（机械电子工程专业论文）基于神经网络的火电厂送风机状态检修系统研究.pdf

韭瘟窑适盘堂亟堂焦i 金塞 虫塞摘要 中文摘要 在火电厂中，送风机系统作为辅机系统之一起着极为重要的作用。一方面， 它直接关系到炉膛的安全燃烧；另一方面，它的高效率运行能提高煤的利用率。 因此建立送风机的检修系统对电厂的经济、安全生产有着重要的现实意义。同 时，传统以预防性计划检修为主的体制已不能满足现代化电厂的生产要求，而 逐渐被以设备的实际工况为依据的状态检修所取代。 本文以送风机为研究对象，设计了一个基于神经网络的状态检修系统，该 系统可以实现对送风机状态参数的数据采集、状态监测、状态预测、态势分析、 故障诊断、故障分析和维修决策等功能。 本文详细阐述了送风机状态检修系统的原理、结构及各部分功能的实现方 法。系统通过p i 实时数据库网络采集送风机的各主要性能参数，并通过p i 的 数据接口与上位机实时通讯实现在线状态监测功能。同时采集的原始数据经数 据预处理和特征提取后，通过神经网络状态预测模型和故障诊断模型对送风机 当前的状态进行预测和诊断，其结果经分析决策后返回在线状态监测界面指导 维修人员维修。系统运用先进的状态监测、信号处理及故障预测诊断技术，具 有很高的可靠性。 送风机状态检修系统为送风机的良好运行提供了保证，同时也为发电机组 的炉膛安全燃烧，以及电厂的安全、经济运行提供了可靠保证。在降低检修费 用、延长检修间隔的同时，也使送风机的使用寿命大大延长，增加了电厂的经 济效益。 关键词：送风机；状态检修；神经网络：预测；故障诊断 分类号：t k 2 2 3 2 6 ；t p l 8 3 i 塞銮通塞堂亟堂焦论塞丛唑盟 a b s t r a c t i np o w e rp l a n t s ，a i rf e e d e rs y s t e mp l a y sav e r yi n l p o r t a n tr o l ea so n eo ft h e a s s i s t a n ts y s t e m s ，o n eh a n d ，i th a sd i r e c tr e l a t i o n s h i pw i t ht h ec o m b u s t i o no ft h e b o i l e r o nt h eo t h e rh a n d ，i t sh i 曲e f f c i e n c yr u nc a ni m p r o v et h eu t i l i z a t i o no fc o a l t h e r e f o r e 廿l ef o u n d a t i o no f a i rf e e d e rc o n d i t i o n - b a s e dm a i n t e n a n c eh a se c o n o m i c a l a n ds e c u r ep r a c t i c a ls e n s ef o rp o w e rp l a n t s a n da tt h es a m et i m e ，t h et r a d i t i o n m a i n t e n a n c es y s t e m ，w h i c hi st i m e b a s e dm a i n t e n a n c ef o rt h em a i np a r t ，h a s g r a d u a l l yb e e nr e p l a c e db yc b m ，b e c a u s ei tc a n ts a r i s f yt h en e e do fm o d e mp o w e r p l a n t s t l l i sp a p e rd e s i g n sac b ms y s t e mb a s e do na n na b o u tt h ea i rf e e d e ro f s h i z u i s h a np o w e rp l a n t ，t h i ss y s t e r nc a nr e a l i z ed a t ac o l l e c t i o n ，s t a t em o n i t o r i n g , s t a t e f o r c a s t ，t r e n da n a l y s i s ， f a u l t d i a g n o s i s ， f a u l ta n a l y s i sa n dm a i n t e n a n c e d e c i s i o n - m a k i n go f t h e a i rf e e d e r t h i st h e s i sp a r t i c u l a r l ye x p a t i a t e st h et h e o r y , f r a m ea n df u n c t i o n a lm e t h o d so f a i rf e e d e rc b m s y s t e m t h es y s t e mc o l l e c t st h em a i np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fa i r f e e d e rb yt h