（动力机械及工程专业论文）凝汽器运行性能及早期故障智能诊断系统研究.pdf

摘要 摘要 凝汽系统是电站凝汽式汽轮机组重要的辅助设备，它起着冷源的作用。凝汽器运行的热力性能 对汽轮机机组运行的安全性与经济性有着重要影响。凝汽器高真空度的工作特点使其在运行过程中 易发生各种故障。因此深入研究凝汽系统的工作机理和运行特性，对于提高机组经济运行水平有着 重要的理论意义和工程实用价值。 由于凝汽系统的热力系统结构复杂，子系统及设备间存在较强耦合且系统运行工况复杂多变， 在故障诊断中普遍有故障知识库难于建立和完善的困惑。为此，作者采用基于分析型仿真模型的故 障样本知识提取方法。并用该仿真模型与智能故障系统相结合实现对凝汽系统的性能分析和故障诊 断。 本文建立的仿真模型具有较高精度和良好动态特性，在此基础上研究了凝汽系统的故障特征规 律，总结出工程实用的故障知识库。本文还对凝汽器的故障诊断方法进行了研究和总结，并尝试采 用e l m a n 神经网络与模糊逻辑理论相结合构建故障诊断系统。该模糊神经网络兼具了模糊逻辑与神 经网络的优点，它既可以描述具有模糊概念的问题，又具有强大的学习能力和数据的直接处理能力； 且在网络学习中发现e l m a n 网络比传统前向型网络更稳定，更适合动态系统的故障诊断。 本文利用m a t l a b 作为开发工具，开发了汽轮机组凝汽系统仿真及故障诊断系统应用软件， 能够实现全工况性能监测，并对潜在故障进行早期诊断，为机组制定合理的检修计划提供依据，保 障机组的安全经济运行。该系统采用人机交互界面，具有界面友好，操作简单等特点。 关键词：凝汽器：仿真；性能分析；故障智能诊断；e l m a n 网络 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n d e n s e rs y s t e m ，a sac o o l e ri nt h eu n i to fc o n d e n s i n gs t e a mt u r b i n e ，i sas e to fi m p o r t a n ta u x i l i a r y e q u i p m e n ti np o w e rp l a n t s i t st h e r m o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cp l a y s f u n d a m e n t a lr o l e si nt h et u r b i n e o p e r a t i o ns a f e t ya n de c o n o m y c o n d e n s e rw o r k si nh i 曲v a c u u mw h i c hr e s u l t si nv a r i o u sk i n d so f o p e r a t i o nt r o u b l e s ，t h u s f u r t h e rr e s e a r c ho nc o n d e n s e rs y s t e mw o r k i n gm e c h a n i s ma n do p e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c sh a sap r o f o u n ds i g n i f i c a n c ei ni m p r o v i n ge c o n o m i co p e r a t i o nl e v e lb o t hi nt h e o r ya n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n c o n d e n s e rs y s t e mi sav e r yc o m p l e xs y s t e mc o n s i s t i n go fm a n ys u b s y s t e m si ns t r o n gc o u p l i n ga n d w i t hv a r i o u sw o r k i n gc o n d i t i o n s t h e r e f o r e , i ti sd i f f i c u l tt ob u i l ta n dc o n s u m m a t et h ef a u l tk n o w l e d g e c o l l e c t i o no fc o n d e n s e rs y s t e mf r o mo p e r a t i o ne x p e r i e n c e s ，w h i c hp u z z l e sp e o p l ea n dh o l d sb a c kt h e t e c h n i c a la d v a n c e m e n ti nc o n d e n s e rs y s t e mf a u l td i a g n o s i sa n di t sa p