（控制理论与控制工程专业论文）火电厂汽包水位运行故障诊断系统研究.pdf

华北电 力大学硕士 学位论文摘要 摘要 锅炉汽包满、 缺水事故是长期困 扰火力发电 厂安全的重大恶性事故之一。 本文 通过分析影响汽包水位的各种因素， 深入研究汽包水位变化机理，建立了自 然循环 锅炉汽包水位动态变化模型以解决汽包水位传感器故障检测问 题，并通过故障树分 析算法建立汽包水位故障智能诊断系统主体框架。同时，本文从应用的角度探讨了 汽包水位故障诊断系统在软件实现过程中 所涉及的数据获取、实现方法、人机界面 等问 题. 最后， 以v b ， v c与m 八 i l a b 三种高级语言为开发工具， 开发出基于51 5 平台的 汽包水位运行故障诊断系统。 通过在某3 00m w 机组上进行的初步应用表明， 它能够实现实时监测现场数据，故障预警和故障诊断等功能，完全能够满足现场实 用化的要求。 关键词:汽包水位，厂级信息监控系统，故障树， 故障诊断 abs tract t b e 丘 lu l t ofd n 刀 n l eve l is one ofthe mo sts e v e r e 暇l d e n tsinpow erp l an t . b a s e d onthe 姗 卜 s is for v ario usfa c t o rsth at副 玉 戈 t d r u mlevdand 此 5 加 d y for fl u c tuat 运 g mec 压 in l sm of d ru mlevel ， a 勿n ami c m 目elfor n 时 ul 司幼 代 日 ationdj 肚 m . boi l e r levelisset up toso lve the p r o b 】e mt hat fa u l t d e t e ctfor dr u ml e v e l s e 创 泊 r. the 乓d n 刀 nl ev elfa ul t di a gno s issy s t e mis e s ta b l i s h e d 勿 f au l t tr e e a n al ys is(ft a ) . m e anw hi 比 ， 山 l s p 娜 冲 r ， 刀 d l esd a taac 种siti 叽 d i 鲜 笋 o s t i c 以 g o ri t h .访 t e d 兔 ceetai ， w hi c b isl n ， o l v e d inso 丘 w ar e 代 目 1 乙 at i o n for d n n n l e v e l fa u l t di a g n o sis sy st e m . ai l 班 式d n 刀 刀l e v e l fa u 】 t di a g n o si s sys te mb as ed on si sis d e v e lo pe d byv b ， v c and m 人 i l a b . t h e d e v e i o 户 刃 .50 介 卿 ar e bas 吮 e n ap p li edtoa300 m w 切 苗 t ina t h e n 力 a l pow e r p l ant. r e s ul tsili us亡 ra t e th a t thc so 介 w 田 陷 can 朗 hi e veo ul 诚 m 。 血叭 a l a n n inad y 朴助 d fa u 】t di a g n o sis， 如 d m e e t thc p r a c t i c 吐爬 q u i re 山 ents ofpow erpl ant. h e j u n ( c 0 n t rol t h e o ryand c o n t r o l e n g i nee r i n g ) d i r . c t e dby a s s o c i a tep tof.zen g d e l l a n g k e ywo r d s : d ruml eve l ， s u p e rvi s o 叮 i n fo 恤a t i o nsys t e 口 ， fa u l t t re e a n a ly s i s ， fau l t d i a g u o s is 声明 本人郑重声明: 此处所提交的 硕士学位论文 火电 厂汽包水位运行故障 诊断 系统研 究 ， 是本人在华 北电力大学攻读硕士学位期间， 在导师指导下进行的 研究工作和取得 的研究 成果。 据本人所知， 除了 文中 特别加以 标注和致谢 之处 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 获得华北电 力大学或其他教育机构的 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。