（环境工程专业论文）循环热力系统水质化学诊断与参数自动控制.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本研究选取热力系统的水汽循环作为研究对象，针对目前水汽质量监测的特点和现 有监控系统在故障诊断分析和预防方面的不足，阐述了研究热力系统水质化学诊断的必 要性及应用前景。研究中采用水质温度响应和实际案例分析等手段，系统地分析了因水 汽质量恶化引起故障的机理及特点，在此基础上引入专家系统、故障诊断技术等理论方 法，研究并开发了循环热力系统水质化学诊断专家系统和水汽质量监控软件。 实验选取六种典型锅炉水处理工况下的模拟水相，跟踪电导率和p h 随温度变化的 情况。对实验结果的解析可得出：不同的炉水处理工况下，水样电导率温度补偿系数 差异明显，实际监测中不应采用统一的温度补偿系数。 各水样电导率温度响应关系符 合a h b e n j u s 关系，计算得出的电导活化能受温度影响比较小，可用作表征体系热力学 性质的一项量化指标。 以某企业的空冷换热器的腐蚀实效为案例，采用水质分析，水样p h 、电导率温度 响应，配合电镜、电子能谱分析、等手段，解析了腐蚀失效是氧腐蚀、二氧化碳 腐蚀和应力集中的协同作用结果，同时还确认了由水质数据进行故障诊断的可行性。 研究中讨论了基于专家系统进行水汽故障诊断的技术基础。在案例分析和总结文献 的基础上，初步确定了水质化学诊断的重点指标、知识的表示形式和诊断规则，开发了 水质化学诊断专家系统的知识库、人机界面和核心推理程序。构建了实时水质数据的异 常辨识和在线诊断的功能框架。诊断结果给出故障原因、影响及处理对策。 最后对水质监控软件的开发过程，监控软件与现场设备的通讯、应用d d e ( 动态数 据交换) 技术实现监控软件和水质化学诊断专家系统之间的双向通讯、监控界面的动态 网页发布等功能的实现方法给与说明。 关键词：热力系统；化学诊断；温度补偿；专家系统；组态软件 循环热力系统水质化学诊断与参数自动控制 c h e m i c a ld i a g n o s i sa n da u t o - c o n t r o lb a s e do nw a t e rq u a l i t ) rp a r a m e t e r s f o rt h e m o d y n a m i cc y c l es y s t e m a b s t r a c t b a s i n go n 也ew a t e r s t e 锄s y s t e m 证t h e m a ls y s t 锄，t h cs i g n j f i c a n c e sa n de x c e l l e n t p r o s p e c to f w a t e rq u a l i t yc h e i i l i c a ld i a 弘o s i sr e s e a r c hi sd c s c r i b e da c c o r d i l l gt om ef b 矾l r c so f w a t e r s t e a mq u a l i t ym o n “o r i n ga s 、e l la st h ed e f i c i e n c yi nf h u l td i a g n o s i sa i l dp r e v e n t i v e m e a s u r e s mt h i sr e s e a r c h ，也em e d l a | l i s m sa n df e a t i 】r e so ff h m t sc a u s e db yi m p u r i t i e si n w a t e “s t e 锄s y s t e mi sm l l n d l ya n a j y z e db yu s i n gb o mt e f n p e r a n 鹏r e s p o n s eo fw a t e rq u a l 时 a n do n cr e a lc 嬲e 咖d y a t 也ci n e 趾血1 eaw a t e rq u a l 时c h e m i c a ld i a 乒o s i se x p e r ts y s t e m a n dar e a l t i m em o i l i t o r i n gs o f t w a r ea r ed e v e l o p e d 印p l y 缸gw i t hm e m o d so fe s ( e x p e n s y s t e m ) a 1 1 df a u l td i a g l l o s i se t c s i x 咖i c a l 、o 幽n gc o n d i t i o i l sm o d e l so f b o i l e rw a t e r h a v eb e e nc h o s e nt om a n a g e 也e c h a n g c si n e l e c t r i c a lc o n d u c t i v 时a n dp h ，w