p l i c a t i o n s ot h i sp a p e rp u t sf o r w a r da m e t h o db a s e do na n a l y t i c a ls i m u l a t i o nm o d e lt oc o l l e c tf a u l ts a m p l ek n o w l e d g e a n dt h i sm o d e li s c o m b i n e dw i t ht h ei n t e l l i g e n tf a u l td i a g n o s i ss y s t e mt oa n a l y z et h ec o n d e n s e rs y s t e m sp e r f o r m a n c ea n d d i a g n o s ei t sf a u l t t h es i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e dw i t hh i 曲p r e c i s i o na n dg o o dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s 。o nt h e b a s i so ft h es i m u l a t i o nm o d e l ，t y p i c a lr u l e sf o rf a u l t so f c o n d e n s e rs y s t e ma r es t u d i e da n df a u l tk n o w l e d g e d a t a b a s ep r a c t i c a l l yu s e di ne n g i n e e r i n gi ss u m m a r i z e d m e t h o d so ff a u l td i a g n o s i sa r ea l s os t u d i e da n d s u m m a r i z e da n dan e wm e t h o dt h a tt h ee l m a nn e t w o r kc o m b i n e sw i t hf u z z yt h e o r yi sg i v e n t h ef u z z y n e u r a ln e t w o r kh a sm e r i t sb o t ho ff u z z yl o g i ca n dn e u r a ln e t w o r k i tc a nd e s c r i b e df u z z yq u e s t i o n , h a s g r e a tc a p a b i l i t i e so fs t u d y i n ga n dd a t ad i r e c t l yd i s p o s i n g i nt h ep r o g r e s s i n go fn e t w o r kl e a r n i n g ，f i n dt h a t e l m a nn e u r a ln e t w o r kh a sm o r es t a b l en e t w o r kp e r f o r m a n c et h a nt r a d i t i o n a lf o r w a r dt y p en e t w o r k , a n d m o r es u i t a b l ef o rd y n a m i cs y s t e m sf a u l td i a g n o s i s w i t hm a t l a bl a n g u a g e ，a p p l i c a t i o ns o f t w a r ef o rt h ec o n d e n s e rs y s t e mc o n s t r u c t sw i t hs i m u l a t i o n s y s t e ma n df a u l td i a g n o s i ss y s t e m i tc a l lb eu s e dt om o n i t o rc o n d e n s e r sp e r f o r m a n c ea n dd i a g n o s et h e h i d d e nf a u l ta n dp r o v i d et h eb a s i sf o rt h er e a s o n a b l ep l a no fu n i tm a i n t e n a n c e s oi tc a ni m p r o v et h eu n i t s e c o n o m ya n ds a f e t y t h es o f t w a r ei se a s yf o ro p e r m o r st oo p e r a t ea n dh a saf r i