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 业 沸一 日 期 : 邺班了 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了 解华北电力 大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权 保管、 并向 有关部门 送交学 位论文的原件与复印 件; 学校可以 采用影印、 缩印 或其它复制 手 段复制并保存学 位论 文; 学校可允许学 位论文 被查阅 或借阅; 学校可以 学术交流为 目 的 ， 复制赠 送和交 换学 位论文; 同意学 校可以 用不同 方式在不同 媒体上发表、 传播学 位论文的全部 或部分内容。 ( 涉密的 学位 论文 在解密后 遵守此规 定 ) 作者签名:五 叠 韭 书山 夕 导师签名: 日期: 日期: 咦丛 寡 之 ， 6 7- . 犷 华北电力大学硕士学位论文 第一章 绪论 论文选题的目的和意义 发电机组的汽包水位控制是火力发电厂控制系统中十分重要的 环节之一，汽包 水位控制的好坏直接影响到火电厂整机的安全、稳定运行。而锅炉汽包满 、缺水事 故是长期困扰火力发电厂安全的恶性频发事故之一。据电 力系统发电锅炉事故统计 分析，1 9 8 2 一1 9 8 5 年的4 年间发生缺水事故27起，满水事故45起，每年总有 1 3 台锅炉因缺水造成水冷壁管大面积损坏。 “ 突出 的原因是水位计失灵、 指示不正确， 引起误判断和误操作，或水位保护拒动” 。1 9 8 6 一1 9 89年的 3 年间统计上来的汽包 满、 缺水事故高达 1 21 次，占锅炉运行责任事故的 11 . 2 %。1990年 1 月某电厂2 号 锅炉汽包满水造成汽轮机轴系断裂和 1 9 9 7 年 12月某热电 厂4 号锅炉汽包缺水造成 水冷壁大面积爆破突出反映了 锅炉汽包满、缺水事故的严重性川 。 多 年来的事故统计结果表明，这些恶性事故往往是由 于对故障的早期征兆缺乏 正确的 认识或没有引起足够的重视，未能及时处理，从而导致故障进一步发展而成 的。 目 前大多数火电厂中的d c s 控制系统， 普遍缺乏故障检测和预警功能， 仅具有 的报警功能，也是对事故发生后的报警。 例如在电 厂应用的 集散报警控制系统以 及 自 动保 护 报警 系统 【2 一 41 。 然 而， 实际中 故障 的 正 确 预警 更为 重要 ， 它可以 提示 检 修 人员检查可能需要进行维护的设备，告诉运行人员哪些运行设备需要特别注意。这 就需要我们深入研究故障的机理，了解故障发生的原因，正确记录故障征兆，跟踪 故障征兆发展趋势， 及时给出正确的诊断和处理意见的方法， 从而避免事故的发生， 做到事故前的预警。 本文将针对电 厂汽包水位控制系统的所有器件和设备， 在深入了解汽包水位变 化机理的基础上， 使用故障树分析法对所涉及的故障资料信息分门别类，设计出 汽 包水位故障检测、故障预警和故障诊断系统，并且最终用软件实现各种算法，与火 电 厂其它系统的预警和故障诊断系统软件组成火电 厂预警和故障诊断软件包。该软 件包将实现实时监测现场中各重要信号的变化情况:在系统正常运行，尽量能发现 可能要出现的潜在故障，实现预警和预报:在系统出现不正常运行时，找出存在的 故障，同时给出 报警和处理意见等功能，以弥补现阶段各种控制系统，包括 d c s 在预警和故障检测方面的不足。 1 . 2本课题国内外研究现状 21 故障诊断技术研究现状 华北电 力大学硕士学位论文 故障诊断技术是 2 0世纪 70 年代以来逐步形成的一门 新兴综合性技术， 是由 于建立监控系统的需要而发展起来的。它具有技术新、发展快、实用性强的特点， 近 2 。 多年来已 经引起各方面的瞩目 。3 0多年来，故障诊断技术不断吸收各门 科学 技术发展的新成果，诊断的理论与应用有了很大的发展和进步，它涉及系统论、控 制论、 信息论、 检测与估计理论、 计算机科学等多方面的内容， 成为集数学、 物理、 力学、 化学、电 子技术、信息处理、 人工智能等基础学科以 及各相关专业学科于一 体的新兴交叉学科。故障诊断技术研究的 主要内 容包括以下四 个方面151: 1 )故障机理的研究: 是以 可靠性和故障物理为理论基础，研究故障的物理学 或数学模型，进行物理模拟或计算机仿真，其目的是了 解故障的形成和发展过程， 明确故障的动态学 特征，从而进一步掌握典型的故障信号， 提取故障征兆，建立故 障样板模式。故障机理的研究是故障诊断的基础，是获得准确、可靠的诊断结果的 重要保证。 2 )故障信息处理技术的研究:故障信息处理技术是故障诊断的前提，它在提 高诊断的 准确性和可靠性方面处于非常重要的地位.常规的故障信息处理技术包括 故障信号检测和故障信号分析处理两个部分。 3) 故障源分离与定位技术的 研究:也称为故障模式识别，是将经过信号处理 得到的 有限的 或不完整的 特征信号与故障原因对应起来， 使故障源定位。故障源分 离与定位技术是故障诊断的关键技术，将故障源定位是故障诊断的最终目 标。 4) 智能诊断技术的研究:智能诊断技术已从实验室研究阶段逐渐走向实际工 程应用阶段。由 于大型复杂系统在工业生产中的广泛应用，使得常规故障诊断技术 越来越难以 满足人们对大型复杂系统提出的可靠性要求，因此，智能诊断技术是大 型复杂系统故障诊断发展的重点方向。目 前， 尽管人们在智能诊断技术的研究方面 做了大量的 研究工作， 但无论是在理论方面还是在实际应用方面都还存在许多问题 有待于研究解决。 