（化工过程机械专业论文）垃圾焚烧锅炉故障诊断系统的研究.pdf

摘要 摘要 垃圾焚烧系统因垃圾成分复杂、有机物含量高、含水量大、燃烧产物腐蚀及 磨损性强，造成了较为严重的设备故障。目前的人工诊断方法无法快速有效地解 决此类问题，因此研究开发与计算机技术相结合的故障诊断系统具有十分重要的 现实意义。 本文在对深圳市市政环卫综合处理厂垃圾焚烧系统进行分析的基础上，采用 了以模糊技术为核心的混合智能诊断方法，构造了国内第一个以垃圾焚烧锅炉为 核心兼顾汽轮机和附属设备的故障诊断系统，在这一领域进行了有益的探索。 总结了垃圾焚烧的技术背景和锅炉系统的故障特点，分析了目前国内外锅炉 系统诊断技术的研究进展以及垃圾焚烧系统出现的新问题。参考此领域有关故障 诊断资料，与现场专家、工程师多方交流以获取启发式经验知识，采用面向对象 的关系数据库技术建立了垃圾焚烧设备故障诊断知识库，包括故障集、征兆集及 其对应模糊矩阵以及有关参数等。在此基础之上构造了系统的总体框架。 分别建立了参数监测及处理模块、故障诊断及解释模块、故障日志及统计模 块和知识库管理模块四大子系统，实现了以模糊逻辑诊断为核心的故障诊断推理 机制以及各种监测和知识库管理。采用p o w e r b u i l d e r + s q ls e r v e r 2 0 0 0 技术构造了 客户端h i 务器( c s ) 架构的应用软件系统。将系统初步应用到企业局域网内部 进行了实例诊断，发现了系统运行中存在的故障隐患，并提出了较好的解决方案， 防止了故障的发生。 诊断结果表明，将以模糊技术为核心的混合智能诊断方法应用于垃圾焚烧锅 炉故障诊断过程，层次清晰，推理高效，能够较好地模拟这一领域专家诊断的逻 辑思维和推理过程。对于防止系统设备故障的发生，保证其安全可靠的运行具有 较为重要的意义。 关键词垃圾焚烧锅炉系统；模糊诊断； 专家系统 v a b s t r a c t a bs t r a c t t h ec h a r a c t e r so f g a r b a g ei n c i n e r a t i o ns y s t e ms u c ha sh i g h l yc o m p l i c a t e d i n g r e d i e n t s ，a b u n d a n to r g a n i cc o m p o u n d ，h i g hw a t e rs a t u r a t i o ni n g a r b a g ea n d c o r r o s i v e ，w e a r i n gp r o d u c t sr e s u l ti nt h es e v e r ef a u l t so fe q u i p m e n t s n o w a d a y st h e a r t i f i c i a ld i a g n o s i sm e t h o dc a nn o ts o l v et h i sk i n do fp r o b l e me f f e c t i v e l y s oi t i s q u i t es i g n i f i c a n tt od os o m er e s e a r c hi nt h i sf i e l da n dd e v e l o pc o m p u t e rr e l a t e df a u l t d i a g n o s i ss y s t e m b a s e do nt h ea n a l y s i so nt h eg a r b a g ei n c i n e r a t i o ns y s t e mi ns h e n z h e nm u n i c i p a l s a n i t a t i o nt r e a t m e n tc e n t e r ，f u z z yl o g i c a lf o c u s e d s y n t h e t i cd i a g n o s i sm e t h o di st a k e n a n dt h ef i r s ts y s t e mi nc h i n a ，w h i c hf o c u s e so nt h ef a u l td i a g n o s i so ft h eg a r b a g e i n c i n e r a t i o nb o i l e r ，s t e a mt u r b i n ea n da t t a c h m e n t sa sw e l l ，i sd e v e l o p e d t h et e c h n i c a lb a c k g r o u n do fg a r b a g ei n c i n e r a t i o na n dt h ef a u l tc h a r a c t e r i s t i c so f b o i l e rs y s t e ma r es u m m a r i z e d t h ed e v e l o p m e