e n d l yi n t e r f a c e k e yw o r d s ：c o n d e n s e r ；s i m u l a t i o n ；p e r f o r m a n c ea n a l y s i s ；f a u l ti n t e l l i g e n td i a g n o s i s ；e l m a nn e t w o r k 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 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 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：隆，舀醢日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：】筮。邑球师签名： 袱膨 多 u 日期：丝丝笙：! 丝： 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 随着我国经济的快速发展、产业结构及经济结构的改革，能源消费量日益增长。上世纪九十年 代末起，我国能源开始供不应求，部分城市在用电高峰期开始拉闸限电。近几年国家为了解决电荒 这一关系到国民经济持续发展的问题，各省净增装机容量不断刷新纪录。其中，2 0 0 6 年一年我国净 增装机容量超过1 亿千瓦，打破了我国保持的2 0 0 4 - - 2 0 0 5 年1 9 个月新增装机容量l 亿千瓦的纪录【i 】。 这些新增装机容量中煤电为主要形式，预计到2 0 2 0 年，煤电装机容量为6 0 0 g w 左右，约需煤炭 1 4 0 0 g t ，占该年煤产量2 1 0 0 g t 的6 6 。火电厂巨大的煤炭消耗不仅给环境带来巨大压力还就造成 了煤矿能源的短缺，同时火电厂发电输电效率低下等因素加剧能源供应紧张的态势程度。然而一次 能源储藏、分布及建设周期等决定了煤电作为我国电力生产的主要形式长期之内不会改变。 因此，国家“十一五”电力产业结构调整指导明确指出超临界、超超临界机组是电力行业发展的 重点。相对于小机组，超超临界机组具有节能、环保等优点，是我国实现降低能耗目标的重要措施。 超临界、超超临界机组的蒸汽参数很高，最高可达3 1 m p ，6 5 0 6 0 0 6 0 0 ，机组的安全稳定运 行就十分重要。而凝汽器是现代大型电站凝汽式汽轮机组中的重要组成部分【2 】，其安全经济运行直 接影响到整个机组的安全经济运行。凝汽器的任务是将汽轮机排汽凝结成水并在汽轮机的排汽口建 立并维持一定的真空度。因此真空度是凝汽器运行热力性能的一个主要指标，如果凝汽器真空过低， 将引起有效焓降减少，循环效率下降，还会导致汽轮机排汽缸温度升高，引起汽缸变形和振动。凝 汽器运行热力性能的主要指标还包括凝结水的过冷度及含氧量。凝结水的过冷度增加会导致电站煤 耗的增加；含氧量的增加将使热力系统管道、低加等受到腐蚀，特别是在核动力装置下，凝结水含 氧量的增加会危及蒸汽发生器的安全运行。总之，凝汽器运行的热力性能对汽轮机组运行的安全性 与经济性有很大影响。在对凝汽器热力性能进行监督的情况下，如何准确快速的判断出是否存在故 障和故障的原因对减少机组停机时间、提高机组的可用率具有重要的意义。国外资料表明：配置故 障诊断系统能减少事故停机率，具有很高的收益投资比。据日本统计，在采用诊断技术后，事故率 减少7 5 ，维修费用降低2 5 5 0 。英国对2 0 0 0 个企业进行的调查表明：采用故障诊断技术后， 每年节约维修费用3 亿英镑，而故障诊断系统的成本为0 5 亿英镑，收益为投入的6 倍【3 】。 凝汽系统设备之间存在较强耦合其运行工况复杂多变，在故障诊断中普遍存在着故障知识库难 于建立和完善的困惑，严重制约了故障诊断技术的进步和诊断系统的实际应用效果。而仿真技术在 热力设备动态模型及系统全过程动态特性研究方面具有很大优势，利用仿真技术研究热力系统故障 规律，可有效解决热力系统故障知识库获取的难题，并可以检验故障诊断系统的效果，以推进故障 诊断技术的进步。为此本文把仿真系统与故障诊断系统相结合，对凝汽器运行性能进行监测，并能 够实现早期的故障诊断。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 电站仿真系统1 4 捌 我国的电站仿真研究始于上世纪七十年代，清华大学热能工程系以国产2 0 0 m w 燃煤发电机组 为对象，开发了我国第一台正式用于培训的实用型仿真系统。该系统于1 9 8 3 年完成并正式投入使用。 同年，东南大学开发了国产1 2 5 m w 火电仿真培训系统，于1 9 8 8 年通过能源部组织的鉴定，这是我 国第一个通过部级鉴定的仿真培训系统。除国内自主开发电站仿真系统外，我国还从国外进口了若 干台仿真机。如1 9 8 6 年，北京电力专科学校从美国l i n k 公司进口了一套3 0 0 m w 火电机组培训仿 东南大学硕士学位论文 真系统；同年，国家核安全局购进一套美国7 0 年代末生产的9 0 0 m w 压水堆核电站仿真系统。 