ep ir e a l t i m ed a t a b a s en e t w o r k ，a n dh a sr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o nw i t h t h ep ca c c o r d i n gt ot h ep id a t ai n t e r f a c ef o ro n l i n es t a t em o n i t o r i n g s y n c h r o n o u s l y a f t e rd a t ap r e t r e a t m e n ta n df e a t u r ee x t r a c t i o n ，t h ec o l l e c t i o nd a t ag e ta c r o s st h es t a t e f o r e c a s tm o d e la n df a u l td i a g n o s i sm o d e lb a s e do na n nf o rt h ea i rf e e d e r sc u r r e n t s t a t e t h er e s u l t so ft h ef o r e c a s ta n dt h ed i a g n o s i sf e e d b a c kt ot h eo n - l i n es t a t e m o n i t o r i n ga f t e ra n a l y s i sa n dd e c i s i o n - m a k i n g ，t oi n s t r u c tt h er e p a i r m e n t h es y s t e m h a sw e l lr e l i a b i l i t yf o rt h ea p p l i c a t i o no fa d v a n c e dt e e l m i q u eo fs t a t em o n i t o r i n g ， s i g n a lp r o c e s s i n ga n df a u l tf o r e c a s ta n dd i a g n o s i s t h ea i rf e e d e rc b ms y s t e mh a sag u a r a n t e ef o ri t sw e l l r u n n i n g c o n t e m p o r a r i l ye n s u r e st h eb o i l e r s s a f ec o m b u s t i o n ，t h es e c u r ea n de c o n o m i c a l r u n n i n go ft h ep o w e rp l a n t i td o e s n to n l yr e d u c et h em a i n t e n a n c ec h a r g e ，p r o l o n g t h em a i n t e n a n c ed i s t a n t b u ta l s oe x t e n dt h e1 i f e s p a no fa i rf e e d e r , i n c r e a s et h e e c o n o m i cb e n e f i t so f t h ep o w e rp l a n t s k e y w o l i d s ：a i rf e e d e r ；c o n d i t i o n b a s e dm a i n t e n a n c e ；n e u r a ln e t w o r k ；f o r c a s t ； f a u l td i a g n o s i s c l a s s n o ：t k 2 2 3 2 6 ；t p l 8 3 i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：；撕知 签字日期：7 年) 月哗日 导师签名：彤于挈 签字日期：口7 年协月，护日 j b 鏖銮遵太堂砸堂焦监塞独剑性座盟 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，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，也不包含为获得北京交通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。 靴缴艏懿：美糁獬醐：脚7 年m 帅 致谢 本论文的工作是在我的导师陈广华教授的悉心指导下完成的，陈广华教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 陈广华老师对我的关心和指导。 陈广华教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向陈广华老师表示衷心的谢意。 