n to fr e s e a r c hi nf a u l t d i a g n o s i s t e c h n o l o g yf o rb o i l e rs y s t e mi nc h i n aa n da b r o a da n dt h en e wp r o b l e m se m e r g e di n g a r b a g ei n c i n e r a t i o ns y s t e mi sa n a l y z e d b yc o n s u l t i n gr e f e r e n c e sa n dd i s c u s s i n gw i t h t h ee n g i n e e r s ，t h eh e u r i s t i ce x p e r i e n c ek n o w l e d g ei so b t a i n e d t h ef a u l td i a g n o s i s k n o w l e d g eb a s ei sb u i l db yu s i n gt h eo b j e c t o r i e n t e dr e l a t ed a t a b a s et e c h n o l o g y i t i n c l u d e st h ef a u l ts e t s ，t h es y m p t o m s e t s ，c o r r e s p o n d i n gf u z z ym a t r i xa n ds o m e p a r a m e t e r se t c c o n s e q u e n t l yt h em a i nf r a m e w o r ko ft h es y s t e mi sc o n s t r u c t e d t h ep a r a m e t e ri n s p e c t i o na n dt r e a t m e n tm o d u l e ，t h ef a u l td i a g n o s i sa n de x p l a i n m o d u l e ，t h ef a u l tl o ga n ds t a t i s t i c sm o d u l ea n dt h ek n o w l e d g eb a s em a n a g e m e n t m o d u l ea r ef o u n d e dr e s p e c t i v e l y t h ef u z z yl o g i c a lf o c u s e dr e a s o n i n gp r o c e s si s r e a l i z e da n dt h ee f f i c i e n t m a n a g e m e n t o ft h ed a t a b a s ei s a c h i e v e d t h e “c l i e n t s e r v e r ”( c s ) f r a m e w o r ks o f t w a r es y s t e mi sb u i l tb yu s i n gt h ep o w e r b u i l d e r a n dm i c r o s o f ts q l s e r v e r 2 0 0 0t e c h n o l o g y t h i ss y s t e mw a sa p p l i e di nt h ei n t e r n a l n e t w o r ko ft h ee n t e r p r i s e i tg a v es o m er e a s o n a b l es o l u t i o na d v i c e sw h e ns o m eh i d d e n t r o u b l e sw e r ef o u n d t h i sp r e v e n t e dt h eh a p p e n i n go ft h ef a u l t t h ed i a g n o s i sr e s u l ts u g g e s t st h a ti ti sc l e a ra n de f f e c t i v eb ya p p l y i n gt h ef u z z y l o g i c a lf o c u s e ds y n t h e t i cm e t h o di nt h ef a u l td i a g n o s i so fg a r b a g ei n c i n e r a t i o nb o i l e r s y s t e m i tc a ns i m u l a t et h el o g i c a lr e a s o n i n gp r o c e s so fe x p e r te f f i c i e n t l y i ti s s i g n i f i c a n tt op r