轉(zhuǎn)變的第三階段。

伴隨技術(shù)的進一步向前發(fā)展，分散控制系統(tǒng)的概念初步形成，即在結(jié)構(gòu)上分散，不僅將運行風險分散，并且消除了整體性的故障節(jié)點，增強了系統(tǒng)的可靠性，從而可以靈活地運用各種新型算法及模型，為系統(tǒng)的調(diào)試和運行提供更多可靠的方法。分散控制系統(tǒng)的出現(xiàn)極大推動了熱工智能化程度，并為真正實現(xiàn)智能化提供可用的技術(shù)工具，同時也改變了熱工智能化控制從業(yè)人員對熱工智能化概念的理解，從而從整個行業(yè)角度帶來了巨大的推動。

這個時期熱工的智能化控制形成了新的控制理論，即大型系統(tǒng)控制及以智能算法為基礎(chǔ)的控制理論。由于電力生產(chǎn)過程中存在機理復雜性，在實際控制過程中存在多個隨機因素，因而難以建立準確的、能覆蓋所有隨機因素的數(shù)據(jù)模型，同時，借助當前的控制策略，過于復雜難以在線控制，不能滿足高水平控制的要

求。在此背景下，人工智能、控制理論、運籌學的結(jié)合為熱工的智能化控制提供了新的契機。在這個階段，工業(yè)自動化已不再是局部控制，而是對全局問題進行掌控，在閉環(huán)控制、全局控制之間進行最優(yōu)化策略的選取。

從當前的現(xiàn)狀來看，火電廠熱工需要涵蓋檢測顯示、自動調(diào)節(jié)、信號保護等環(huán)節(jié)，從而構(gòu)成一個完整的智能控制系統(tǒng)。同時，新技術(shù)的不斷出現(xiàn)使得熱工在新材料、制造工藝、傳感器、變速器等領(lǐng)域進一步實現(xiàn)了改進，控制裝置在設計和應用層面均產(chǎn)生了飛躍的進步。

其中，可用作進行參數(shù)檢測，包括溫度檢測、壓力檢測、流量監(jiān)測以及液位監(jiān)測等;從過程角度，可以將汽包爐中的水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)分為三沖量系統(tǒng)，可將燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)的送風模塊以送風指令的形式進行調(diào)節(jié)等;從控制系統(tǒng)角度，結(jié)合前面提到的分散控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)故障分散，減小控制室的大小，縮減系統(tǒng)所用電纜的成本，降低備品種類及數(shù)量的支出，更重要的是降低生產(chǎn)中對設備廠家的依賴，進而增加控制系統(tǒng)構(gòu)建的靈活性。

3 電廠熱工的故障類型

電廠熱工在運行過程中，自動化系統(tǒng)在實際作業(yè)中可能出現(xiàn)以下幾類故障。

（1）現(xiàn)場信號出現(xiàn)的相關(guān)故障[3]。現(xiàn)場信號是電力生產(chǎn)作業(yè)需要的各種輸出指令信號，包括溫度指示信號、執(zhí)行部門信號、開關(guān)信號以及變速器信號。當現(xiàn)場信號出現(xiàn)異常時，會極大影響系統(tǒng)的控制性能，同時也會降低監(jiān)視數(shù)據(jù)準確性和精度，從而對操作人員作業(yè)構(gòu)成誤導。現(xiàn)場信號故障包括閥門故障、接線故障、變速器故障以及測量零部件故障。

（2）DCS系統(tǒng)故障、PLC硬件故障。具體來說包括數(shù)模信號轉(zhuǎn)換模塊存在故障、電源模塊存在故障以及CPU模塊出現(xiàn)故障。

（3）軟硬件配置存在故障，比如，編譯出錯或者系統(tǒng)軟件存在設計缺陷等。

（4）人為問題也是電廠熱工出現(xiàn)故障的重要原因，比如說，現(xiàn)場維護人員出現(xiàn)操作失誤。

4 故障樹的分析執(zhí)行流程

故障樹分析法需要對系統(tǒng)硬件故障進行分析，同時需要將軟件因素、人為因素以及環(huán)境因素納入考慮范圍[4]。不僅能夠?qū)收袭a(chǎn)生原因進行定性，同時對系統(tǒng)故障發(fā)生的原因產(chǎn)生較為準確的認識，一步一步分析不同事件結(jié)構(gòu)的應用價值，借助布爾運算對故障間關(guān)系進行簡化，從而對故障數(shù)種的最小路徑、最小故障子樹進行確定，從而對因為薄弱環(huán)節(jié)或者可能出現(xiàn)的失誤進行有效判斷。在此基礎(chǔ)上，可以對相關(guān)故障因素進行定量評估，即基于已知單元故障對系統(tǒng)失效進行概率計算，包括故障因素重要度、故障因素的結(jié)構(gòu)重要性以及促系統(tǒng)失效概率。從整體來說，故障樹的構(gòu)建從以下幾個步驟下完成。

（1）明確頂事件。就電廠熱工建設而言，自動化系統(tǒng)設計的最大初衷就是無需相關(guān)工作人員參與生產(chǎn)，因而不允許出現(xiàn)相關(guān)故障。

（2）在頂事件后，對系統(tǒng)故障進行現(xiàn)象定義，即故障出現(xiàn)了需要進行具體分析。如果將故障現(xiàn)象看作為一個輸出對象或者系統(tǒng)故障產(chǎn)生的直接原因作為一個輸入對象，同時結(jié)合邏輯門設計對不同故障因素之間的內(nèi)在聯(lián)系進行故障樹描述。

（3）加強中間事件的分析。相關(guān)人員需要對系統(tǒng)故障現(xiàn)象下的多個故障對象進行事件的輸入，從而對各個輸入對象進行分解，下一步事件作為下一級輸出的具體流程，但是事件的排除分析需要多次遞推，因而中間事件的分析對后續(xù)的分析至關(guān)重要[5]。

（4）應用逆向思維。針對已輸出的事件樹，進行邏輯關(guān)系的描述，從而判斷故障樹的樹根，進而形成故障構(gòu)建的樹形結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語

綜上，在電廠構(gòu)建過程中，尤其是自動化檢修作業(yè)中，需要采用故障樹分析法對可能出現(xiàn)的故障進行原因排查，該方法有助于電力行業(yè)的進一步發(fā)展，同時確保我國電力供應的可靠性。通過分析故障類型、故障樹執(zhí)行流程可以確保故障樹分析法應用的可靠性。在我國經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的進程中，電力供應的穩(wěn)定具有積極意義，并為我國經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展注入動力。

參考文獻

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