12 . 2 故障诊断技术在火电厂中的应用现状 目 前故障诊断在火电厂热力系统中的应用主要如表 1 一 1 中所列，其中 后三种属 于集成诊断系统，不仅包括诊断对象的集成， 还包括诊断方法的集成。表 1 一 1 所述 各种应用当中，除汽轮发电机组故障诊断( 从旋转机械角度考虑) 的研究较多、技术 成熟以外，其它设备和系统的故障诊断大多仍处于理论研究阶段，已 投入实际应用 的 并 不 多见 16 。 在电 力生 产中 比 较 成 功并已 商 业 化的 例 子是 美国west ing hous e 公 司 开发的d o c系统vl ， 该系统经过几年的 研究已经从最早的一个发电机人工智能诊断 系统 ( g e n-ai d ) 扩展增加了汽轮机人工智能诊断系统( t u r b i n aid)和电厂水化学人工 智能 诊断系统( c h e m i d ) . l o u i s i anap o wer 1) 故障 树 分析 9，101 故障树分析法是一种针对某个特定的 不希望发生事件的演绎推理分析. 将系统 故障形成的原因从整体至部分，按树状逐级细化分析，即从顶层事件到底层事件， 由 果求因。建立系统的完善可靠的故障树分析模型需要对研究对象的 设计结构、运 行特性有透彻的了解， 对一个机理比较确切的系统比 较有效， 但如果系统结构复杂， 则建立故障树将十分困难和繁杂. 2) 基于人工智能的故障诊断方法 a) 专 家系 统 方 法17，9， 11“ ， 19 专家系统是一种基于知识的人工智能诊断系统，是应用大量人类专家的知识和 推理 方法求解复杂实际问题的人工智能计算机程序。该方法的优点在于不精确依赖 系统的数学模型， 根据长期的实践经验和大量的故障信息知识，建立知识库，知识 推理 机制，设计专家系统的故障检测、故障诊断模型，它可以较好地解决复杂系统 的故障检测与诊断问题。 b ) 神 经网 络 方 法7，12 ， 14 . 巧 . 明 由 于神经网 络具有处理复杂模型及进行联想、推测和记忆功能，以 及它所具有 的自 组织自 学习能力，能够较方便地建立故障模型或对象模型，适合于处理复杂系 统的故障诊断问题。 但是在使用神经网络进行故障 检测以 前必须使用大量的故障样本训练网络。人 工神经网络的诊断结果取决于训练样本的准确性和充分性.对于电厂的热力系统而 言， 具体的机组、设备很难获得足够的样本， 而同类机组和设备之间即使参数相同 也会因制造、安装和改造等因素而有所差别， 这就使得神经网 络在实际应用中受到 华北电力大学硕士学位论文 很大的限制。 c) 基 于模 糊数 学的 诊 断方 法 111 。 191 该方法通过建立模糊关系矩阵或模糊关系库，进行模糊推理，能较好地处理故 障检测中的不确定性问 题。 其技术难点在于建立有效充分的 特征集和故障状态集， 对于新出现的故障不能做出 有效的判断。 对于一个像火电厂这样大型而复杂的生产过程，没有一种方法适合于检测和诊 断系统中所有的故障。 然而上述各种诊断方法都具有相同的特点，即尽可能地从系 统输入输出信号中提取故障特征和征兆， 通过征兆的表现和特性的分析来进行故障 诊断。火电厂热力系统中相关的被测信号以及过程、部件的知识，都可以转化为对 故障灵敏的信号。因此充分发掘和利用过程的各种冗余信息，从过程和系统所有可 能体现的各种故障征兆出发，才能 对热力系统实施有效的检测和诊断。基于上述的 思想，本文提出采用故障树与智能故障诊断系统相结合的方法来进行汽包水位故障 诊断研究，用故障树分析法来解决智能故障诊断系统知识获取的瓶颈问 题。 1 . 3本文的主要内容 本文主要结合 5 15项目“ 电厂运行故障诊断系统研究”开展工作。该项目 主要 涵盖了电厂所有热力系统运行过程中的故障检测与诊断，并从应用角度探讨单元机 组热力系统故障检测与诊断系统实现过程中所涉及的数据获取、诊断模型、 诊断策 略、实现方法等问 题。由于该项目 还处于初步探索研究阶段，本文主要针对火电 厂 中一个具体典型的热力系统 ( 汽包水循环热力系统)进行研究， 提出了一种汽包水 位动态变化模型以解决水位传感器故障认定问题 ，建立了基于故障树分析算法的实 时故障检测机制，并通过故障诊断系统的软件实现来帮助操作人员发现可能出现的 故障和可能的故障点。主要内容如下: ( 1) 数据获取方法的研究。主要从东华热电厂的实际情况出发，介绍了从厂 级监控信息系统 ( 5 1 5 )中进行现场实时数据获取的原理和方法。 ( 2) 汽包水位传感器故障检测研究.通过建立一个能够反映自 然循环锅炉汽 包水位变化的机理模型来模拟汽包水位真实变化情况，通过对 比模型输 出和传感器输出的残差来诊断传感器的 状态。 ( 3) 汽包水位典型故障诊断方法研究。建立汽包水位常见故障故障树，并在 此基础上完成智能故障诊断系统所必需的知识表示方法和诊断推理规 则。 ( 4 ) 故障诊断系统软件设计。 介绍了基于515 平台的汽包水位运行故障诊断系 统的软件实现.包括软件的编写思想，软件结构以及编写的各种界面。