e v e n tt h eh a p p e n i n go ff a u l ta n de n s u r et h es a f e t yo fa l lt h e e q u i p m e n t s k e yw o r d s ：g a r b a g ei n c i n e r a t i o nb o i l e rs y s t e m ，f u z z yd i a g n o s i s ，e x p e r ts y s t e m v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作 品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 强亨古 日期：2 0 0 4 年5 月2 0 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密曰，在上年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： 艺亍涉 ， f 司z 七 日期：2 0 0 4 年5 月2 0 日 日期：矿哗年j - 月哆日 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀t 匕 1 1 研究背景、目的及意义 1 1 1 故障诊断技术应用的迫切性 1 1 1 1 垃圾焚烧技术的蓬勃发展 垃圾焚烧技术作为一种以燃烧为手段的垃圾处理方法，最早起源于1 9 世纪的 英国，1 8 7 4 年在英国诺丁汉建造了世界上首台城市生活垃圾焚烧锅炉。此后的1 0 0 多年间，随着经济的发展和技术水平的提高，垃圾焚烧工艺取得了很大的发展， 其处理逐步走向无害化、减量化、资源化和稳定化。 2 0 世纪8 0 、9 0 年代是城市生活垃圾焚烧处理技术推广与应用的阶段，也是 生活垃圾焚烧技术进展最快的时期。几乎所有的发达国家、中等发达国家都建设 了不同规模和数量的城市生活垃圾焚烧处理设施。美国建成大中型垃圾焚烧厂四 百余座，至2 0 0 0 年焚烧处理量已达到垃圾总量的4 0 以上；法国是欧洲城市生 活垃圾焚烧处理设施最多的国家，有3 1 0 多座，城市生活垃圾焚烧处理率为6 5 ； 而日本是世界上拥有最多城市垃圾焚烧处理设施的国家，到1 9 9 6 年有垃圾焚烧厂 1 8 5 4 座，焚烧处理率达到7 8 。 改革开放以来，国内经济技术迅速腾飞。城市居民增长到三亿四千多万，人 均消费迅猛增加。相应的，城市生活垃圾产量急剧上升，每年达到1 亿吨以上， 垃圾的品质指标也在不断地改善。同时，随着人民素质的提高、环保意识的增强， 治理城市生活垃圾的呼声日益高涨。 国内第一座真正意义上的城市生活垃圾焚烧处理设施一一深圳市市政环卫综 合处理厂一期工程于1 9 8 8 年建成。由于当时深圳市的生活垃圾热值低、水分高、 变化多、组分杂，一期工程引进工艺及设备经过了较大的调整与改善后才正常运 行。随后的二期工程建设作为国家八五科技攻关专题“城市生活垃圾焚烧处理技 术 的依托工程，在引进、消化、改良国外工艺设备基础上，根据我国国情开发 出实用的城市生活垃圾焚烧工艺和配套的国产设备，大幅度地降低了处理成本， 提高了处理效率，为国内后续垃圾焚烧设施的建设提供了宝贵的经验。 目前，国内许多大中型城市生活垃圾中的可燃组分大量增加、低位热值明显 提高，这些都使得垃圾焚烧技术成为解决城市生活垃圾处理问题的重要途径，已 先后在上海、宁波、广州等城市建成了十余座城市生活垃圾焚烧处理厂。具体情 况见表1 1 所示。 目前，我国城市生活垃圾焚烧处理技术发展和设施建设方兴未艾，垃圾焚烧 技术在未来城市生活垃圾处理领域也将起到越来越重要的作用1 1 】。 华南理工大学硕f 二学位论文 表1 1 国内大型现代化城市生活垃圾焚烧处理设施 t a b l el - 1t h el a r g e - s c a l em o d e r nc i t yw a s t ei n c i n e r a t i o nt r e a t m e n tp l a n t si nc h i n a 序规模能源故障诊断投入运运行 号 设施名称 建设方式 ( t d ) 利用技术类型行时间状况 1深圳市市政环3 有人工1 9 8 8 年良好引进e t 本技 卫综合处理厂1 5 0 术( 国产) 2珠海环卫综合3 有人工2 0 0 0 年良好引进美国技 厂2 0 0 术( 国产) 3深圳龙岗中心3 有人工2 0 0 0 年一般引进加拿大 城生活垃圾焚1 0 0 技术( 国产) 烧厂 4温州东庄垃圾1 有人工2 0 0 1 年 一般国产 焚烧厂 1 6 0 5宁波垃圾焚烧 3 有人工2 0 0 1 年不稳引进德国技 厂 3 5 0 定 术( 国产) 6上海浦东御桥3 有人工2 0 0 1 年 调试引进法国技 垃圾焚烧厂 3 5 0 术( 国产) 7上海江桥垃圾3 有人工2 0 0 2 年调试引进德国技 焚烧厂3 5 0 术( 国产) 8南海资源环保2 有人工2 0 0 2 年调试 美国技术 电厂1 0 0 9哈尔滨岁宝垃1 有人工2 0 0 2 年调试 日本任原赠 圾焚烧厂 2 0 0送 1 0广州李坑垃圾3 有2 0 0 4 年 焚烧厂3 0 0 底 1 1 1 2 故障的多发性、严重性导致故障诊断技术应用的必要性 设备的长期运行必然会出现一些故障问题，同时由于垃圾与煤等普通燃料的 性质不同，使得垃圾焚烧产生大量的烟尘和腐蚀性气体，它们对设备的磨损、腐 蚀等破坏比一般的锅炉系统更加严重。