随着仿真技术的不断发展，电站仿真系统的功能不断扩大，应用范围也越来越广泛，包括机组 设计、调试、运行、改造的全过程。具体表现在： ( 1 ) 用于机组设备和工程设计 当整套机组还在设计阶段，通过仿真机来模拟机组在各个工况下的运行过程，从而及时发现并 纠正在设备选型、系统设计、控制策略等方面的不合理的地方。此用途的仿真机要求仿真对象数学 模型基于机理性，并有较高的精确性，同时仿真环境要方便于建模、调试、修改、运行和分析。 ( 2 ) 用于机组逻辑保护和控制系统的设计、调试 随着机组自动化水平的提高，其逻辑保护和控制回路也越来越复杂。这就要求设计阶段就能发 现并消除可能存在的问题。此用途的仿真机通常采用虚拟方式来实现控制系统，以对控制系统参数 和方案进行整定、优化，缩短控制系统在现场调试的周期。 ( 3 ) 为机组运行方式的确定、操作规程的制定提供依据 在建立和调试得到可靠的机组模型和控制系统模型以后，这时就可以在仿真机上进行机组的各 种工况( 扰动、启停、事故等) 下的仿真试验，确定机组在各种工况下的最佳运行方式和操作步骤， 以及对事故工况的判断和处理方式。 ( 4 ) 为运行过程中的设备和系统改造提供试验平台 在老机组改造中，如果要对某些设备，如泵、加热器、管道及阀门等局部系统做出变换，就可 以在仿真机上进行试验，从而确定改造方案是否可行。 ( 5 ) 对机组的实际运行方式进行经济性分析和故障诊断 通过将仿真机和实际机组的d a s 系统相连，把现场数据采集到仿真机，与仿真机上的相同工况 下的运行数据进行分析、比较，从而确定机组的运行性能及经济性；通过对电站运行方式的全过程 模拟，以及对事故工况进行模拟复现，找出导致事故的可能的原因，为故障诊断提供科学的依据。 从而实现对热力系统的性能分析、故障预报及诊断、运行维护管理等。这也是本文所建立凝汽器仿 真系统的用途。 1 2 2 故障诊断方法 1 2 2 1 传统故障诊断方法 初期凝汽器故障诊断和处理是电厂运行人员和管理人员凭借着自身的知识和多年的运行经验， 先对运行参数的变化原因进行预判，再到可能发生故障的设备现场进行分析确定。最后排除故障， 并总结故障原因，提出在凝汽器运行中如何避免或减少该故障再次发生的频率。李剑刚1 6 j ，吕海涮7 1 ， 何贤德吲，王安1 9 】等分别介绍并总结了在针对凝汽器真空下降这一故障特征所作的分析和采取的措 施。这些实例在给运行人员带来运行经验的同时，从中也可看出凝汽器所有的故障都会导致凝汽器 真空下降。不过在现实运行中因为运行人员对凝汽器各个参数的微小变化和变化趋势并不敏感，遇 到故障时运行人员不得不采用逐个排除的方法进行故障诊断。这些工作主要靠人工完成，不但效率 低，增加了运行人员的劳动强度，还会由于运行人员的经验水平、工作环境、记忆等因素而导致决 策、操作上的不可靠，给维持机组的经济背压造成困难。 随着机组参数越来越高，设备越来越复杂，对运行的稳定性和连续性要求也越来越高。传统的 故障诊断方法显然不能满足这些要求，这就促进了现代故障诊断方法的研究。 1 2 2 2 现代故障诊断方法 现代故障诊断技术兴起于上世纪七十年代，它能在设备带负载运行、不停机的情况下，通过使 用先进的技术手段，对设备状态参数进行监测和分析，从而进行故障的诊断。在近十年内，故障诊 断方法有了很大的发展，特别是基于知识( 智能) 的诊断方法。 ( 1 ) 状态模型辨识诊断方法 应用在线辨识技术实时地为凝汽器系统建立一个数学模型，当系统中存在故障时，系统的输入 2 第一章绪论 与输出关系就会发生改变，这些变化反映在系统的数学模型中，因此当系统的数学模型的参数发生 较大的变化时，系统就可能存在故障。崔测1 0 】、丁燕i l 、张江红【1 2 等针对电站凝汽器建立了动态数 学模型，一些典型故障能够在模型仿真结果中反映出来。虽模型能够及时反映出真空急剧下降或真 空缓慢下降，但由于引发上述故障征兆的故障原因很多，单纯用模型就不能够诊断出具体的故障。 不过模型可以为其它的诊断方法服务，如建立凝汽器系统故障的知识库，为故障诊断提供正确的征 兆集。 ( 2 ) 模糊诊断方法 模糊诊断方法的理论基础是模糊数掣1 3 , 1 4 】，其主要有模糊关系诊断，模糊模式识别和模糊聚类 分析。模糊关系诊断法根据故障现象和故障原因之间的模糊关系矩阵，将征兆空间转化到故障空间， 按故障隶属度值判断故障类型：模糊模式识别就是运用最大隶属原则、最小距离原则把测量参数形 成的特征向量归入到故障模式类与它相似的模式中；模糊聚类分析是通过对样本中的特征参数进行 融合和对样本群按标准进行分类，然后得到监视样本的变化趋势。 凝汽器故障存在具有模糊性，例如凝汽器真空急剧下降时，可能的故障就有真空泵严重故障、 后轴封供汽中断或凝汽器满水。传统数学方法很难描述，而模糊数学方法可以很好的描述这种模糊 性。 李录平【1 5 】、王培红【1 们、卢绪祥【1 7 1 、雍干【1 引、赵丽萍【1 9 1 、范圣平1 2 0 1 、马l 曼t , t 2 1 1 等分别将模糊数 学理论应用到凝汽器故障诊断系统中。在抽选所识别对象的特性指标后，模糊识别系统的关键是如 何构造出合适的隶属函数。