h j c ha r e 讹c e da td i f f e r e n tt e m p e r a l = 1 1 r e s f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc a 工lb e 蛔b y 锄a l y z i n gm ee x p e r i m e n tr e s u h s ：d i f f 细1 tw a t e r s a m p l ec a nl e a d t o g r e a td i f f 醯e n c e si n e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y t e m p e r a t l l r ec o m p e n s a t e c o e f f i c i e n t ，s ot h et c i n p e r a t i 鹏c o m p e n s a t ec o e m c i e ms h o u l db ec h o s e na c c o r d i n gt oa 叽1 a l c o n d i t i o n t h ec o n d u c t i v i t y t e m p e r a t u r er e s p o n s e sa r cc o i l l c i d e mw i ma m l e n i u s e q u a t i o n t h ei i l f l u e n c e s 抒o m 血et e m p e r a t l l r et om ev a l u e so fc o n d u c t i v i 哆a c t i v a t i o ne n e r g y ( e a ) a r es l i m t h e r e f o r ee ac a i lb ea c o m p a r i s o ni n d e xo ft h e r i n o d y n 锄i cp 猢e t e r sf o r ( 1 i & r e ms y s t e m s t a k c n 也ea i rc o o l e dh e a te x c h a n g e ro fs o m ec o m p a l l ya sa 1 1e x a i 】叩l e ，t h cc o r r o s i o n 筋l u r eo fa i la i r s t c 锄h e a tc x c h a i l g e rw a sa n a l y z e db ym e a l l so fw a t e rq u a l 时a n a l y s i s ， t e m p e r a t w er e s p o n s eo fp ha 1 1 dc o n d u c t i v 时a sw e l la ss e m ，e d sa n d t h ed i a 印o s i s c o n c l u d e st h a tt 1 1 ec o o p e r a 旺i o 咀o fo x y g e nc o n 0 s i o na n dc 0 2c o r r o s i o ni s 恤ep r 血a r yr e a s o n f o r 恤硒l u r e n ef e a s i b i l 埘o fu s 魄w a t e rq i l a l i t ya sb a s i cd a t af o rf a u hd i a 口o s i si sa l s o v a l i d a t e d i nm i sr e s e a r c h ，t l l ew a t c r s t e 锄f 孤hd i a g n o s i si n 恤ec o m p a n yo fe sm e t l l o di s d i s c u s s e d b a s i n go nt l l er e s m t so fc a s es t i l d ya n dl i t e 咖r e s ，s o m em o d u l e so fw a t e rq u a l i t y d i a g n o s i se x p e r ts y s t e m ，s u c ha ss u c ha sp r i m a r i l yp a r a m e t e r ，f b mo fl ( n o w l e d g ea n dm l e so f d i a g i l o s i s ，a r ee s t a b l i s h e d ；k n o w l e d g el i b r a r y ，s o f 细a r ei n t e r f 如ea l l dk e yr u l e sa r cd e v e l o p e d ； f u n c t i o n 心眦e so fd i s t i n g u i s ha _ b n o r m a lr e a l 撕m ed 砒a 如do