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 故障诊断系统数据获取 汽包水位运行故障诊断系统的正常运行，需要大量的实时数据来保证系统中 测 点监测、故障诊断和在线分析优化等组成部分的正常使用.准确、高效、 稳定、方 便是对故障诊断装置中数据获取的基本要求， 它对故障诊断系统的整体运行有着至 关 重要 的 作用 20 】. 目 前我国单机容量 2 00m w及以上的机组几乎都采用了d c s( 集散控制系统) 作为控制系统。 d c s中大量的运行数据是了解机组运行状况、 分析机组故障的宝贵 资源， 但是由 于 d c s 网络有很高的安全可靠性要求，通过通讯接口 直接从d c s 获 取数据增加了电厂的生产风险;而且需要另外购买通讯接口卡件、开发通讯接口 软 件等，这将增添故障诊断系统的开发成本。 许多电 厂的管理信息系统 ( m l s) 中也已 经有了部分生产实时数据，因此诊断 系统也可以 从 m ls上获取到需要的过程量。然而m ls是面向 管理人员的 信息系统， 它主要完成办公自 动化、物资管理、人事管理、 财务管理和综合查询等功能，对数 据通讯的实时性要求不高， 而且通讯负荷一般具有突发性。 因此， 从 m is中取得诊 断系统所需的实时数据也不是一种理想的方式。 5 1 5( 5 叩 e rv is o 理i n fo rmat io n s y s te m ) 是 近几 年 才出 现的 专 用名 词， 是 指电 厂 厂级监控信息系统， 是属于厂级生产过程自 动化的范畴。 它主要是以d c s 、 p l c( 可 编程控制器) 及其它数据采集控制装置为基础，以 功能强大的计算机网络及数据库 技术为平台，以若千技术先进的模块为支撑，集过程实时监控、 优化控制与生产过 程管理为一体的先进的综合自 动化信息系统。目 前在新建的许多 3 00m w 以上的机 组己 建设或在建 5 15 系统， 少部分老厂也在逐步规划实施 5 15系统。 5 15系统采集 的数据实时性较好，几乎不影响安全生产，自 有的实时/ 历史数据库可以提供大量 的历史数据以供故障诊断系统的调 试和完善， 可以 预见，5 15 系统必将成为发电企 业生产和管理的重要组成部分。本文也将所研究的故障诊断系统定位在 51 5 平台上 实现。 2 . 15 1 5简介 2 . 115 1 5的概念 51 5通过对火电 厂生产过程数据的实时监测和分析，实现对全厂生产过程的优 化控制和负荷经济分配，使在整个电 厂范围内充分发挥主辅机设备的潜力，达到整 个电 厂生产系统运行在最佳工况的目的，同时该系统提供全厂完整的生产过程历史 / 实时数据信息，可作为电力公司信息化网络的可靠生产信息资源，使公司管理和 华北电力大学硕士学 位论文 技术人员能够实时掌握各发电企业生产信息及辅助决策信息，充分利用和共享信息 资 源，提高决策水平。 作为一个信息系统， 5 15处理的信息都直接或间接地来自 于生产过程实时数据。 围 绕着这些实时数据，5 15主要完成以下四 个方面的工作: 1 . 数据集成 515 从各台机组 d c s 以 及化水、燃料等辅助系统中 采集生产过程的实时数据， 并将其集成到统一的数据平台上。 2 . 数据存储 51 5 一般采用专用的实时/ 历史数据服务器， 有能力长期储存大量的生产实时 数 据。 3 . 数据发布 借助 5 15，企业的技术人员和管理人员能 够随时随 地查看现场的实时数据和历 史数据，随时了解机组在不同时间段内的运行情况. 4 . 数据应用 通过对实时数据进行分析、计算、统计，指导调整运行方式， 更有效地利用设 备资源，提高机组运行效率，提高生产管理水平。 2 . 1 . 2 5 1 5与d c s 、mi s 的关系 在火电厂的信息化建设中， 5 15 处于控制和管理的中间层， 是互联d c s 和mls 的中间环节。 5 15不同于 d c s : 5 15建立在d c s 基础之上，需要从机组d c s 、 辅助 控制系统以及其它数据源中集成实时和历史过程信息，进行分析和管理，是 d c s 的上一级自 动化系统。5 15主要为全厂综合优化服务，d c s 是为机组( 车间) 级自 动 化服务。 d c s 的主要定位是机组( 车间 ) 过程控制，以运行准确性、 稳定性和安全性 为首要目 标。 5 15作为全厂实时监控和生产指挥调度中心，以整个电厂为监控对象， 强调的是运行的质量和效率，以经济性为其首要目 标，为生产管理人员的分析和决 策提供支持。 51 5 也不同于 m ls: 5 15主要解决生产过程监控与管理优化方面的问题， 重点是 数据分析和辅助决策支持，面向的是企业生产和技术管理层面;m ls属于企业管理 现代化范畴， 主要服务对象是经营、 财务管理以 及办公自 动化等领域，以组织、交 换和共享管理信息为目的。5 15 实时性和可靠性要求很强， 强调连续不间断运行: m ls 实时性和安全可靠性要求相对较低。5 15 也不仅仅是某个专业高级应用软件的 组合， 而是涉及全厂级网络和各专业自 动化系统数据集成、 共享、 应用的综合性系 统工程。 