上述文献给出了不同的隶属函数，并都达到了诊断目的。因为隶属函数 的确定较为困难，所以在运用该方法时如对于一定的诊断模型所采用的隶属函数不适合，将出现各 隶属度之间差别不明显，而不能实现诊断目的，文献 2 2 】对同一故障用两种隶属函数进行了诊断比 较，比较结果也显示出隶属函数对模糊诊断的影响程度。侯炜【2 3 】等提出运用d s 证据理论将用不同 模糊方法得出的诊断结果进行融合，减少因隶属度函数的不同而带来故障误判的可能性，从而更准 确地判断故障原因。 ( 3 ) 神经网络诊断方法 上世纪九十年代，人工神经网络以其独到的联想记忆，贮存和学习功能，在故障诊断领域得到 广泛关注 2 4 7 1 。人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，a n n ) 就是采用物理可实现的系统来模仿人 脑神经细胞的结构和功能的系统。 目前应用最为成熟和最为广泛的神经网络是b p 神经网络。b p 神经网络( b a c k - p r o p a g a t i o n n e t w o r k ) 是指基于误差反向传播算法的多层前向神经网络。该网络的神经元通常采用s i g m o i d 函数作 为传递函数，可以实现输入和输出的任意非线性映射。图1 - 1 为典型的三层b p 网络，有输入层、 输出层和一个隐含层组成。图中，是输入数据，j j l 是输出数据。 y l 巧 i 蚝 输入层 图1 - l 典型的三层b p 网络 b p 神经网络在凝汽器故障诊断的实际运用中，关键是解决学习率和误差控制的问题。马良型2 8 】、 唐晓掣2 9 1 、赵洪宇等提出采用自适应学习率( 变学 - j 率) 以解决算法振荡或不收敛的问题，赵洪宇 在文献中对标准学习算法、变学习率算法( t r a i n g d a ) 和弹性b p 算法( t r a i n r p ) 进行了分析和讨论。标准 学习算法对学习率很敏感，而在训练开始就确定最优学习率是非常困难的；弹性b p 算法虽收敛快， 3 l 2 3 x x x ox 东南大学硕士学位论文 但性能会随网络训练减少而变差，并且容易出现误诊断，可靠性差；变学习率算法的可靠性则高很 多。郑李坤【3 n 、张利平1 3 2 ，3 3 l 等对误差算法进行了改进。郑李坤采用误差累计算法对网络进行训练， 网络误差函数取全局平均误差。这使得网络学习次数明显减少，学习时间缩短，并用惯性校正法消 除某些情况下可能出现的振荡。张利平提出恒误差修正率控制的网络学习率自适应调整方法。该方 法目的是保证每次学习后的综合误差比上一次的综合误差减小定的百分比。 a m u n o z 3 4 j 运用p r b 刚油ep r o b a b i l i s t i cr a d i a lb a s i sf u n c t i o nn e tw o r k ) 神经网络模型对凝汽器进 行故障诊断，它能够在未知的运行工况中自动调整故障诊断系统对运行过程中基本参数的敏感度并 防止误报故障。n i a n s uh u l a s 】、马永光1 3 6 】等使用自组织特征映射( s o m ) 神经网络来对凝汽器进 行故障诊断。s o m 模型是t e u v ok o h o n e n 于1 9 8 1 年提出，它可以在一维或二维的处理单元阵列上形成 输入信号的分布拓扑图。该网络的特点是可以从外界环境中按照某种测度或者某种可有序化的拓扑 空间来抽取特征或表达信号的、概念性的元素。实例证实了该方法的可行性。 侯国莲【3 7 】等提出基于两个神经网络的凝汽器故障诊断，该方法首先使用非线性主元分析神经网 络进行特征提取，随后使用概率神经网络获得最终的诊断结果。在该文献的诊断实例中可以看出使 用非线性主元分析神经网络提取数据相对使用单一神经网络，数据维数大大降低，诊断过程得到简 化，同时故障诊断精度也得到了保证。 ( 4 ) 故障诊断专家系统 故障诊断专家系统是人们根据长期的实践经验和大量的故障信息知识，设计的一种智能计算机 程序系统，以解决复杂的难以用数学模型来描述的故障诊断问题。它一般由知识库、推理机、解释 程序及知识获取程序几部分组成，其中最重要的是知识库和推理机的设计。故障诊断专家系统的一 般构成如图1 - 2 。 图1 - 2 故障诊断专家系统的构成 知识库是专家系统的一个十分关键的部分，它的完善程度与丰富性直接影响着专家系统的质 量。李录平【3 8 】等采用知识库模块化和知识层次化方法建立单元机组的知识库，并介绍了知识的表示 方法对知识的不确定描述方法。李蔚1 3 9 】等采用基于规则的产生式规则表示法建立了对分式凝汽器性 能诊断专家系统的知识库。 在知识获取方面，陈志辉【帅】等提出利用粗糙集( r o u g hs e t ) 理论进行数据挖掘，并利用可辨识矩 阵实现属性约简，使知识推理过程变得统一且相对简单。 ( 5 ) 基于知识的其他诊断方法 靳涛、闫顺林【4 2 】、刘远超【4 3 1 等提出用故障树分析方法来对凝汽器故障进行诊断。故障树分析 方法是一种将系统故障形成的原因由总体到局部按树枝状细化分析的方法。