n l i n ed i a g n o s i sa r ec o n s 订t e d t h er e a s o n so ff 孤1 t ，i n n u e n c e sa 1 1 dc o r r e s p o n d i n gp r e v e n t i v em e a s u r e sh a v eb e e np r o v i d e d a s w e 】 大连理工大学硕士学位论文 i nm ee n ds o m ei n t m d u c t i o n sa r eg i v e nf o r 1 ed e v e l o p 血gp r o c e s so fm o n i t o r i n g s o 仟w a r e ，c o 瑚m u i l i c a t i o nb e 柳e e nm o n i t o r i n gs o f t w a r ca 1 1 dl o c a li 1 1 s t n i m e n t s ，c o 瑚m 1 i c a t i o n b e 铆e e nm o n i t o r i n gs o 胁a r ea 1 1 dd i a g n o s i se x p e ns y s t e mt l l r o u 曲d d e ( d y i l 锄i cd a 诅 e x c l m g e ) a sw e l la sd y n 锄i cw e bp u b l i s h i n go fm o n i t o 血gi 1 1 t e r f k ee t c k e yw o r d s ：t h e m os y s t e m ：c h e m i c a ld i a g o s i s ；t e m p e n t i l r ec o m p e n s a t i o n ； e i p e r ts y s t 哪；c o 曲印n d 蚰s o f 柳a r e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：叠垒盛日期：= ! ! ：12 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 至! ：堂 导师签名： 丑。猛： 型l 年j 月1 日 大连理工大学硕士学位论文 弓口 环境工程技术经过长时间的发展，应用的领域不断拓展，而对一些较复杂的、交叉 学科领域的研究正逐渐深入。热力系统的水汽循环系统正属于这一类，它是热工、化学 的结合体，系统内部存在着多级相变和复杂的化学反应。然而系统中热效率低下、腐蚀、 结垢、积盐等问题时有发生，发生这些问题的原因和机理多种多样，如不能准确判断及 时控制，将造成巨大的损失。实际上显在的如结垢、腐蚀、积盐等现象与水质密切相关。 对水质进行化学诊断既可以解析发生上述现象的原因，又可以预测水质变化对显在过程 的影响，同时通过水质的调节还可以控制显在过程的发展。因此准确有效地进行水质化 学诊断，提出水处理控制策略，实现对现场水处理设施的实时控制对循环热力系统的安 全、经济运行具有十分重要的意义。 通过系统的水质分析，腐蚀、结垢产物分析、材料表观电镜、x r d 分析等手段得出 的诊断结果较准确，但存在滞后性，而且一般需要设备停机。而近年来发展起来的故障 诊断技术，利用在线仪表和先进的计算机技术，可以实现在设备不停机的情况下，对状 态参数进行监测分析，判断系统是否异常或故障，故障的部位和原因，提出合理的处理 方案。这种诊断方式较传统手段准确且迅速及时。循环热力系统水质化学诊断中存在着 诊断对象的不确定性、诊断知识的不完备性、工艺过程的连续性，故障现象的滞后性， 诊断信息的多样性等特点，缺乏准确的数学模型，很难实现快速准确的诊断。如能够应 用基于人工智能专家系统技术，模拟人类专家的专业经验和思维过程，对水质信号进 行分析判断，给出相当于专家水平的诊断结果和处理方案，将有助于解决这类问题。而 如何提取水质异常与故障结果之间的规则来构造专家系统的知识库与推理机是成功实 现水质化学诊断的核心，也是目前研究的重点。 准确的水汽质量监测数据是正确水质化学诊断的基础。由于热力系统中的水和地表 水不同，一般情况下都是带温、带压循环的，而监测仪表的测试值往往受温度变化影响， 所以温度还原问题不可忽视。现有的几种温度还原方法应用在水汽质量监测中是否准 确，还需要进行深入的探讨。另外为实现实时诊断、实时调节，就必须将水质监测，诊 断系统，水处理控制系统组合成一个整体，三者之间的数据通讯是目前研究的一个难点。 鉴于此，本研究从实际的案例分析出发，实验跟踪了电导率在模拟水相中温度响应 参数，探讨最佳温度补偿方法。根据循环热力系统的运行特点初步构建了水质化学诊断 专家系统的知识库和推理机。同时开发水汽循环的监控组态软件，建立水质监测，诊断 系统，水处理控制系统的数据通道。为该水质化学诊断技术的实际应用提供理论依据和 应用参考。 循环热力系统水质化学诊断与参数自动控制 1 绪论 1 1 本课题研究的目的与意义 热力系统的水汽循环也是一个给水和排水的系统，是环境工程应该关注的对象之 一。