史红梅、陈科山、陈广华教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵 意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期问，李彦荣等同学对我论文中的数据采集研究工 作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的爸爸、妈妈，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学业。 j k 立銮道太堂亟堂焦诠室 i l 直 1 引言 随着火电技术的发展，发电设备日益趋向于大型化和复杂化。发电设备的维 护要求也越来越复杂，维修费用从相对较少逐渐成为电厂的一项主要费用。世界各 国每年用于设备维修的费用相当惊人，令人遗憾的是，其中许多维修费用属于浪费 性质，主要是修理了不该修理的设备。 针对这种传统检修体制的弊端，拟采用状态检修的方法。状态检修是在对设 备的状态进行准确评估后，把设备的运行状态作为检修决策的依据，是以设备取得 最大可靠性的前提下，降低检修费用，提高设备经济性的优化检修策略。 在发电厂中，送风机是大型的回转设备之一，是烟风系统的动力源，若其发 生故障，往往会使主机主炉的正常工作受到影响，有时会造成严重事故。因此送 风机等辅机设备往往是火电厂设备状态监测的薄弱环节，是造成机组非计划停机 的主要原因之一，保证送风机等辅机设备的安全运行是电厂日常维护和维修的重 要内容，对电厂的经济、安全生产有着重要的现实意义。 本系统应用神经网络技术，建立以送风机为研究对象的火电厂状态检修系统。 系统由p i 数据系统和客户端应用系统两大部分构成。p i 数据系统是以p i 实时数 据库为核心建立的电厂拓扑网络，实现对送风机的主机、电动机和油站状态参数 的现场实时采集；客户端应用系统是以上位p c 机做p i 客户端，并以基于w i n d o w s 平台的开发软件v b 6 0 为工具开发的状态检修应用系统，主要功能包括数据通讯、 状态监测、状态预测、态势分析、故障诊断、故障分析和维修决策。 a b 塞窑煎左堂亟堂僮i 金塞 2 绪论 2 1 课题的来源、背景及意义 2 1 1 课题来源 本课题是石嘴山电厂与北京交通大学合作的“石嘴山电厂设备状态检修技术 的研究”项目的组成部分 2 1 2 课题背景 2 1 2 1 传统检修体制弊端明显 我国建国以来，火电设备检修在学习前苏联经验的基础上，长期实行以故障 检修、预防性计划检修为主的检修体制，这种体制曾经一度是适应我国电力生产 发展水平的，它包括大修、小修、临修、定期维护等形式。在这种检修体制下， 大修问隔2 3 年，小修间隔4 - - , 8 个月，检修项目、工期安排和检修周期均由管 理部门根据经验制定。 随着火电技术的发展，发电设备日益趋向于高参数、大容量、大型化和复杂 化，其安全经济运行对社会的影响也越来越大，发电设备的维护要求也越来越复 杂，维修费用从相对较少逐渐成为电厂的一项主要费用，维修投入大幅度上升。 世界各国每年用于设备维修的费用相当惊人，令人遗憾的是，其中许多维修费用 属于浪费性质，主要是修理了不该修理的设备，现行检修体制明显暴露出缺陷， 主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 临时性维修频繁。一些缺陷较多的机组往往不能适应由管理部门统一制定 的计划检修安排，运行不到下一个检修时刻就必须强迫停运，进行事故性检修， 导致电网发电、供电与检修计划经常被打乱。 ( z ) 维修不足。机组由于各种原因在检修期未到时产生局部故障，但受到检修 计划制约，不得不带病运行，有时故障继续恶化造成运行代价和维修费用增大以 及不必要的事故损失，甚至严重事故。 ( 3 ) 维修过剩。对于设备状态较好的机组，进行了不必要的检修，由此造成设 备有效利用时间的损失和人力、物力、财力的浪费，甚至引发维修故障。 ( 4 ) 盲目维修。根据计划检修的标准项目和依靠经验制定的部分非标准项目进 行检修，对机组并不一定能作到对症下药，由此导致不该修的修了，而该修的未 2 j e 夏窑亟叁堂亟堂僮i 金毫绪论 修或没有足够重视，带来“修未修好”的问题。 显然现行检修体制已严重影响了电力企业的市场竞争力，因此对设备实行更 先进、更科学的管理和检修体制，无论从火电厂自身的利益还是从社会的要求出 发都是必须的。 2 1 2 2 状态检修的产生和定义 随着社会经济的发展，尤其是第4 次产业革命( 以信息技术的快速发展为代 表) 开始后逐步向以设备状态监测和故障诊断为基础的预知维修，即状态检修体 制过渡【5 】。它根据应用状态监测和故障诊断等技术所获取的信息，在故障将要发 生之前或继续运行已很不经济时，有目的进行适当的和必要的检修，因此，被称 为基于状态的检修( c o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c e ) 。这种检修方式是预防性检 修( p r e v e n t i o nm a i n t e n a n c e ) 和以可靠性为中心的维修( r e l i a b i l i t yc e n t e r e d f l a i n t e n a n c e ) 两种方式的结合和优化，也称为预知性检修( p r e d i c t i v e d i a g n o s t i cm a i n t e n a n c e ) 【柏】。 可以简单地给状态检修下一个定义：在设备状态监测的基础上，根据设备状 态监测和分析诊断的结果安排检修时间和项目的检修方式。 