针对凝汽器，故障树可 4 第一章绪论 以分为“真空剧降”故障树和“真空缓降”故障树。 韩晓娟i 删等提出主参数分析的方法，该分析方法是基于一种统计学的数据融合，可以排除多余 和矛盾的数据，从而使得凝汽器故障诊断工作大为简化。 丁艳军【4 5 l 等提出种基于特征空间矢量的故障诊断方法。该方法物理意义明确，可以通过对故 障诊断误差的学习，实时修正故障模型，实现对不确定性和慢时变性对象的鲁棒故障诊断。 阮跃e 4 6 】等提出案例推理的故障诊断方法，该方法将案例征兆分为确定性必要征兆和其他征兆， 采用基于确定性和模糊加权相结合的案例检索策略。其诊断结果给出的是具体的案例，能够反映故 障的总体概貌，运行人员也容易接受。 1 2 2 3 复合诊断方法 在上述基于知识的凝汽器故障诊断方法中，运用单一的诊断方法不能完全达到诊断的目的。它 们存在着各自的优点和缺陷。 状态模型辨识诊断方法应用在非线性系统或时变系统时会受到限制，而且没有学习能力，对故 障的预测能力也不强。不过基于模型的辨识方法物理意义明确，系统透明，给出的结论用户很容易 接受，并能对故障原因作出很好的解释。 模糊诊断方法的优点是它考虑了故障状态及专家经验的模糊性，用模糊数学理论对此进行处 理，使得诊断结果更为合理，同时模糊诊断计算量相对较小，诊断速度快，实时性好。但用模糊模 式识别的直接方法进行凝汽器故障诊断时，其效果依赖于建立模糊模式的隶属函数的准确程度和技 巧。对于同一故障，隶属函数选用不当时可能出现截然不同的诊断结果；阈值取用不当时，不能有 效剔除某些病态征兆集。所以在模糊诊断方法用于实践时要做大量的测试工作，并且由于单独的模 糊诊断方法不具有自学习能力，一旦凝汽器出现新的故障及凝汽器要在非设计工况下运行( 某些机 组要在冬季供热) ，模糊诊断系统工作可靠性就会降低。 神经网络诊断方法它不仅在结构上是并行的，而且在处理方式上也是并行的，特别适合于快速 处理大量并行信息：网络系统在知识表示和组织、诊断求解策略与实施等方面可以根据生存环境自 适应自组织，达到自我完善；自学习功能很强，也可以方便地在导师指导下进行特定内容的学习： 容错能力强，由于知识存储在整个网络系统而不是一个存贮单元中，一定比例的神经元不参与运算 对整个系统的性能行为的影响不大。神经网络的问题主要是网络的学习和训练。针对凝汽器知识和 故障描述的不确定性，神经网络有时需要很长的训练时间才能得到理想的效果，而且需要很多的训 练样本。另外神经网络的推理过程是个“黑箱”过程，对机组管理人员的透明性和可接受性不强。 专家系统一般是利用预先建立好的规则进行推理，知识库与推理机相互独立的优点是，当知道 新的规则和事实时，知识库可以独立修改，不需要重新编程和触动推理机，基于规则的系统还可以 对推理进行解释，增强了对机组管理人员的透明性和可接受性。然而基于规则的专家系统的自学习 能力有限，自动从经验和失败以及新事例中学习知识很困难，推理系统的效率也会随着系统的复杂 程度加大而下降。 另外的一些基于知识的诊断方法在实际应用中也都不能独立的解决上述诊断方法中存在的不 足，这就需要把各种诊断方法结合起来，发挥各自长处来为故障诊断服务。诊断方法的融合也成了 现代诊断方法研究的热点。如在凝汽器故障诊断方法研究中出现了模糊诊断和神经网络的融合【47 1 、 神经网络和混合遗传算法的融合h 3 1 、多级信息的融合、模糊规则和遗传算法的融合【5 0 】、神经网络 和专家系统的融合【5 1 5 4 】等。 1 2 2 4 诊断方法发展趋势 复合诊断方法将继续得到发展，对故障的学习能力、实时性、准确性将得到提高。另外随着检 测设备和技术的发展，故障诊断也会向预测故障方向发展1 5 5 】，从单纯的分析发生的故障转变到预测 可能会发生的故障，并且在应用中，故障诊断系统应该既有自动诊断功能，又支持人机交互诊断， 对诊断过程进行监视和人为干预。因为在机组实际运行中，凝汽器系统发生故障时，对每个故障都 进行处理有时是不经济甚至是不现实的。对于那些不会严重威胁机组安全运行的故障，故障系统应 5 东南大学硕士学位论文 该能结合电厂任务做出经济性分析，给出带故障运行的最大经济时间并能预测出最大安全时间，帮 助运行管理人员做出在安全生产的前提下的最经济决策。 1 3 论文的主要研究内容 本文应用m a t l a b s i m u l i n k 仿真支撑系统建立了凝汽器系统的通用仿真模型，对模型进行了检验。 利用模型建立了凝汽器系统故障知识库，并与凝汽器故障诊断系统相结合，对凝汽器运行性能及故 障进行分析和判断。仿真技术与故障诊断技术的结合是本文的个特点。具体内容包括： ( 1 ) 建立电厂凝汽器系统通用数学模型，然后根据数学模型建立仿真系统。为了使模型能够更 好地用于故障性能分析，必须全面地考虑会对模型静态、动态特性造成影响的诸多因素。仿真系统 建立之后，对该系统进行调试、验证。 ( 2 ) 对凝汽器故障进行理论分析，并以一具体凝汽器为研究对象，利用仿真系统进行故障仿真， 总结故障知识库。 ( 3 ) 对e l m a n 神经网络理论和模糊神经网络进行研究，比较e l m a n 神经网络和传统前向神经网 络的区别，利用e l m a n 神经网络适合动态过程的优点，建立适合凝汽器系统的故障诊断模式。 ( 4 ) 利用m m l a b 开发出凝汽器故障诊断系统，并与仿真系统相结合，实现对凝汽器运行性能的 分析和故障的诊断，同时能给出诊断结果和操作指导。系统界面要求友好，便于现场使用。 6 第二章凝汽器动态数学模型 第二章凝汽器动态数学模型 2 1 电站数学模型概述 电站系统是一个复杂的系统，其主要设备是一些体积庞大和价格昂贵的能量转换设备。这些设 各的运行性能对整个电站运行的经济性起决定作用。如果对这些设备的实物进行理论分析是非常复 杂和困难的。因此，往往针对所研究的系统作某些简化，建立对应的模型，通过对模型的研究得到 适用于实物的一些结论或推测。建立模型的一般步骤为首先在明确建模目的的基础上分解系统建立 简化的物理模型，然后建立方程式得到数学模型。所以数学模型是一些数学关系综合而成，这些关 系包括用数学公式、经验公式、表格、图形或其它的数学形式来表明的某些状态参数之间的关系。 本文针对电站凝汽器所建立的模型为动态数学模型，它与静态数学模型的主要差别是：前者含 有时间变量( f ) ，后者则与时间无关。但理论上，当f - 4 , o 。时，由动态数学模型决定的所有参量 的最终稳态值应该与静态模型所决定的一样。也可以说静态数学模型是动态数学模型的极限和基础。 因此有必要先对凝汽器的基本理论进行研究，然后在这些理论基础上建立其动态数学模型。 2 2 凝汽器基本原理1 2 1 凝汽系统包括凝汽器、循环水泵、凝结水泵及抽气器( 如图2 1 ) ，其中凝汽器是最主要的组成 部分，大多数凝汽器是管壳式结构的换热器。冷却水经循环水泵流过凝汽器的冷却水管，把蒸汽凝 结成水时放出的热量带走，蒸汽被凝结成凝结水，而凝结水在凝汽器底部热井通过凝结水泵抽出， 送往锅炉。抽气器则将从真空系统不严密处漏入的空气以及夹带在汽轮机排汽中的空气不断地抽出， 以维持真空。 l 夕 图2 - 1 凝汽系统设备原理图 l 一汽轮机2 一发电机3 一凝汽器禾循环水泵5 凝结水泵6 抽气器 传热学和工程热力学的有关理论构成了凝汽器的理论基础，其传热过程示意图如图2 2 所示： 7 东南大学硕士学位论文 五 j 、 蕾 乃| 皆 j o 蕾 一j n 。曾 图2 - 2 凝汽器传热过程示意图 图中：疋凝汽器压力下的饱和温度，口； 兀泠却水管外壁温度，； 泠却水管内壁温度，秒i z 冷却水温度，； 反映凝汽器特性的相关理论和计算公式如下： 一、热平衡方程式 凝汽器作为一种换热器，其遵循传热学理论，如不考虑它与外界环境之间的换热， 程是为： q = 彬。( 玩一) = 翮瓯= w o 。勺( 互一五) 式中 q 凝汽器热负荷，k w ； 彬，汽轮机排汽量，堙s ： 耳。- 汽轮机排汽焓，材培； 乩凝结水焓，u 堙； k 总传热系数，k w ( m 2 窃； 彳换热面积，埘2 ； 出。对数平均温差，口； 彬，- 冷却水流量，堙s ； q 龄却水比热容，材( k g 功； 互循环冷却水入口温度，： 瓦循环冷却水出口温度，口。 其中a = 万d , l n z 4 镅环冷却水管外径，m ； 三循环冷却水管单管长度，m ； 刀镅环冷却水管根数； z 循环冷却水流程数。 二、冷却水温升及冷却水出口温度 冷却水温升疋一l 即互一互，由凝汽器热平衡方程式( 2 1 ) n - 可知： 睨( 玩一以) = 睨。c w a t 2 一l 即： 瓦1 - 掣睨 p 1 l c ， 船 其热平衡方 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 第二章凝汽器动态数学模型 冷却水出口温度疋： 互= 互+ 互1 三、对数平均温差f 。 钣= 器端= 丽器而 ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) 式中 正凝汽器壳侧蒸汽的凝结温度，口； 毋传热端差，侈。 四、传热端差衍 将( 2 - 1 ) 和( 2 - 4 ) 联立，可得 研= l ( 2 5 ) e c , , w cj 一1 从传热端差的计算式可以看出，厨与冷却面积、传热量、传热系数和冷却水量有关。对于运行 机组，在一定的冷却面积、蒸汽负荷和冷却水量的条件下，研的大小主要取决于k ，即凝汽器冷 却表面的清洁度和凝汽器内积存的空气量。如果冷却水管脏污时会使k 减小，引起端差升高；如果 真空系统不严密或抽气器故障造成凝汽器内积存空气，并在冷却表面形成部分空气膜，同样使得k 减小，引起端差升高。因此毋是一个表征凝汽器是否正常运行的参数。 五、总传热系数的计算 在电站凝汽器工程热力计算中主要有三种较为广泛采用、比较权威的总传热系数计算公式冈， 分别为h e i 公式、别尔曼公式和分部计算关系式。文献【2 】中，分别对这三种计算方法进行了比较， 它们计算得出的总传热系数值基本一致，同实测数据的偏离也不大。本文选用了在我国广泛采用的 别尔曼公式，该公式比较全面地考虑了影响传热系数的各种因素，特别是各种因素的相互联系，即： k = 4 0 7xf l f l w f l , 厦尾 ( 2 - 6 ) 式中 考虑冷却管的内表面清洁状态、材料及壁厚的修正系数； 风考虑冷却水管内流速的修正系数； 屈考虑冷却水温的修正系数； 尻考虑冷却水流程数的修正系数； 厉考虑凝汽器蒸汽负荷变化的修正系数。 