8 0 年代以后热力系统的水回用作为一项节能技术得到广泛的重视。蒸汽凝结水因为 其热值高、水质好的特点，常回用为锅炉的补给水，可减少燃料消耗、废气排放和锅炉 给水处理的费用，自实际应用以来取得了可观的综合效益【l 】。但同时也将整个水汽系统 构成了循环，杂质在水汽循环中较容易富集。当水质出现恶化时如不能及时发现将较容 易引起而引起腐蚀、结垢、积盐等问题的出现。这些问题的出现将造成热力系统的低效 率运行，严重的会造成设备损坏1 2 j 。据统计资料表明我国工业锅炉因结垢、腐蚀造成的 经济损失达3 0 0 0 万元年，多消耗燃料达1 0 0 0 万吨，年。云南某企业因为蒸汽品质不良， 导致其空冷换热器每2 3 月就会穿孔损坏，除更换设备的费用外，因停工检修所造成的 损失更为巨大。 水汽杂质对热力设备造成危害有一个渐变的过程，常表现为水质信号的异常。如果 能实现在线化学仪表监测和采用诊断技术，对水汽质量故障做出正确和及时处理，将会 有巨大的经济利益。如以一台2 0 0 m w 的机组锅炉为例，如果采用诊断技术能避免一次 运行中爆管事故，则至少能避免5 0 0 万k w h 的电量损失，可增加2 0 0 0 万的产值。据有 关资料介绍，澳大利亚仅用于防止锅炉腐蚀的费用超过3 5 0 万美元年，而用于诊断技术 的费用不超过上述费用的千分之一【3 】。在线仪表的广泛应用和诊断技术的发展使得利用 系统的水质监测进行故障诊断具有了可行性。特别是最近人工智能技术在故障诊断上的 应用，更将此技术提高到了一个新的水平 4 】。 热力系统的水汽循环中各水处理环节相互连接，水质信号存在延续性，任意环节水 质的变化都会引起连锁反应，增加了水质化学诊断的复杂度。为了更好的诊断和处理水 汽循环中的故障，有必要将多个专家的理论知识和丰富的实践经验积累起来，应用智能 技术，开发一个以水质信号采集、数据分析为依据的计算机水质化学诊断专家系统。这 样可以帮助运行人员进行故障诊断，并提供运行指导。但热力系统的水质数据采集和解 析存在一些特点，而且专家系统本身还存在着知识获取瓶颈、诊断系统直接控制现场设 备较难等问题，目前还存在着一些不足【5 】。 热力系统水相是热工和化学过程的结合体，它的水质数据采集和解析存在一些特 点，其中有两个问题值得关注：高温水汽与取样器出水中水、离子、分子物理化学性 大连理工大学硕士学位论文 质的不一致性 6 】。水相温度不稳定，而电导率等在线监测仪表的测试值往往与温度密 切相关，存在有温度还原的问题【7 】。 因此本研究中实验跟踪不同水处理工况下模拟水相的电导率、p h 随温度变化的趋 势，并进行解析，可以探讨较为准确适用的电导率、p h 温度补偿方法，并为准确推断 实际温度、压力下水相中各离子的迁移和发生化学反应的能力提供方法，为其他工业现 场在线仪表获取数据的处理、解析提供参考。而研究中采用组态软件和专家系统相结合 的方法，开发循环热力系统水质化学诊断和自动控制系统的软硬件，则能较准确及时地 对各水质信号进行分析、综合、诊断，并及时根据诊断结果控制水处理设施对水质进行 调节，可避免由于运行人员素质的参差不齐造成得疏漏和失误，提高系统运行的安全性、 可靠性。因此本课题的研究具有一定的理论意义和实用价值。 1 2 国内外研究进展及应用现状 1 2 1 热力系统水汽循环工艺现状 在热力系统中，水和蒸汽作为工作介质完成能量的传递与转换。原水在经过前处理 后在锅炉中吸收燃料燃烧产生的化学能，变成具有一定热能的蒸汽；蒸汽经过绝热做功 或者热交换冷凝为水。因为蒸汽凝结水温度较高、且杂质很少，将其回用用作锅炉补给 水除了能够减少燃料消耗之外，还能减少原水预处理的费用。电厂很早就开始将蒸汽凝 结水收集起来，经过混床精处理后重新送回锅炉，成为补给水的主体。中低压锅炉的凝 结水回用，直到8 0 年代能源危机以后才开始引起重视，先后出现了汽压式、密闭式、 热泵式等凝结水回用装置，取得了明显的节能效益【8 】。 热力系统根据水回用的方式不同，还可分为三类：直流水系统、密闭式循环水系统 和敞开式循环水系统【9 】。在直流水循环系统中，水只被一次利用后就被排掉了，所以赢 流水又称为一次利用水。密闭式循环水系统和敞开式循环水系统一样，水可以反复使用。 水经过一次利用后被在加热( 冷却) 后，在由泵送回用户，水如此不断的进行反复利用， 所以得到了广泛应用。密闭式循环水系统与敞开式循环水系统的区别在于，密闭式循环 水系统中，水不暴露于空气中。图1 1 是一个典型的密闭式水循环系统：热中间体水( 蒸 汽) 在热源( 锅炉) 与热用户( 热交换器) 之间循环。可以看出密闭式水循环与其他两 种回用系统相比存在着热损失少，空气中的0 2 ，c 0 2 等物质难以进入等特点，所以应用 最为广泛 1 0 1 。 热力系统中的水( 汽) 根据在流程中位置可分别称之为原水、化学处理水、给水、 炉水、蒸汽和凝结水( 疏水) 。在热力系统中的水与蒸汽均含有一定量杂质，如果杂质 含量在允许范围内，则不会影响设备的运行。但如果给水水质不稳定，或者水处理设施不 循环热力系统水质化学诊断与参数自动控制 足或效果不佳，管子泄露等原因经常会造成杂质在系统内富集，必然引起排污的加大， 缩短停机检修间隔，严重的则会引起设备的损坏。