华北电力大学硕士学位论文 阳 5 、e 即 :等 图2 一 i d c s 、5 1 5 和mi s 的层次关系 在 5 15作为一个完整的系统为业内共识之前，其一些独立的应用模块往往直接 在d c s 系统中 进行开发， 如机组性能计算分析等， 这种模式存在的问题， 一是无法 长期保存和应用历史数据; 二是局限于机组级，不能实现厂级的性能分析和优化; 三是高级应用功能的范围受到很大限制;四是专业应用系统做成独立封闭的系统， 标准性、开 放性、 可扩展性普遍较差: 五是对 d c s 系统的安全可靠性带来一定的影 响。 在mls系统中实现部分 5 15功能， 也是以 往的另一种典型模式， 5 15与mls共 用网络、服务器和数据库 。这种模式的主要优点是节省投资，信息共享方便。主要 缺点是系统的实时性和安全性相对较低、应用范围有限。 51 5 与d c s 系统、 mls系统相对独立，采用独立的硬件和软件平台， 这是目 前 认为较理想的方案。 这种方案的 层次图如图2 一 1 所示。5 15 与d c s 、m is等其它系 统间 通过网 关相联并采取必要的安全隔离措施，既保证了信息的共享，又保证了 系 统的 可靠性和安全性。这种方案的主要缺点是基础投资大， 但对新建电厂还是应该 尽量采用此方案。 对己建成 m ls系统网 络的电厂， 在不考虑实时要求很高的应用( 如 负荷分配、 实时成本计算以及竞价、闭环优化控制) 时， 可以共用mls系统的硬件 平台资源。 2 . 1 . 3515系统基本结构 51 5 的系统建设一般包括实时/ 历史数据服务器、 数据采集前端和建立在数据服 务器 基 础上 的 各 种应 用软 件121 1 . 2.1 3. 1实 时 / 历 史 数据 库122 】 实时/ 历史数据服务器是整个 5 15系统的核心。 它的存储容量和存储效率直接关 系到下层数据采集的数采范围 和采集精度。由于生产过程数据量大， 精度要求高， 华北电 力大学硕士学位论文 而且带有时标，因 此不适宜采用常规的关系型数据库存储.国内外类似系统建设一 般都采用专用的实时j 历史服务器，如美国 0 51 5 o n w a r e公司的 pl 和美国 g e in te ll ut io n 公司的 i h is t or i an。实时数据库平台是 5 15系统能够得以 顺利实施的重要 前提，是整个电 厂的数据平台，选择所以 显得尤为重要。概括起来一个好的实时数 据库应该在以下几个方面有良 好的表现: ( 1)数据存储效率。为了不断提高生产流程的全面装备效率和关键绩效指标， 电厂要求生产管理系统能够根据生产过程的实时 信息快速生成管理决策，决策时间 有可能在一小时、一分钟、甚至是几秒钟之内，这就要求实时数据库应该提供高速 的数据采集和处理能力， 而且必须对大量的历史数据进行一定精度的快速高效的存 储。 基于电 厂生产过程中数据测点数量多、多数测点变化频率高等特点，为节约磁 盘空间和提高存储效率，数据库系统还必须拥有强力的数据压缩功能，同时也应该 具备很高的数据解压缩和快速的数据追加、数据插入。典型的如 pl 系统采用基于 “ 螺旋门”的专利压缩技术而使得存储效率非常高，该技术实际上有点类似控制系 统中采用的例外报告技术，只对超出范围的数据进行存储，该范围可以根据需要任 意组态，一般为 1 %，部分要求高精度的可以设定为 。 . 5 %甚至更高。 ( 2)系统访问结构。 在 rr 技术发展的今天， 为了方便在企业范围内部署， 实现 远程访问， 实时/ 历史数据服务器应该基于开放的 c/s结构或者 b/s结构。 这两种 结构各有其优缺点， b /s 结构易于维护和部署， c /s 结构访问效率高、安全可靠性 好。 目 前常见的实时/ 历史数据库一 般都基于 c js 结构， 但均支持二 层 b/s访问方 式。随着 rr技术的发展，未来的实时/ 历史数据库的 访问结构应该转向标准的三层 b /s 访问方式。 ( 3)二次开发能力。建设 51 5系统的最终目 的是开发各种高级应用软件， 用以 指导和优化电厂管理，因此实时/ 历史数据库必须具有完善的二次开发手段， 包括应 用开发接口( api : app l i c at i o n p r o g r anuni n g ln te r face ) 和数据库访问 技术等。 ( 4)接口 技术。为了高效、安全和可靠地采集下层各个控制系统的实时数据， 实时/ 历史数据库应该具有广泛成熟的接口 解决技术，并且能实现各接口的故障隔 离。 接口 技术可以基于专用的 妙1 技术， 也可以基于目 前新兴的 o p c ( o le proc ess c o ni ro l ，o l e过程控制) 技术。 除此之外， 实时/ 历史数据库还应该具有与全厂 m ls 数据库或者其它关键应用的成熟接口技术。 ( 5)操作系统。实时 / 历史数据库一般基于 win d o w s n t 或者u n i x操作平台， 可以 根据用户喜好选择。但从维护管理角度考虑， 应该考虑操作系统与全厂其它服 务器操作系统的 一致性。 ( 6)数据缓冲功能。考虑到实时/ 历史数据库可能同时服务于系统，因此可能存 在访问冲突，为了防止潜在的数据丢失，实时/ 历史数据库应该具有数据缓冲功能。 8 华北电力 大学 硕士学位论文 2 . 1 . 3 . 