口按下式确定： p = i b c p mq - 式中 屈一一主要取决于冷却水供水方式的系数，在直流供水且水中矿物含量较少时， 屏：0 8 5 , - 0 9 ：在循环水供水时，屏卸7 5 0 8 5 ； 纯取决于冷却水管的材料与壁厚的系数，对于壁厚为1 r a m 的黄铜管为1 0 ，毋管 为0 9 5 ，毋d 管为0 9 2 ，不锈钢管为0 8 5 。 风主要取决于冷却水管内循环水流速匕，但也与冷却管内径吐、系数及冷却水入口温度互 有关，可由下式确定： 纠掬z ( 2 - 8 ) 其中 圪：掣( 2 - 9 ) wt 刀口2 , o n 式中吐怜却水管内径，肌； 9 东南大学硕士学位论文 形，循环冷却水流速，m s ； p 泠却水密度，培m 。 z 计算指数，按下式计算： z = 0 1 2 f l ( 1 + o 1 5 五) 但当名夕 0 6 ，即冷却水入口温度互 2 6 。7 时，取z = o 6 8 。 屈主要取决于冷却水温石，但也与系数及凝汽器比蒸汽负荷毋有关， 式确定： ( 2 - l o ) 当五3 5 e 时，由下 纠一警( 3 5 司2 ( 2 - 1 1 ) 其中 b = 0 5 2 - 0 0 0 7 2 9 ， 式中 毋- 凝汽器比蒸汽负荷，g ( m 2 s ) 。 当3 5 五 4 5 时，屈由下式确定 屈= 1 + o 0 0 2 ( r , - 3 5 ) ( 2 1 1 ) 历主要取决于冷却水流程数，也与冷却水温互有关，由下式确定： 厦= 1 + 等( 1 一砻( 2 - 1 2 ) 历用于考虑凝汽器变工况计算时单位面积蒸汽负荷g ，的修正，当g ，在设计值彰与临界值 = ( o 9 - 0 0 1 2 t 1 ) g d 之间，即 厶) ，冷却水出口温度应分为裸露管束与淹没管束两 部分分别进行计算。 1 6 第二章凝汽器动态数学模型 2 3 3 数学模型的求解 上节的所建的动态数学模型可归结为文献【6 0 】所给出的基本形式的微分方程： 彳警= 垦( 工一x ) f = l ，2 ，竹( 2 - 4 3 ) 该方程的解析解为： ( 2 - 4 4 ) 式中z 为f + 缸时刻的值，置为f 时刻的值，f 为计算步距。 在仿真计算中一般不采用式( 2 - 4 4 ) 所给出的解析解，因为凝汽系统中相互影响的参数很多，求出 系统所处状态需要解多元方程组。根据著名的c r a m e r 法则， 元一次方程组可以得到解析解，但是 需要进行一1 ) + 1 ) ! + 珂次其本运算。就以求解规模并不大的2 0 元方程为例，需要9 7 0 x 1 0 2 0 次 基本运算。如此大的运算量就是使用巨型计算机也得数年之久，要实现实时仿真更是不可能完成的 任务。所以实际仿真计算是将微分方程构造成不同的差分格式，用一定精度的近似解替代解析解， 以满足实时仿真的要求。 本文所建立的凝汽器的仿真系统是基于m a t a l a b 的s i m u l i n k 平台，该平台提供了七种求解含有 连续变量程序的方法。设计人员可以根据具体的情况选用合适的求解方法，在大多数情况下o d e , 4 5 求解方法都可以胜任，因此它是s i m u l i n k 求解微分方程时最常用的一种方法【6 1 1 。下面对o d e 4 5 作简 单介绍。 o d e 4 5 算法即四阶五级r u n g e k u t t a 算法，它是由德国学者f e l h b e r g 对传统的r u n g e k u t t a 方法 进行的改进【6 2 1 ，该算法在每一个计算步长内对f ( ) 函数进行六次求值，以保证更高的精度和数值稳 定性。假设当前的步长为鬼，则可以定义下面的6 个k ，变量 盟 k = h k f ( t k + q 嘎，吒+ 岛k ) ，= 1 ，2 ，6 ( 2 - 4 5 ) 式中名为当前计算时刻，而中间参数留，岛及其他参数见表2 1 。这是下一步的状态向量可以 由下式求出 6 焉=乏+乃瓦(2-46) i = l 式中以为计算步长。为了实现在实际问题中希望采用自适应变步长的方法，在上述算法中，定 义一个误差向量乏= 二( 乃一瓦) ，可以由该向量的大小来变换计算步长。 8 t jy iy t o 1 6 1 3 52 5 2 1 6 l 珥 1 400 3 83 3 29 3 2 6 6 5 6 12 8 2 5 14 0 8 2 5 6 5 1 2 1 3 1 9 3 2 2 1 9 7 7 2 0 0 2 1 9 77 2 9 6 2 1 9 72 8 5 61 5 6 4 3 02 1 9 7 4 1 4 0 l4 3 9 2 1 6 83 6 8 0 5 1 38 4 5 4 1 4 09 5 q1 5 1 2- 8 2 7 23 5 4 4 2 5 6 51 8 5 9 4 1 4 0- 1 l 4 02 5 5o 1 7 东南大学硕士学位论文 2 4 本章小结 在对凝汽器进行合理简化的基础上，运用能量守恒与质量守恒原理，结合凝汽器的基本理论，