而且在实际操作过程中，任意环节出 现问题都有可能产生连锁反应影响热力系统的安全经济运行。 呻 图1 1 热力系统水汽循环示意图 f i g 1 1w a t e r s t e 锄c y c l ei n t h e m a ls y s l e m 由于汽水品质而引起的危害主要有： 1 热力设备的结垢。一般而言，金属的导热性比水垢的高几百倍，而水垢又极易在 热负荷很高的锅炉炉管中生成，所以结垢对锅炉的危害很大。它可以使结垢部位的管道 局部变形、产生鼓包，甚至引起爆管等严重事故。结垢不仅危害安全运行，而且还会大 大降低热力系统的经济性，增大燃料用量。而且，热力设备结垢后的清洗工作不但要浪 费人力、物力，而且由此导致的停机也减少了设备的年利用小时数。结垢的主要机理是 水相中钙、镁的碳酸盐因受热分解由易溶盐转化为难溶盐，从水中析出。 2 热力设备的腐蚀。调查资料表明热力系统设备的损坏有5 0 以上是因为腐蚀。水 汽系统中各个部分都会因水质不良而腐蚀。腐蚀不仅要缩短设备本身的使用期限，造成 经济损失，而且可能使一部分金属结垢产物转入水体中，使给水中杂质增多，从而加剧 在高热负荷受热面的结垢过程，结垢又会加速腐蚀。此种恶性循环，会迅速导致爆管事 故。此外，金属的腐蚀产物被夹带后也会影响热力设备的安全、经济运行。热力系统发 生腐蚀的原因多种多样，腐蚀形态和腐蚀机理各异，总体可归纳为：酸碱腐蚀，电化学 腐蚀、氧化还原腐蚀和应力腐蚀等等。热力设备腐蚀的案例非常的多，主要还是因为水 汽中的杂质超量产生的，例如水体中若含有超量的c 0 2 和溶解氧将会造成严重的腐蚀， 水体中c l - 、c u 2 + 、f e 3 + 、n 0 2 等也是去极化剂，可起去极化作用从而加速腐蚀【1 1 。12 1 。 大连理工大学硕士学位论文 3 热力设备的积盐。水质不良会使锅炉不能产生高纯度的蒸汽，水蒸汽带出的杂质 就会沉积在蒸汽通过的各个部位。这种现象称为积盐，严重的时候会使蒸汽流动阻力增 大，容易造成事故停机【l ”。 目前水质的连续监测和各水处理工序的应用是有效控制上述问题的主要手段，较完 整的水处理系统应由原水的预处理、软化除盐、除氧、炉水处理、系统加阻垢防腐剂等 工序组合而成【“。1 ”。实际操作中视具体的水质要求，略有不同。 ( 1 ) 给水的软化 工业锅炉的给水处理一般采用阳离子交换法。在阳离子交换法中，最常用的是钠离 子交换，即以n a + 来置换水中的c a 2 + 及m 9 2 + ，从而使水得到软化。这种方法软化质量好、 效率高口6 j 。 ( 2 ) 目前常用的除盐技术主要有，浅除盐及反渗透除盐。 浅除盐：浅除盐是指通过离子交换树脂把水中所含盐量部分的去除。浅除盐技术通 常是通过在原有水处理系统的基础上增加弱酸性阳离子交换树腊或弱碱性阴离子交换 树脂，将水体中的阴阳离子分别交换为旷和o h ，最终结合为水1 1 7 】。 反渗透除盐：为降低给水碳酸盐硬度，也可使用自动化程度较高的反渗透系统除盐。 由于反渗透膜截留粒子的直径小于1 0um ，因此可以除去水中几乎1 0 0 的有机物、细菌、 热源，以及9 9 以上的各种离子，可以去除原水中各种可能产生结垢和对热力系统各设 备产生腐蚀的离子。由于反渗透系统可以除去原水中绝大部分离子，因此可以防止炉内 积盐，减少排污，提高原水的利用率。另外反渗透系统具有结构紧凑、占地面积小、膜 分离装置操作简单、便于自动控制、节能效果明显等优点，投用后也带来很多潜在的经济 效益和明显的环境效益。目前已经有很多改装后成功运行的案例。 ( 3 ) 给水的除氧 目前给水除氧的方法有以下几种：1 热力除氧，2 真空除氧，3 亚硫酸钠除氧，4 钢屑除氧，5 电解铝除氧，6 解吸除氧法( 解吸除氧就是将准备除氧的水与已脱氧的气 体强烈混合，则溶解于水中的氧气就大量扩散到气体中，从而达到除氧的目的) 。目前使 用的主要是热力除氧，在锅炉中添加亚硫酸钠、铁屑、联氨等药品补充除氧。 ( 4 ) 炉内加药处理 炉内加药的主要是调节炉水水质，尽量减少或防止炉管的结垢与腐蚀，目前比较常 用的炉水调节方式大致3 类：是不含酸式盐( 指n a 2 h p 0 4 ) 的磷酸盐处理方式，如磷酸盐 处理( p t ) 、低磷酸盐处理、平衡磷酸盐处理( e p t ) 、低氢氧化钠一低磷酸盐处理；是含 酸式盐的磷酸盐处理方式，主要是协调p h 一磷酸盐处理( c p d ；是非磷酸盐处理方式，如 循环热力系统水质化学诊断与参数自动控制 苛性处理( 氢氧化钠处理，c t ) 、挥发性处理( a v l ) 、中性水处理州w t ) 、联合水处理( c w t ) 等。表1 1 中给出各水处理工况的比较情况【1 3 1 。 表1 1 锅炉水化学工况的比较 t a b 1 1c o m p a r 鲥o na m o n gt y p i c a lw o r k j n gc o n d i t i o n so f b o i l e rw a t e r ( 5 ) 系统内加阻垢防腐剂 除以上处理方法外，还可以通过投加缓蚀阻垢剂来对水汽质量进行调解。缓蚀阻垢 剂按照成分可分为以下几类：铬系，磷系，硅系，钼钨系和全有机系。