2数据采集前端 根据 51 5系统建设的需要，可能需要在电厂原有控制系统基础上增加部分软硬 件以 用于与实时/ 历史数据库的通讯。 二者的通讯方式可以 很多，目 前电厂5 15系统 建设主要采用分布式数据采集前端，即前置机的 解决方案。 采用前置机方案主要有 以 下好处23】 : ( 1)故障隔离。前置机作为实时/ 历史数据服务器与控制系统之间的桥梁具有十 分重要的作用。采用分布式前置机方案后，一方面可以利用前置机的缓冲功能，防 止数据服务器故障时丢失数据:另一方面单个节点机的故障不会影响到其它控制系 统的数据采集。更为重要的是，通过在节点机上进行合理配置，可以保证下层控制 网络的 稳定性和可靠性不受5 15层网络干扰. (2 ) 多平台支持.由于不同的控制系统有不同的接口要求.有些甚至要求具有 专用的 操作系统， 如西门子的 tel 叩erm x p系统的对外接口 解决方案为 x 1 ) 方案， 而 x u是基于 s c ol jn i x 系统的.分布式接口 机方案可以 根据上下需要灵活选择 接口 机软硬件配置。 2 1 . 3 。 3应用软件 在5 15系统建成后， 基于实时 / 历史数据库可以建立许多高级应用项目 ， 历史数 据库不仅作为各应用软件的数据来源， 而且还可以作为各应用软件的数据存储备份 工具。由于建立在统一的数据库平台基础上， 各应用软件的开发变得相对简单， 不 再需要开发下层各控制系统之间的数据接口 和自 身的数据存储备份。虽然这可能导 致对应用软件有一定修改，但对电 厂来说确是值得的， 减少了许多维护管理费用。 并且考虑到大多数此类软件都并非完全商业化的应用软件，一般都需要根据具体电 厂的 特殊情况进行一定的开发工作，因此工作量可能非但不增加，反而有所减少。 关于5 15系统尚 可预期开展的 各种应用软件很多，主要包括有厂级性能计算软 件、 故障诊断软件、操作指导软件、设备寿命和状态分析软件以及厂级负荷优化分 配软件等。 此外， 尚需为m ls开展设备管理和报价辅助决策支持系统等应用，提供 必要的生产过程实时数据处理。 2 . 2东华电厂的数据采集 内蒙古东华热电厂的5 15系统也是按照以 上的典型结构建设起来的。 其建设目 标是通过开发不同的接口软件，将全厂控制系统的生产数据集成到实时数据库平台 上， 然后在平台上进行发电 厂的性能计算、 故障诊断以 及其它高级应用的开发工作， 从而逐步建立起厂级监控信息系统，积极推动企业信息化的建设。 华北电力大学硕士学位论文 2 . 2 . 2通过 515 进行 d c s 生产数据采集的实现 如图 2 一 2 所示， 在d c s 接口机处配置标准的1 0 0 一 b as e 一 t 以太网卡按照t c p/ ip 协议 与 1 / a s e d esd c s 进行物理通信， 基于u d p 协议的点对点通讯将d c s 侧数据服务器采 集的d c s 生产数据实时传输到5 15 侧的接口 机上， 在设定压缩比例后， 通过调用数据 库厂商提供的s n k ( s o n w 盯 e o e v e l o p ment儿t )函数存储到i h i s t o ri an数据库中。 考虑到计算机系统的开销和5 15内网资源占用情况， 在建立生产数据点之前有必 要对数据点的选择和分类方式进行统一的规划。 根据电厂实际情况，主要将数据点 分为三大类。 . 高监控频率的数据点， 包括生产装置的控制点、 对安全生产有重要影响的监 测点、 与先进控制和过程优化有关的数据点、 大型机组组合设备的状态报警 点。 . 中等监控频率的数据点， 包括辅助车间的 控制和监测点、 生产过程中作为辅 助监控手段的数据点。 . 低监控频率的数据点， 包括重要过程数据的一些参数属性、 用于简单计算的 数据点等。 根据以 上分类，对不同的 数据点可做不同的处理:高监控频率的过程数据点全 部进入实时 数据库，数据调度频率达到秒级，并要建立相应的报警和事件记录:中 等监控频率的过程数据点有选择的进入实时数据库，数据调度频率达到分钟级，并 要建立相应的报警和事件记录; 低监控频率的过程数据点， 数据调度频率以小时计， 并建立相应的报苦和事件记录。所有历史数据在线4 年，备份保存 16年。 2 . 3小结 本章介绍了在电 厂中可以进行数据获取的 三种方法，在简单分析了三种方法优 劣的 基础上， 重点介绍了在5 15中数据获取的办 法， 包括电厂5 15系统的 基本概念、 体系结构， 内蒙古东华热电 厂 5 15系统结构和数据采集情况具体探讨， d c s 数据点 采集的选择和分类。 515 系统是本课题“ 电厂运行故障诊断系统” 软件实 现的数据平台， 5 15系统数 据库中的实时数据和海量历史数据为后续的研究创造了一个良 好的条件。 华北电力大学硕士学位论文 第三章 锅炉汽水循环工艺流程介绍 汽包水位控制系统是火力发电厂控制系统中十分重要的一个环节.汽包是锅炉 汽水循环的核心环节，是锅炉水系统和汽系统的 分界面。本章通过着重介绍锅炉汽 水循环流程和影响水位的主要原因，来了解汽包水位故障诊断系统诊断对象。 最后 提出实际工艺流程对故障检测和预警、报警系统设计的要求。 3 . 1 锅炉汽水循环工艺流程概述12 4 自 然循环锅炉的水循环系统如图 3 一 1 所示。