国内外垃圾焚烧技术的广泛应用也使得这 一领域的故障问题日益凸现。实际上，根据国内外垃圾焚烧处理厂多年来运行的 经验表明，垃圾焚烧处理系统设备曾出现过热器损坏、高温腐蚀、烟道堵塞、汽 轮机叶片腐蚀等严重问题【2 7 】。事故发生后都不得不进行停机修理、更换等操作。 这些大大影响了垃圾焚烧处理厂的正常生产运行，造成了极大的损失。因此，人 2 第一章绪论 们不得不开始寻找可行的故障诊断技术，通过它能够快速有效地解决故障问题， 同时能够防止故障事故的再次发生。 1 1 2 与计算机技术结合的智能诊断 1 1 2 1 人工诊断技术的局限性 针对运行中部分设备出现的故障问题，目前国内垃圾焚烧厂的有关技术人员 采用了半结构化的人工处理方法，即一方面现场收集大量数据，并对其做计算和 估算，同时结合自己长期积累起来的经验和知识，对问题做出回答。这种方法能 够解决垃圾焚烧设备领域的部分故障问题，但费时费力，并且往往受到专家知识 技术水平的限制，在实际应用中存在多种限制。 1 1 2 2 以专家系统技术为核心的计算机故障诊断技术 人工诊断技术的局限性使得其无法快速有效地解决目前该领域日益出现的故 障问题，人们开始探索将其与计算机技术相结合。而属于计算机智能诊断领域的 专家系统技术得到应用成为可能。 专家系统技术将人类专家具有的知识和推理技能编制进一个程序系统中，人 们就可以利用这些具有思维能力的程序进行推理，同时给出相应的行为建议。这 不仅大大扩展了计算机的统计和计算功能、使计算机程序具有了思维能力，而且 克服了人类专家知识局限性等人工诊断中出现的多种问题。 与传统诊断方法相比较，故障诊断专家系统方法具有如下几个方面的优点： 1 通过对各种诊断的经验性专门知识的形式化描述，不仅可以使这些知识突 破专家个人的局限性而广为传播，而且也是对科学方法论的一个发展。 2 故障诊断专家系统有利于存贮和推广各种诊断专家的宝贵经验、知识，更 有效地发挥各种专门人才的作用，克服诊断专家供不应求的矛盾。 3 许多诊断专家的知识可以十分方便地存入知识库，从而开辟了综合利用各 类诊断专家知识的新途径。 4 故障诊断专家系统在某些方面比人类专家更可靠、更灵活，而且可以在任 何时候、任何条件下提供高质量服务。 5 故障诊断专家系统是以故障诊断的知识结构为基础组织系统，诊断知识库 和推理控制部分相对独立，可以重新改写和增删。解决问题的能力也可以 改变，这是常规专家系统所不能比拟的。 6 故障诊断专家系统可以与其他诊断方法结合，调用现成的应用程序作为知 识表示过程，构成知识和知识结构的应用程序。这样就实现了在线监测故 障、离线诊断与解决故障。 7 故障诊断专家系统具有人一机联合诊断功能，可以充分发挥现场人员的主 3 华南理工大学硕士学位论文 观能动性。 实际上，专家系统在目前的故障诊断领域已经得到了广泛的应用，如旋转机 械故障诊断专家系统、往复机械故障诊断专家系统、发电机组故障诊断专家系统、 汽车发动机故障诊断专家系统等。应用情况表明，将专家系统应用于故障诊断技 术领域极大地提高了故障诊断的技术水平。 1 1 3 垃圾焚烧锅炉故障诊断系统 通过上述的分析，同时结合深圳市市政环卫综合处理厂的实际需求及故障情 况，作者认为有必要建立一套以垃圾焚烧锅炉为主要对象兼顾其他设备的故障诊 断专家系统，即将多个专家的理论知识和丰富的实践经验结合起来，开发一个以 征兆采集和数据分析为依据的计算机故障诊断系统。该诊断系统能够针对垃圾焚 烧过程中设备出现的问题和征兆进行快速的诊断，及时发现可能出现或者已经出 现的故障，并提出简单可行的解决方案给操作人员，排除故障，保证生产的顺利 进行。这对于克服目前人工诊断出现的问题、及时有效诊断垃圾焚烧设备故障、 预防故障的发生、保证设备安全可靠的运行都具有十分重要的意义。 本课题作为国内第一个垃圾焚烧锅炉故障诊断系统，将多种诊断方法应用于 其常见故障判断，利用计算机技术对输入的热力参数进行预处理，并在友好的提 示操作信息下进行诊断，得出故障类型及其原因，提醒操作运行人员进行修复操 作。并且能够通过反复实践逐步提高系统的稳定性和可靠性，使整个系统兼有知 识性、技术性和实用性。 需要说明的是，本文所指的垃圾焚烧锅炉系统是广义的锅炉系统，即系统诊 断的对象不仅仅包括锅炉部分( 焚烧炉和汽包) 还包括了后续的汽轮机和相关的 辅助设备，只是锅炉主体部分作为本系统的核心诊断对象将进行重点介绍。 1 2 本领域研究及应用情况综述 1 2 1 国内外锅炉故障诊断技术的发展状况 垃圾焚烧锅炉系统与一般电站锅炉系统的主要用途不同，前者主要用于垃圾 焚烧，产生的热量可以被利用来发电，而后者以发电为主要目的。但是，它们在 功能、结构上有很多相同点，所以可以结合目前国内外电站锅炉系统故障诊断情 况来了解这一领域的发展。 