考虑到铬系配方 大连理工大学硕士学位论文 排污对环境的危害，在我国运用的很少。我国一开始就采用了磷系配方。长期使用中证 明其效果良好、费用低可以满足生产要求。但是由于其对p h 值要求严格，配方中如果 没有高效阻垢剂还有可能会造成热端结垢或冷端腐蚀的情况。为此目前单一聚磷酸盐配 方已基本不用，多采用磷系、钼系、硅系、钨系等复合配方或全有机配方，常用的有： 锌盐聚磷酸盐。聚磷酸盐膦酸盐聚羧酸盐，聚磷酸盐钼酸盐磷酸盐聚羧酸盐，硅酸 钠膦酸盐，钨酸钠磷酸盐等。 为监测热力系统中的水汽质量状况和水处理工序的工作状况，应在水汽流程中设置 许多采样点，以定期人工化验或借在线仪表做连续监测。不同的系统所采取的监测手段 有所不同，但是所监测的项目大体相同，可归纳如下： ( 1 ) 给水及其组成部分：给水、凝结水和化学处理水的监测项目为硬度、电导率， 溶解氧和p h 。如果给水系统中有氨和联氨自动加药装置时，给水可不进行监测，但要 定期校对和调整加药装置。 ( 2 ) 炉水和蒸汽：炉水和蒸汽均应监测电导率、含钠量和二氧化硅，炉水还应监测 p h 和磷酸根，必要时增加碱度和氯离子等监测项目。这些指标都应采用在线监测。 ( 3 ) 原水和化学处理水：化学处理水的监测项目与采用的处理方法有关。在预处理 系统中，应监测原水和处理水的硬度、碱度、电导率、浊度和耗氧量等项目。在软化除 盐设备中主要监测阳床酸度和阴床、混床水的电导率、含钠量与二氧化硅。 取样时通常用冷却水将高温水汽样品冷却到3 0 - 4 0 ，并采用截门限流，使其压力 接近与常压。因为各水汽质量标准规定取常压2 5 为比较基准环境，而往往水样的温度 是偏离2 5 的，这就存在温度还原( 补偿) 的问题。目前温度还原的方法主要有恒温法、 手动设置温度补偿和仪器自动温度补偿法三种。而在线仪表多采用自动温度补偿的方 法，根据其补偿方式又可分为热敏电阻补偿法、参比补偿法、逐点逼近补偿法等。其中 参比补偿法原理简单，但是难以推广；热敏电阻补偿法，适用范围较窄而逐点逼近补偿 法适用范围广但是电路过于复杂【1 9 】。这些补偿方法应用于锅炉水相存在着适用性和准确 性的问题，有必要进行深入的探讨。 1 2 2 诊断技术研究成果和发展趋势 诊断技术是一门实用性很强的技术，6 0 年代开始在很多的领域的应用研究中发展起 来。故障诊断技术就是它与具体工程学科相结合的产物，它涉及到电子、机械、化学、 物理、光学、数学、计算机等多学科知识，是一项交叉性很强的综合技术【2 0 】。其主要任 务是通过检测手段判断设备和工作过程的状态，并对诊断对象发生的故障或异常进行认 识和确定，并以此确定应采取的治理措施和对策。 循环热力系统水质化学诊断与参数自动控制 国内外许多资料表明，开展故障诊断的经济效益是明显的。据日本统计，在采用故 障诊断技术后，事故率减少7 5 ，维修费用降低2 5 一5 0 ；英国对2 0 0 0 个国营工厂的 调查表明，采用故障诊断技术后，每年节约维修费用3 亿英镑，用于诊断技术的费用仅 为o 5 亿英镑；据我国有关部门统计，每年用于设备维修的费用，仅冶金部就达2 5 0 亿 元，如果故障诊断技术推广，每年可减少事故5 0 缸7 0 ，节约费用l oc 一3 0 ，经济效 益相当可观。 v e n l 【a tv 等在有关故障检测和诊断的论述中将故障诊断技术的研究内容分为四个 方面 2 1 2 3 j ： ( 1 ) 数据的采集和监测。主要涉及到传感器技术、数据采集技术、测试与监视技术、 电子技术与计算机技术。根据处理方式和要求的不同，可区分为在线监测和离线监测。 按照信号测取方式的不同，又可分为振动、声学、温度、光谱分析、压力、电参数、表 面形貌、污染物和光学等数据的采集与监视。 ( 2 ) 信号的处理变换及特征提取分析。主要依靠数学工具，如f f t 、z 变换、小波 变换、相关函数及功率谱等信号处理技术，熵谱分析、j 散度、学习子空间法及主分量 分析等特征提取分析技术，对采集的信号进行数据的预处理，消除噪声，提取特征信息。 ( 3 ) 设备运行的诊断决策和趋势预测。状态监测的任务是使系统不偏离正常功能， 并预防功能失效，设备故障诊断是在状态监钡基础上进行深入地预测设备运行趋势和判 断设备运行问题，当系统一旦偏离正常功能，则必须进一步分析故障产生的原因，并进 行故障模式的分类。这是故障诊断技术的主体部分，包括故障的定位与分离、故障时间 的确定、故障辨识和故障模式识别、趋势预测几部分。 ( 4 ) 故障的处理。对具体的工程活动而言，分析出故障产生的原因及部位后，必须 考虑故障的处理方法。比较典型的故障处理方法有顺应处理、容错处理与故障修复等三 大类。 在故障诊断基本方法的研究上，郑海荣等【2 4 l 认为故障诊断技术实际上是研究任何获 取、分析和处理冗余信息的技术，并将其分为了基与直接或物理冗余、基于间接或解析 冗余和基于知识和规则冗余法三类。实质上无论是直接冗余还是间接冗余，描述的都是 对象、故障、故障征兆三者之间( 或自身内部) 的量化关系。但是，许多实际问题并不都 是可以严格量化的，一些经验丰富的专家在进行故障诊断时也并不都是采用严格的数学 算法从一串串计算结果中来查找问题。