除氧器里的 水由 给水泵送出， 经过 高 压加热器后进入省煤器，水经过省煤器提高温度后， 进入汽包。汽包中的水沿着 下降管进入下联箱。下联箱中的水，向 上进入水冷壁。 在水冷壁中被加热成饱和蒸 汽与水的混合物进入汽包。进入汽包的汽水混合物， 在汽包内分离成饱和水和饱和 蒸汽，前者将继续参加循环 ，后者 由汽包上部进入过热器进一步被加热。 图 3 一 1锅炉汽水系统示意图 1 一省煤器:2 一汽包;3 一下降管; 4 一水冷壁下联箱; 5 一水冷壁:6 一过热器:7 一除氧器;8 一给水泵 这便是自 然循环锅炉水循环的基本过程，其中省煤器装在锅炉的尾部烟道中， 它的作用是利用烟气的热量加热锅炉给水，降低排烟温度 ，减少排烟热损失，提高 锅炉热效率。对于高压以上的 锅炉，省煤器均采用非沸腾式，即省煤器出口 水温有 一定欠焙值。一方面保证水不会在省煤器中汽化，另一方面也使水冷壁入口 水流量 分配均匀， 提高水循环的安全性。省煤器出口 水欠焙与锅炉循环形式有关，强制循 环炉的欠焙要比自 然循环炉大。在现代汽包锅炉中，省煤器来的给水一般都沿着给 水分配管直接注入下降管管座，以 减少汽包内外壁和上下壁的温差. 下降管一般都不受热， 汽包中的 饱和水在与省煤器过来的过冷水混合后，在上 升管和下降管中的介质密度差驱动下流入水冷壁下联箱。 下降管中的水基本都 是过冷 水。 水冷壁是锅炉的主要受热面，布置在炉膛四 周，吸收大部分辐射热。下降管中 华北电力大学硕士学位论文 过来的过冷水在水冷壁内上升流动，被加热成饱和蒸汽与水的混合物进入汽包。因 此上 升管中过冷水、饱和水和饱和蒸汽都存在。 汽包是汽水分离过程中的核心部件， 它是锅炉的一个主要受压部件。它和水冷 壁 ( 上升管) ， 下降管等组成自 然水循环回路。由于它能储存一定数量的水，因而 增加了锅炉运行的安全性和稳定性.汽包里的水是饱和水，能在汽压增加时吸收热 量， 而在汽压降低时放出热量，所以当外界负荷波动时，它能起减缓汽压变化速度 的作用。此外，上升管中来的 汽水混合物要在汽包内 进行汽水自 然分离，当其分离 能力不够时，还要在汽包内 装设汽水分离装置。 3 . 2影响水位的主要因素 汽包正常水位的标准线一般是定在汽包中心线以 下 100 2 0 0 咖 处，在水位标 准线的土 5 0 inm 以内为水位允许波动范围。 而允许的汽包最高、 最低水位， 主要是通 过各自电厂的热化学试验和水循环试验来确定。 3 . 2 . 1影响水位变化的主要因素 锅 炉运 行时， 汽 包水 位是 经常 变化 的。 引起 水 位变 化的 根 本原因 有 两 个脚 1 : 一 是物质平衡遭到破坏，当给水量与蒸发量不等时，必然引起水位的变化:二是能 量 平衡被打破，此时即使能保持物质平衡，水位仍可能变化。例如当炉内放热量改 变 时， 将引起蒸汽压力和饱和温度变化，从而使水和蒸汽的比体积以 及水容积中汽泡 数量发生变化，由此将引起水位变化。根据上述引起水位变化的根本原因，可归纳 出影响水位变化的主要因素有进出 汽包的汽水不平衡和燃烧工况等。 1 . 进出汽包的汽水不平衡对水位的影响 给水压力的变化会造成给水量的变化。在其他条件不改变的情况下，给水量加 大时，水位升高;给水量减少时，水位下降。 负荷变化、燃烧率变化和汽轮机调门 扰动都会引起蒸汽流量的变化。当蒸汽流 量突然变化时，在蒸汽流量阶跃增加的扰动初期 ，汽包水位不仅不降低 ，反而在一 段时间内上升， 产生人们熟知的 “ 虚假水位” 现象. 这主要是由于蒸汽流量突然阶 跃增加时， 一方面改变了汽包内 的物质平衡状态， 使水位下降;另一方面，由 于耗 汽量的增加，汽包压力将随之下降，对应的饱和水温度降低，使水面以下的水容积 中的一部分水汽化而生成汽泡， 造成汽包水位的上升。 对于大中型锅炉来说，后者 的影响要大于前者，因此在负荷增加后的一段时间内水位不但不下降，反而明显上 升。这一现象在图 3 一 2中 可以明显看见，电厂实际运行中，在 10:06 分开始升负 荷，主蒸汽流量也随之增大，这时汽包水位不但没有下降，反而也随着快速增大， 造成汽包水位控制系统将给水流量向 减少方向调整以 调节汽包水位。大概在 25 秒 华北电力大学硕士 学位论文 之后，水位才随着汽包中进出物质不平衡而下降. 书氮典 获 翎栩朔悯47e472翎 分生卜 竺口 渐 侣 侣咫今 ， 0 : 1 00 广、一 一 厂一 戈 - - - 一 ， 一t 一丫 一 一 川 .口.口.口.口.口.口.口.口.口.月.口.口.月. 甘一 巴扮j 一 了 - 一 t - 一 多 汉二 尹 不二球 勺. . . . . . . . . . - - . - - 一 :八一 犯 一 了五 - - - 一 卫 1 从 夕 . 一 t - 一 7 一 扛一 二 二 二 一 父 一 二 艾 一 一 丫 一 卜 - - - 一 - - - - - 一 货， 一: 拍心劝3024181200 分遭卜 x州m .) 一书护汽 包 水 位 图 3 一 2现场实际运行参数变化曲线 2 . 燃烧工况对水位的影响 燃料量的扰动必然引起蒸汽量的变化，因此也同样有 “ 虚假水位”现象。