电站锅炉设备性能监测及故障诊断经过近几十年的发展已日趋完善。其中， 美国是最早研制锅炉故障诊断专家系统的国家。早在1 9 7 6 年美国的几家公司便已 联合研制开发了m o h a v e 电厂煤处理设备的诊断监测系统，并于7 0 年代末投入运 行【8 】；自8 0 年代起，美国电力研究协会( e p r i ) 开发了一系列基于知识的专家系统， 其中针对电站锅炉系统开发的锅炉维护工作站( b m w ) ，它包括了4 个模块：水冷 4 第一章绪论 壁工况、锅炉图示，管道记录、e s c a r t a 专家系统、管道受命。其核心是锅炉管 道失效诊断专家系统( e s c a r t a l ，它是美国开发的第一个用于电站锅炉故障诊断 的专家系统，于1 9 8 9 年起在5 家电力公司使用。现场试验结果表明，该系统除了 可以正确诊断电厂锅炉爆管事故以外，还可以培训电厂工人熟悉爆管事故以及指 导工作人员采取正确的步骤调查和解决锅炉爆管事故。e p r i 于1 9 9 2 年开发的 e d d y s t o n e 诊断专家系统堪称故障诊断专家系统的标准范例，它包括汽轮机诊断、 锅炉诊断和辅助设备诊断三个部分，应用了多项先进的监测技术，如锅炉管声学 检漏、温度监测、应力分析和振动信号分析等技术【9 1 。 日本在火电厂故障诊断技术方面的研究也处于世界领先水平。早在8 0 年代， 三菱重工就已研制出用于汽轮发电机组锅炉故障诊断的专家系统。9 0 年代初，日 立公司研制出指导火电厂运行和维护的指导专家系统【8 】。此外，还有日本北海道 电力公司应用人工智能技术开发的运行支援系统，其作用就是寻找运行过程的最 佳控制参数，提高机组运行的经济效益，同时通过对机组数据的在线监测进行警 报分析，找出故障发生的原因，提供恢复机组正常稳定运行的操作指导【1 0 】。 有关资料和实践经验表明，集中大批专家经验、利用人工智能等技术开发的 专家系统对电站锅炉的运行和故障进行自动监测和诊断可以避免许多事故的发 生，减小不必要的经济损失。因此，它在国外得到了十分广泛的应用，发展非常 迅速。 在国内，这方面的研究工作起步较晚，但由于政府的高度重视，发展很快， 许多高校和科研机构都参与到锅炉系统故障诊断技术的研究中来，取得了较多的 成果。在理论研究上，清华大学王民汉等1 1 1 】设计并建立了一个可以模拟锅炉实际 运行的锅炉数据支撑平台。该平台采用网络客户服务器方式设计，用于创建并维 护锅炉系统的各种数据库，包括历史数据库、结构数据库、组态数据库、故障数 据库等。平台可对锅炉系统的各种故障以数据的形式模拟、再现，并以数据公告 板的方式实现对分布式诊断、协作诊断等高级诊断方法的支持。经过仿真试验， 平台能够很好地模拟锅炉现场的实际情况，并能提供故障诊断系统调试所需数据。 东南大学李莉等【1 2 】针对循环流化床锅炉实际应用对象的特性，采用面向对象的方 法对其进行了分析与描述，提出了现阶段可以实际应用于锅炉系统的故障诊断专 家系统的知识处理方案，详细叙述了框架、规则、过程的知识表达方法。 在理论研究的同时多项技术也已经进入实用阶段。清华大学李德英等i ”】以 3 0 0 m w 电站锅炉为研究对象，通过仿真与实践相结合，建立了远程状态监测与 故障诊断系统。状态监测主要有锅炉系统总体监测、锅炉本体监测、趋势监测、 棒图监测和越限报警等。故障诊断根据锅炉运行状态监测情况，确定锅炉系统运 行中出现的故障征兆，采用深、浅知识相结合的混合诊断推理机制，分析诊断锅 炉系统在运行过程中可能出现的各种故障，如炉膛灭火，过热器爆管，省煤器磨损、 5 华南理工大学硕上学位论文 泄漏，空气预热器积灰、泄漏，锅炉满水、缺水等常见故障。通过远程传输d a s 数 据到济南市山东电力科学研究院进行远程监测诊断，并收到预期的效果。此外， 他们又以供水系统热水锅炉为故障诊断研究对象，提出了面向对象基于框架、规 则、模型与过程集成的广义故障树知识表示方法和多种推理范式集成的推理与控 制策略，建立了状态监测与故障诊断专家系统的结构框架，实现了热水锅炉的状 态监测和故障诊断工作，并且完成了专家系统的运行、调试、测试和验证等一系 列工作【1 4 】。电力部热工研究院李耀君等【1 5 l 研制了锅炉管失效分析专家系统，该系 统根据锅炉失效后的管断割取、断口保护、现场记录和分析样品来判断其失效类 型，进一步得出失效原因，并推荐适合的处理措施和方案。 国内外锅炉诊断专家系统的研究已取得了较大的发展，其方向逐步趋于实时 化、智能化，采用的方法包括规则、框架、模糊和神经网络等多种，目前研制出 的系统得到了初步的应用，并且已获得了良好的经济效益和社会效益，这对于垃 圾焚烧锅炉诊断系统的开发都具有借鉴意义。 1 2 2 国内外垃圾焚烧锅炉故障诊断技术的研究状况 1 2 2 1 国外垃圾焚烧锅炉故障诊断技术研究状况 国外到本世纪初已经建立了为数众多的垃圾焚烧处理设施，许多专家针对这 些处理设施多年运行出现的问题进行了许多有益的探索。 