此时故障诊断技术出现了一个分枝定性故障诊 断，1 9 6 2 年b e l l 研究所刨立了故障树分析技术( f t a ) ，在定性故障诊断技术发展初期起 着重要作用【2 ”。但是对于大规模复杂系统，故障树方法实现难度大，效果也不好。7 0 年代后随着专家系统( e s ) 、知识工程和计算机技术的发展，复杂系统定性故障诊断过程 大连理工大学硕士学位论文 的智能化成为一种趋势，建立故障诊断专家系统成为基于知识冗余定性故障诊断技术的 重要研究方向。 专家系统是发展最早，也是比较成熟的一种人工智能技术。它是一个程序系统，主 要面向现实世界中需要领域专家来分析、判断和求解的问题。它汇集了许多领域专家的 知识和经验，可以模拟人类专家做出判断和决策【2 6 】。专家系统擅长逻辑推理和符号信息 处理，所以很适合进行故障诊断处理。专家系统的发展大大的推进了智能化诊断技术的 发展，在某些特定的领域和范围内，诊断专家系统问题求解的能力已经达到了人类专家 的水平。专家系统能否取得成功，主要取决与能否获取高质量的知识、专家系统工具的 性能( 运行速度及与数值程序的交互能力等) 、知识库的维护是否方便以及人机接口的友 好程度等。目前在专家系统的实际应用中确实存在着知识获取“瓶颈”、知识库维护困 难、推理机制单一等等问题，近来的研究多采用人工神经网络、模糊原理等智能技术与 专家系统相配合，用神经网络来解决专家系统的知识获取困难，推理能力差的问题，而 专家系统也弥补了神经网络训练样本获取困难、推理过程透明性差等缺点，取得了定 的效果但有待于进一步发展。 自故障诊断技术学科形成以来，其发展可归纳为以下四个阶段【2 7 j ： 第一阶段，以检测仪表为主体的监视诊断装置。如本特利公司的b e n t l y 7 2 0 0 、9 0 0 0 、 3 3 0 0 系列等和飞利浦公司的p l l i l i p s 系列。它的主要构成为传感器和指示仪表箱，多数 是用于振动测试分析。其主要缺点是：信号检测是随机的，幅值并不能全面地表达动态 过程的特性；不能分析各种频率成分，可能出现当检测出振幅突然增大时则为时已晚的 问题，既不能防止突发性故障，本身也无分析功能，主要依靠经验判断。 第二阶段，检测仪表配备软硬件分析的系统或装置。它主要增加了由硬件或软件完 成的包括各种图谱分析的信号处理功能。如b e m l y 公司的a d r e 3 及恩特克( e m e k ) 公司 的p m 等系统就具有频谱分析、谱阵图、波德图、轴心轨迹图等功能，有利于诊断的准 确性，但也存在一些缺点：分析装置只是种工具，不能自动判断，诊断决策仍需依赖 于领域专家，不能连续自动的分析，容易丢失故障信息，不能预防突发性故障，对于结 构复杂的设备，故障与征兆之间无一的对应关系，难免发生误诊。 第三阶段，计算机辅助监测诊断系统。主要由传感器、接口装置和计算机系统组成， 其中接口装置具有电平转换( 缩放) 、采样、分析处理、显示记录与存储等功能。它可以 实现实时监测和自动诊断，有利于预防突发性故障，是故障诊断技术的主要发展方向。 但目前的最大问题是知识的表达利用和推理机制的灵活性较差，并对领域专家的要求越 来越高。 第四阶段，智能盟测与故障诊断系统。首先，以专家系统为代表，2 0 世纪7 0 年代 末开始在工程领域的设备故障诊断中应用，它是以知识为核心，从总体出发，自上而下 9 循环热力系统水质化学诊断与参数自动控制 建立某种故障模型进行求解，但存在知识结构庞大、对复杂系统建模困难、对环境适应 性差等问题，2 0 世纪8 0 年代中期又出现了模糊逻辑、神经网络在设各状态监测与故障 诊断中的应用，标志着现代设备状态监测与故障诊断技术研究和应用的开端。但在知识 表达、智能推理、学习等方面的理论研究和实际运用还有待于进一步发展。 随着人工智能、专家系统的发展以及监测技术、计算机技术、电子技术和通讯技术 等相关领域学科的进一步深入，故障诊断技术从理论到实际应用都有了更新的发展，其 发展趋势将是基于知识处理和信号分析方法为主、基于解析模型方法为辅的融合性智能 化、网络化、自动化在线监铡诊断技术。 1 2 3 水质化学诊断技术应用现状及存在的问题 水质化学诊断技术是在电厂设备故障诊断系统的开发过程中逐步发展起来的，最早 应用与火电厂的化学水汽故障诊断。水汽质量化学诊断技术是利用现有在线仪表和设 备，对主要的水汽项目指标进行监测，利用故障诊断程序，进行故障分析，提出解决办 法或改进措施，达到保证设备安全经济运行和延长设备寿命的目的。近年来在水处理领 域也开始有应用研究，以期为污水处理设施的长期稳定运行提供指导( 2 s j 。 在热力系统中，水质化学诊断的任务是对水汽质量进行监控并进行必要处理，防止 锅炉、换热器等设备或管道发生腐蚀、结垢、积盐，避免因水汽质量故障引起检修。早 在8 0 年代国内外专家就已经讨论过实现水汽故障在线诊断的可能性和紧迫性【2 9 1 。美国 电力学会伍p i u ) 的锅炉管子失效专家系统、锅炉四管爆破故障诊断系统、西屋公司的电 站人工智能专家诊断系统( p d s ) 和日本三菱、日立公司各自的故障诊断系统中都涉及到 了水汽诊断的内容，作为考察指标或者一个子系统，发挥着重要的作用。