但是 由于汽包和水循环系统中有大量饱和水， 汽包和水冷壁金属管道也会储存大量的 热 量，因此有一定热惯性. 燃料量的增大只能使汽泡体积缓慢增大，而且汽包压力还 慢慢上升，它将使汽泡体积减小。因而，燃料量扰动下的假水位比负荷扰动下要和 缓得多。 华北电力大学硕士学位论文 3 . 2 . 2 “ 虚假水位”现象的影响 锅炉运行中，汽包水位调节中常存在的 “ 虚假水位”现象实际上是汽包内实实 在在的 真水位，人们称之为 “ 虚假水位”的原因是: 它不是由于汽水不平衡引 起的 持续的 飞升变化，而是由 于汽包压力急剧变化使炉水中汽泡含量瞬间增减而造成的 汽包水位瞬间 变化，而且达到一定值后， 将不再变化，待压力恢复正常时，水位又 会恢复到原先状态。 在目 前大多单元机组采用的直接能量平衡 ( d e b ) 控制策略中， 一般用汽包压力来表示锅炉蓄热。因而从能量平衡的角度来说， “ 虚假水位”是由 于 锅炉蓄热量的改 变而出现的.在汽包汽水循环系统中，与压力有关的蓄热量必须 是能导致蒸汽流量变化的那部分热量。 对于温度较低的过冷水，压力降低导致的 烤 变化不可能使水变为蒸汽，只有温度十分接近饱和水温度的部分过冷水才有可能在 压力降低时变化成蒸汽， 而这部分水主要在上升管中， 总量不是很多; 对于饱和水， 压力降 低导致相对应的饱和水烩降低，会有一部分饱和水变为饱和蒸汽，所以饱和 水参加蓄热:而对于饱和蒸汽，在锅炉压力升高的情况下会有一部分饱和蒸汽变为 饱和水，但总体上其量还是很少.在前文的叙述中， 我们知道省煤器、下降 管中主 要是 过冷水，上升管中过冷水、饱和水、 饱和蒸汽都存在，汽包中主要为饱和水和 饱和蒸汽。 所以 对于汽包锅炉，锅炉的蓄热主要集中在汽包、水冷壁中。 压力变化 会导致水饱和温度发生变化， 致使相近的金属中的热量发生改变，所以汽包和水冷 壁的金属也参加蓄热。 综上所述， “ 虚假水位”是由于汽包、水冷壁中饱和水、 饱和蒸汽、金属的蓄 热量改变而导致的， 是实实在在的真实水位。当 “ 虚假水位”超过汽包水位紧急停 炉水位值时，同样也会造成炉水被带入过热器，甚至汽轮机中，轻则造成蒸汽品质 恶化、 含盐量增加， 重则进入主蒸汽管道和汽轮机的蒸汽中含水造成水冲击， 因此， 不应当 认为 “ 虚假水位”是可以不予关注的 “ 假”的 水位。 正是由 于 “ 虚 假水 位” 的 这种 机理 ， 会对 汽 包 水 位保 护造 成 两个 不利因 素 11 : ( 1 ) “ 虚假水位”的测量问题。当汽包中出现 “ 虚假水位”时，到目前为止还 不能 把 “ 虚假水位”的 真正水面测量出来.这主要是因为，目 前还没有一种直接观 察汽包内水位的测量仪表，而都是采用联通管式和差压式间接方法测量汽包水位 的。当汽包压力急剧降 低， 汽包内的水容积中出 现汽泡和水冷壁管内汽泡增加导 致 水位抬高时，在测量仪表中的反应是不一样的。当水冷壁管内汽泡增加抬高汽包水 位时，测量仪表将可以真实反映出来，但是当汽包内的水由于汽压突降而一部分水 汽化生成汽泡而抬高水位时，联通管式水位计的示值、差压式水位计的差压实际上 变化是不大的。因为汽泡的比重远远小于其饱和水的比重， 所以由于汽泡增加抬高 的水位在联通管式水位计和差压式水位计中基本上是反映不出来的。因此，当汽包 华北电力大学硕士学位论文 压力急剧变化引起汽包出现 “ 虚假水位”时， 汽包内的实际水位偏差要大于测量仪 表上反映出的偏差值。 ( 2) 汽包水位保护的延时问题。由于汽包压力急剧变化引起的 “ 虚假水位 ” 的升降方向总是与汽水不平衡引起的水位升降方向相反，因此， “ 虚假水位” 最大 值的出现时间较短， 而且， 锅炉停炉保护的汽包水位动作值还留有一定余地。 因此， 由于 “ 虚假水位”而短时达到保护动作值时， 一般不会酿成事故。 为了防止不必要 的停炉，设计中 一般都会考虑在汽包水位事故停炉信号回路中增加一个延时回路， 但必须注意的是，该延时只设计在汽包压力变化率超过一定值才发挥作用， 而且延 时回路的延时时间不宜过大，一般根据安全门动作试验时 “ 虚假水位” 的飞升曲 线 确定。 33现场流程对预警、报警以及故障检测系统的基本要求 通过前面的工艺流程介绍，不难看出，汽包水位故障诊断存在两个难点: ( 1) 汽包水位测量问 题造成的故障认定困难 由于 “ 虚假水位”的存在以及现场汽包水位测量装置本身的一些缺陷，致使汽 包水位测量的准确度一直不能达到令人满意的效果。汽包水位计失灵、指示不准引 起误判断和误操作，或水位保护拒动引起的汽包水位满、缺水事故时有发生。可以 说汽包水位的 准确测量是汽包水位故障诊断系统正常运行的关键所在， 汽包水位传 感器故障检测是汽包水位故障诊断中最重要的环节。 (2 ) 故障原因众多且故障征兆相互祸合 不但系统内重要传感器、执行机构或设备的故障，会引 起水位的不正常;系统 外像安全 门动作等因素也会造成水位的波动。各传感器及执行器的报警、预普和故 障 检 测 在文 献125 一 28中已 经做了 很深 入的 研 究， 并已 经开 发出 一 个专 门的 执行 器 故障 诊断 模块， 投入现场实用了， 而针对汽包水循环系统整体的预普、故障诊断研究还 未有相关论述。 3 . 4小结 本章介绍了电 厂汽包汽水系统工艺流程，分析了影响水位