针对垃圾焚烧锅炉最常见的管道高温腐蚀问题，吴亦三【6 】介绍了美国 h a r r i s b u r g 、a k r o n 和m i a m ic o u n t y 的垃圾焚烧炉的管道腐蚀试验，结果表明低合 金钢的腐蚀率仅略低于碳钢的腐蚀率，而不锈钢和高镍铬合金钢的腐蚀率大致低 于碳钢和低合金钢一个数量级，并且在金属温度为2 6 0 4 8 2 范围内随温度的上 升而下降；日本y a m a d ak 等【1 7 l 采用n i ( 5 0 ) c r ( 5 0 ) 合金材料喷涂于过热器表 面，实际结果表明，在垃圾焚烧厂七年的运行显示再没有出现腐蚀问题，并且可 以预计其更长的寿命；a n d o u ，s 等【1 8 】在1 9 9 5 至1 9 9 8 年期间针对东京某垃圾焚烧 厂的锅炉过热器管材料进行研究，发现材料“q s x 5 ”具有高抗腐蚀性，同时提出 了过热器排列的设计原则；t e r a s h i m a 等1 1 9 】从1 9 9 6 年起对东京a d a c h i 垃圾焚烧 处理中心的过热器管做了两年的实验，以确立可承受4 0 0 4 5 0 高温蒸汽的过热 器的技术可行性。通过实验，他们研制出了较新的材料作为过热器管材，实现了 高功率产能。同时他们通过对介质气体的深入分析测量和对热交换的数字模拟研 究了过热器管腐蚀的机理，取得了一定的研究成果。 日本y a m a m o t o 等【2 0 】针对垃圾焚烧的不稳定性问题，采用模糊过程模型构造 了一个操作支持系统对燃烧过程进行有效的控制；i n o k u c h i 2 1 】介绍了k u m a m o t o 城市垃圾焚烧处理厂成功的设备维护经验，讨论了设备出现的环境问题和设备的 保养检修方法，主要包括周围环境温度上升和突然出现的压力变化以及因含h c l 6 第一章绪论 等酸性气体而出现的金属腐蚀等。该厂出现的典型的问题是设备输出信号的浮动， 包括较大的漂移和测量数据对额定范围的偏离以及腐蚀问题。t s u k i o k a 等【2 2 】针对 垃圾焚烧厂出现的设备故障问题，构造了故障诊断专家系统，包括诊断知识库、 知识编辑器和推理机，同时能对诊断结果进行解释。 1 2 2 2 国内垃圾焚烧锅炉诊断技术研究状况 正如前述，目前我国垃圾焚烧处理只有十多年的历史，并且多数工厂都是近 几年才投入运行，所以目前国内在这一领域的故障诊断技术仅仅处于起步阶段， 工程技术人员只是针对个别设备已出现的问题提出一些解决方案。广东电力实验 研究所的王中安【3 l 针对深圳市市政环卫综合处理厂1 、2 号炉出现的问题和技术难 点提出了一些意见，并且结合3 号锅炉启动调试实践，对整个热力系统进行了评 价。该厂技术人员林文峰等【5 】通过2 号焚烧炉过热器炉内外壁温试验、传热系数 试验、炉膛出口烟气含氧量测试结果及汽水品质的分析，从锅炉运行、过热器设 计等方面提出了防止过热器超温爆管的措施。曹民伟和马小明1 2 3 】等基于宏观与显 微观察探讨了垃圾焚烧炉过热器的失效原因及其解决方案，并对该厂1 、2 号焚烧 炉的实际改造过程进行了详细的阐述和系统的分析。针对深圳市市政环卫处理厂 的汽轮机自投运以来叶片长期存在较严重的结垢的问题，汪世伟等【7 】对机组的运 行方式、运行参数及化学水监督等进行了综合分析，找出汽轮机叶片长期严重结 垢的原因，采取多项改进措施，取得了显著效果。阿世孺等【4 】分析了垃圾焚烧锅 炉独有的运行特征，认为腐蚀问题是其面临的主要问题之一，提出了腐蚀的成因， 并给出了相应的防范对策。 总的来说，国外垃圾焚烧锅炉故障诊断已取得一定的成果，很多研究成果己 投入到实际生产运行中。国内还处于刚刚起步的阶段，目前的诊断全部采用人工 手段，还未能研制出快速有效的智能计算机诊断系统。本课题就是针对国内第一 座垃圾焚烧电站锅炉系统开发计算机诊断系统软件，将专家的理论知识、丰富的 实践经验与计算机技术结合起来，并通过逐步的实践与修正提高系统的稳定性和 可靠性，使整个系统有知识性、技术性和实用性。 1 2 3 专家系统与模糊诊断技术研究状况 1 2 3 1 专家系统的研究状况 专家系统是融合人类专家知识和推理技能的计算机程序系统，人们可以利用 之对出现的问题进行推理分析，发现症结所在，同时给出相应的行为建议。 1 9 6 5 年由s t a n f o r d 大学计算机系f e i g e n b a u m 与遗传学家l e d e r b e r g 、物理学 家d j e r a s s i 等人合作研制的第一个专家系统程序d e n e r a l 问世，它可以根据有 7 华南理t 大学硕士学位论文 机化合物的分子式及质谱数据推断分子的结构，它的出现标志着人工智能( a i ) 的一个新的研究领域一一专家系统的诞生【2 4 1 。随后又有诊断疾病的m y c i n 系统、 探矿的p r o s p e c t o r 系统和构造计算机系统的x c o n ( r 1 ) 系统等出现。8 0 年代 是专家系统发展的高潮，9 0 年代初专家系统应用范围扩展到化学、生物工程、电 力技术、经济管理等各个领域。 在过去的几十年的研究中，人们逐渐发现：专家系统的应用将明显地改善他 们的工作方式和工作效率。 实际上，专家系统技术能够使计算机帮助人们分析和解决只能用自然语言描 述的复杂问题。这样就扩展了计算机的计算和统计工作，使计算机程序具有了思 维能力。