我国对热力系 统的水质化学诊断技术十分重视，从8 0 年代中期就开始了这方面的研究。北京电力学 院的窦照英率先将化学诊断技术从设备诊断技术中区分出来，总结了水汽参量监测的手 段、获取潜在化学故障信息的方法，介绍了判断腐蚀、结垢、积盐故障的方法和处理对 策 3 l 。长沙电力学院的李字春【3 0 m 】、朱志平【3 3 】等，在诊断知识的总结和推理机制的开发 上做了不少工作，进行了多项有益的尝试。但是国内外的研究大多集中在火电厂的水汽 故障诊断之上，而对中低压锅炉水汽循环方面的研究则相对较少。 水汽诊断及处理系统是对各种化学故障进行判断、处理经验的归纳总结形成的。多 年的事故统计表明，水汽故障的发生往往是有征兆的，对征兆缺乏认识或没有足够重视， 将会引起故障的进一步发展而导致更为严重的事故。所以在面对故障的征兆的时候，领 域专家的知识和现场的经验是相当重要的。所以在能够模拟领域专家的专家系统水汽故 障技术中应该起到更为重要的作用。经过多年的水汽监测手段、水处理技术的发展，以 及现场的操作经验的积累，已经提供了大量的故障诊断的知识。而在线仪表的大量使用 也为实现在线诊断提供了必要的条件。 大连理工大学硕士学位论文 综合国内外文献，目前的水汽诊断专家系统有以下几类：离线诊断系统( 例如瑞典 n a s s i o d 电厂的b a k e ) 、准在线系统( 例如美国奥而兰多s t a m o n 电厂的在线化学诊断系 统) 、在线诊断系统( 南京自动化研究所应用于上海外高桥电厂的专家诊断系统) 。 水质化学诊断技术经过2 0 年的研究和应用，目前在判断热力系统的化学故障中发挥 了一定的作用。但是综合文献及现场资料，目前对水汽故障的诊断还不够深入，应用水 平较低。总体来说还存在着以下问题： 1 、虽然热力系统目前安装了各式各样的水汽监测装置，然而对实时采集所得的大量数 据，如何更准确的分析，从监测数据提取有用的信息，以更准确的把握实际工况， 尚待进一步研究。 2 、有些地方虽然安装有水汽监测和数据诊断系统，但普遍存在重监测，轻诊断的问题， 诊断系统较简单，虽然能够及时发现单元水汽质量异常，但是缺乏整体综合分析， 提出解决处理方法的能力。 3 、现有的水质化学诊断系统主要与在线仪表通讯获取水汽质量信号，但于普遍与现场 的水处理自控系统缺乏通讯，诊断系统做出处理建议时，难以直接与控制系统联系， 以及时采取措施控制水汽质量变化。 4 、水质故障诊断的知识库还很不完备，如何将专家知识和现场人员的经验转化为计算 机可识别的格式也是一直难以解决的问题。同时也缺乏对大量数据、长期数据作定 期、全面分析诊断的能力。 5 、网络化技术的应用开发力度不够，需要充分实现设备运行信息的资源共享与集成， 同时远程监测诊断能力有待进步加强。 1 3 本课题的主要研究内容 本研究的目标是：针对热力系统因为水汽质量引起的腐蚀、结垢、积盐等问题和 目前诊断系统的不足。综合水处理、自控技术、专家系统和面向对象编程技术，试图 建立一个以水汽质量分析为基础的较完备的循环热力系统水质在线诊断和自动控制系 统，为现场提供理论基础和应用参考。 本研究主要做了以下几方面的工作： 1 、收集热化学、热能工程和水处理工艺设备的相关资料及进行现场调研，深入剖析水 汽故障机理，总结故障出现时水汽质量异常征兆，探讨获取水质热化学参量的基本 方法。 2 、人工配制对应于六种典型水处理工况下的模拟锅炉水相，跟踪各水相系列温度下的 电导率和p h ，并进行详细解析。以期找出适用锅炉水相的电导率、p h 较精确的温 度还原方法并为工业现场在线仪表数据的处理提供解析的参考。 循环热力系统水质化学诊断与参数自动控制 3 、根据先前的研究结果，诊断某工业企业的空冷换热器的腐蚀原因，根据诊断结果提 出相应解决方案。通过实际运用检验水质化学诊断方法的正确性及准确性，同时对 诊断方法进行修正及必要补充。 4 、构造诊断系统框架，建立水质参数数据库和专家系统的知识库，推理机，并利用面 向对象编程技术建立诊断系统的用户界面，实现水质化学诊断的基本功能。为知识 库、数据库的维护提供工具。 5 、使用国产组态王软件，对在线仪表、p l c 进行组态，建立水汽循环监控界面，并实 现网络发布。应用动态数据交换( d d e ) 技术，建立现场设备与诊断系统的实时数据 通道。 大连理工大学硕士学位论文 2 水质参数温度响应参数解析 2 1 水质参数温度响应的目的意义 热力系统的水相是一个相当复杂的系统，尽管水中的杂质和水处理药品的浓度相 当低，但是其中的化学过程还是相当复杂的，目前还不是特别的明了。这种复杂来源于 高温下水，离子、分子的物理化学性质的动态变化。高温炉水与取样器出水，两种水相 巾水、离子、分子物理化学性质存在不一致性。温度升高水的密度、表面张力、介电常 数都会将低，而离子的活度和电离平衡常数也是温度的两数。如何从测试点的数据准确 推算出实际温度、压力下水相中各离子的迁移和发生化学反应的能力。此问题近年来才 受到关注，国内外研究很少有待于进一步展开。所以有必要对热能系统水相的物理化学 性质进行实验研究。 在锅炉水的监测和控制中，p h 和电导率是最直观反应水质的两个指标，因为其简 单易得所以在很多场台中多被用作水质的控制指标和水质