这些具有思维能力的程序能够与决策者进行对话，并应用推理，建议不 同的可能行为过程。将人类专家具有的知识和推理技能编制进一个专家系统中， 人们就可建造一个能象人类专家一样诊断故障和提供建议的程序系统。 同样，通过专家系统技术，对编程一窍不通的工程技术人员能够把他们的知 识输入诊断软件，构造出功能强大的程序系统。其他工程技术人员通过对话也能 够很容易地检查这些在系统内部存储的知识，并在必要时修改这些知识。 因此，与专家系统有关的概念和技术是革命性的，专家系统能将本领域众多 专家的经验汇集在一起，使人类共享知识成为可能。 专家系统技术的发展经历了两个阶段【2 5 1 ：第一阶段是被称为第一代专家系统 的基于浅知识的专家系统；第二阶段是被称为第二代专家系统的基于深知识的专 家系统。两代专家系统的区别在于前者大多是在收集应用领域中的经验知识的基 础上完成的，但它不能从领域的基本原理出发来解释这些知识，后者主要使用数 学模型、结构模型、定性物理规律，即基于深浅知识相结合的复合知识诊断推理 方法。这样就完善了专家系统的合理性和正确性，它处理问题的难度也在不断增 加。 1 2 3 2 模糊技术的研究状况 二值逻辑能精确地描述“非此即彼。但对设备的故障诊断，只判别有故障或 者无故障是远远不够的。故障诊断数据有某些程度的不确定性，也就是偶然性和 模糊性。偶然性可以用概率论方法解决，而模糊性就要用模糊集合论的方法去解 决。自从美国控制论学者扎德( l a z a d c h ) 于1 9 6 5 年提出模糊集合论以来，模 糊数学便被用来研究这种模糊性。由于它在处理难以精确化的大系统、复杂系统 中显得简洁有力，从而在某种程度上弥补了经典数学的不足，受到广大科研、工 程技术人员的欢迎，被广泛地应用于设备故障诊断中。 本课题所研究的专家系统就是以模糊算法作为诊断技术的核心。它的应用符 合了垃圾焚烧锅炉系统故障具有复杂性、相关性和延时性的特点，因此能够高效 8 第一章绪论 地诊断这一领域的故障。所采用的模糊诊断方法作为模糊技术的一个分支，利用 模糊集合论中的隶属函数和模糊关系矩阵的概念来解决故障与征兆之间的不确定 关系，进而实现故障的早期预报和精密诊断。这种方法计算简单，应用方便，结 论明确直观，是一种十分有效的方法。 所谓的模糊性是指区分或评价客观事物时的不分明性。对于这种模糊性，用 模糊逻辑方法不仅能表示属于或不属于的简单概念，同时还可以准确地刻划出“属 于的程度”如何。因此它能逼真地描述“亦此亦彼的模糊现象，这比逻辑诊断 方法能更确切地进行诊断，在故障识别上前进了一大步。 总的来说，模糊技术的优点体现在三个方面【2 6 】： 1 模糊技术给出了一套表现自然语义的理论和方法，使自然语言能够转化成 机器可以“理解 和接受的东西，提高机器的灵活性。 2 模糊技术给出了模糊逻辑和近似推理的理论和方法，用简捷的软、硬件可 以使机器更加“聪明 ，智能化程度更高。 3 模糊理论比一般数学理论应用面更广，除自然科学和工程技术领域之外， 它将为社会、经济、哲学、心理学等各种学科提供数学描述的语言和工具， 将有力地促进软科学的科学化、定量化研究。 目前模糊技术几乎渗透到了所有的科研领域，各种模糊技术成果和模糊产品 也逐步从实验室走向社会，有些已经取得了明显的社会效益和经济效益。比如软 科学方面，模糊技术已用到了投资决策、企业效益评估、中长期市场模糊预测等 领域【2 7 2 8 】；在工业控制方面，已实现了冶金炉窑等的模糊控制、化工过程模糊控 制，这大大地拓展了自动控制的应用范围【2 9 】；在人工智能与计算机领域，已经出 现了模糊推理机、模糊控制计算机、模糊专家系统、模糊语音识别系统、图形文 字模糊识别系统等【3 0 枷】。 1 3 本文的工作 通过上述对垃圾焚烧锅炉系统的综合分析，本文作者认为可以将以模糊技术 为核心的专家系统技术应用于其故障诊断领域，开发出了国内第一个垃圾焚烧锅 炉系统故障诊断专家系统。整个系统兼有知识性、技术性和实用性。 1 3 1 研究方法 本系统采用混合智能方法对垃圾焚烧锅炉系统常见故障进行分析和诊断。混 合智能诊断方法主要体现在针对不同的设备采用不同的方法，如对本系统的核心 部分一锅炉“主体”部分可以进行模拟实时监测，根据参数的异常进行故障诊断； 而对非主体部分的诊断，如汽轮机、辅助设备等，因缺乏现场数据，采用人工选 择征兆进行故障推理的方法；同时，在诊断过程的不同阶段也采用了不同的处理 9 华南理t 大学硕士学位论文 方法，如在热力参数监测及处理阶段采用了模糊数学处理方法；在锅炉故障分类 并建立故障诊断知识库阶段以面向对象的方法为前提，结合基于关系数据库和模 糊矩阵混合的方式；在寻找故障阶段采用模糊诊断技术作为推理机制的诊断方法： 在故障解释阶段，又采用了基于规则的推理方法，也就是利用规则知识推理出处 理对策和诊断过程解释。 1 3 2 主要工作 本课题在对现有的实现故障诊断专家系统的多种方法进行深入研究的基础 上，确定了主要的工作方法和路线，完成了以下主要工作： 1 垃圾焚烧锅炉系统故障诊断知识库的建立。 本文采用面向对象的关系型数据库技术和模糊逻辑表示法，以垃圾焚烧锅炉 运行规程为基础，结合领域专家的实际操作运行经验，建立了垃圾焚烧锅炉系统 故障诊断知识库。 知识库包括锅炉、汽轮机及其辅助设备三大类设备的各种监测参数、诊断原 则、故障原因和解决方案等，目前的故障类型有6 5 种，包括锅炉主体部分故障 1 0 种、监测参数1 3 个、故障征兆3 5 种，同时还可以进行后续扩展。 领域知识以关系表格和模糊矩阵的形式实现有效存储、管理和维护。参考的 主要标准规范有：建设部生活垃圾焚烧炉产品行业标准( c j t1 1 8 2 0 0 0 ) 、 生活垃圾焚烧污染控制标准( g b l 8 4 8 5 2 0 0 1 ) 。 2 模糊故障诊断算法的实现 参考相关设备运行手册资料并结合工程师经验，采用c a u c h y 函数模拟的方 法构造了锅炉主体部分1 3 种监测参数的隶属函数，将其与知识库中的征兆有效地 结合；综合分析各设备故障与征兆间的对应关系构造模糊矩阵；出于既综合考虑 多种因素影响、又保留单因素评判全部信息的原则，采用模糊算子i vm ( o ，o ) 实现 推理诊断的算法；针对系统的开发初期的知识不完善性，采用阈值原则作为诊断 原则，防止漏判。 3 垃圾焚烧锅炉诊断系统软件的开发 采用p o w e r b u i l d e r4 - s q ls e r v e r 2 0 0 0 技术，构筑了c s ( 客户端服务器) 架构 的故障诊断软件系统。主要模块包括参数监测及处理子系统、故障诊断与解释子 系统、知识库管理及维护模块、故障日志及统计模块。软件系统具有十分友好的 人机界面，非常有利于专家和现场操作人员的掌握和使用。 4 系统实例诊断 1 0 第一章绪论 将系统初步应用于企业局域网平台，根据实时运行数据，发现了垃圾焚烧锅 炉系统中潜在的故障隐患，并提出了解决方案。验证了系统的实用性和准确性。 1 3 3 工作步骤 课题的规划设计实际上就是制定系统开发的计划和目标，主要经历了以下几 个阶段： 1 收集课题相关信息 收集垃圾焚烧锅炉故障诊断知识库，如：锅炉专家经验、运行规程和系统状 态的特征信号等；同时广泛了解和收集锅炉故障诊断领域的新发展和技术，将有 用的信息运用到本系统中。 2 系统框架的构造 确认系统的总体目标一一对垃圾焚烧锅炉的故障情况进行有效的诊断；将锅 炉系统具体分为锅炉、汽轮机及辅助设备的三大部分，针对不同的部分的特点和 实际情况，选择合适的诊断方法和技术；拟定所各子模块及其功能。 3 设计和应用阶段 建立故障诊断知识库，开发模糊推理模块及软件系统；成功后，在企业局域 网平台中应用，通过实例诊断进行验证。 毕自理1 大学颂l 学位论文 第二章设备故障特点及诊断系统总体框架 2 1 垃圾焚烧系统运行特性及故障特点 2 1 1 垃圾焚烧系统运行特性 垃圾焚烧处理其基本工艺为1 1 i ：前处理系统中的垃圾与助燃空气系统提供的 一次和二次助燃空气在垃圾焚烧炉中混合燃烧，燃烧所产生的热能被余热锅炉加 以回收利用，经过降温后的烟气送入烟气处理系统处理后，经烟囱排入大气；垃 圾焚烧产生的炉渣、飞灰和废液另行处理。现代化的垃圾焚烧厂的整个处理过程 都可由自动控制系统加以监测和控制。完整的垃圾处理系统应该包括前处理系统、 垃圾焚烧系统、余热利用系统、烟气处理系统、扶渣处理系统、废液处理系统和 自动控制等儿个部分，其整个流程见图2 1 。 图2 。1 垃圾焚烧处理系统工岂流程图 f i g 2 1 f l o wd i a g r a mo fw a s t ei n c i n e r a t i o nt r e a t m e n tp r o c e s s 与般锅炉固体燃料燃烧以热能利用为主要目的不同，生活垃圾的焚烧日的 丰要是无害化处理，追求的是生活垃圾的充分燃烧，同时可利用焚烧过程中产生 的能量，通过余热系统回收热能发电。其运行特点如下。 1成分复杂、低位热值低 垃圾焚烧炉以城市牛活垃圾作为焚烧燃料，主要成分包括厨余、废纸、废塑 料、废织物、废金幅、废玻璃陶瓷碎片、砖玩渣士、排泄物以及街道清扫废物、 第二章设备故障特点及诊断系统总体框架 废家具、废旧电器、庭园废物等。它的特点在于成分复杂、有机物含量高；其所 含成分主要为水分、挥发分、固定碳及不可然分，成分不同的生活垃圾，其热值 也不同，但总的来说国内城市生活垃圾均存在低位热值较低的特点。垃圾成分的 复杂直接导致了燃烧的不稳定。 2 燃烧产物复杂 在垃圾焚烧过程中产生很多焚烧产物，主要包括烟气、固体残留物和有毒物 质二恶英等。其中，烟气的成分与垃圾组分、燃烧方式有很大关系，远比一般燃 料燃烧锅炉焚烧烟气产物复杂，因此烟气的成分成为影响垃圾焚烧设备故障的主 要因素。表2 1 为各种锅炉焚烧后烟气主要组成成分。 表2 1 垃圾与其他燃料燃烧产生的烟气组成对比 t a b l e 2 - 1i n g r e d i e n tc o n t r a s to ft h es m o k ef r o mb u r n i n g g a r b a g ea n do t h e rf u e l s 成分颗粒物 n o zs o x h c l h 2 0 温度 燃料 ( m g n m 3 )( m g l )( m g l )( m g l )( m g l ) 2 5 0 l n g 、l p g1 05 0 1 0 0oo5 1 0 4 0