这种检修方式以设备当前的实际工作状况为依据，而非传统的以设备使用时 间为依据，它通过先进的状态监测技术手段、可靠性评价手段以及寿命预测手段， 判断设各的状态，识别故障的早期征兆，对故障的部位、严重程度、发展趋势作 出判断，并根据分析诊断结果在设备性能下降到一定程度或故障将要发生之前进 行检修州。 2 1 3 课题的意义 2 1 3 1 状态检修的巨大经济效益 状态检修由于科学地提高了机组的可用率和明确了检修目标，所以是耗费最 低的检修体制，它为设备安全、稳定、长周期、全性能、优质运行提供了可靠的 技术和管理保障。发达国家的经验表明，状态检修体制已被证明是能为火电企业 节省大量费用的有效检修体制。 推行状态检修将取得巨大的经济和社会效益已成为共识。根据美国对典型电 站开展状态检修的统计，在4 0 0 唧1 3 0 0 姗的电厂成功应用此项技术后，净收益 为每年1 6 2 万美元，推行状态检修的投资回报逐年大幅度上升。这些收益的取得 是延长了设备大修间隔、降低了小修频率、做到了应修必修、修必修好的结果。 由于推行状态检修，杜绝了不足维修或过剩维修，减少了重大事故的发生，降低 了企业经营成本。 j e 塞銮垣盔堂亟堂焦i 幺塞 在国内，山东省电力工业局1 9 9 5 年制订了“供电系统设备状态检修管理办 法”，并逐步推行供电设备的状态检修，取得了可观的效益，设备临修减少了1 0 ， 大修工作量减少2 0 。养分检修工作周期大大延长： 2 2 0 k v 开关 变压器 3 4 年一 5 年 一 4 7 年 1 0 年 预防性试验1 年一2 年 归纳起来，在电力行业中推行状态检修的直接效益有以下几点： 延长定期检修间隔； 减少定期检修时间； 节省大量维修费用； 提高设备可靠性； 提高设备可用系数； 延长设备使用寿命； 改善电厂运行性能； 提高电厂可用系数 增加发电能力； 确保发供电可靠性： 提高火电企业经济效益。 2 1 3 2 辅机设备状态检修的重要性和必要性 随着电力体制改革的深入，发电厂对发电成本的控制越来越严格，如何合理 的减少维修费用，同时有效提高运行安全性已是当务之急。汽轮机、锅炉等主机 虽然是关键设备，但其制造技术已较成熟，监测技术也较完善，故其可靠性都比 较高，由于火电厂系统复杂，而一些辅机设备往往是火电厂设备状态监测的薄弱 环节，是造成机组非计划停机的主要原因之一，保证辅机设备的安全运行是电厂 日常维护和维修的重要内容。同时，任何一个系统或主要辅机设备的故障都会影 响电厂的经济性，造成发电成本的增加。因此，开展火电厂辅机设备的状态检修， 具有十分重要的意义。 原国家电力公司于1 9 9 8 年立项开展火电厂设备状态检修课题的研究，其中辅 机设备的状态检修技术开发是电厂状态检修整体技术的重要部分p “。电厂重要辅 机设备，如送、引风机、一次风机、给水泵、循环水泵、凝结水泵等设备在电厂 运行中起着重要作用。作为主要厂用电设备，其总耗电量最大限度可占电厂发电 量的5 6 ，如一台年平均运行5 0 0 0 小时的4 8 0 0 k w 的电动给水泵来说，效率每 下降1 ，将多耗电将近2 5 万k w 。同时这些重要辅机设备的可靠性直接关系到发 电机组的安全经济运行。这些设备的事故，特别是大型电站重要辅机的破坏性事 4 j b 塞銮道太堂亟堂焦i 金塞 绻主金 故所造成的直接经济损失很大。此外，电站重要辅机因事故或故障停运，将引起 发电机组非计划停运或非计划降低出力运行，造成发电量损失。由此可见开展重 要重要辅机设备的状态检修，将为电厂的安全和经济运行起非常重要的作用。 2 1 3 3 风机进行状态检修具有重要意义 在发电厂中，风机是大型的回转设备之一，是烟风系统的动力源，其运行状 况直接关系到电厂的安全、经济运行【5 ”。 安全性方面，据美国电力研究所( e p r i ) 统计，通风机及其系统特性对于电 站停机故障有重大影响，通风机故障是引起机组非计划停机的主要原因之一， 3 0 一5 0 的火电厂停机故障主要由汽轮发电机、风机和水泵等旋转机械造成的。多 数国外机构根据其重要性将电站设备分成三类：关键性设备( c r i t i c a l e q u i p m e n t ) 、必要设备( n e c e s s a r ye q u i p m e n t ) 和辅助设备( a u x i l i a r y e q u i p m e n t ) 【4 1 1 。送、引风机和一次风机与汽轮机、发电机和锅炉给水泵一起均被列为关键性 设备。 e p r i 在1 9 8 1 年对6 3 个电力机构2 1 5 台机组的7 4 3 台风机调查中，有6 9 的 风机发生了不同类别的故障： 8 0 年代中期，e p r i 对4 1 个电厂1 3 0 台机组有关设各进行监测的结果显示： 5 4 的给水泵( 2 2 1 台) 、3 5 的通风机( 1 4 4 台) 、3 的汽轮机( 1 3 台) 发生了各 种故障，通风机的故障率仅次于给水泵【4 ”。 在1 9 9 1 1 9 9 2 年，西安热工院对我国4 0 多个装有2 0 0 m w 及以上机组的电站 的风机可靠性进行了调查研究，在机组各类部件中，按等效非计划停运小时占机 组总等效非计划停运小时的百分比大小排列，锅炉送风机和引风机分别排列第6 位和第7 位，并通过比较说明我国1 9 9 0 年大型电站锅炉风机的可靠性低于美国在 1 9 8 0 年的水平。 中国电力企业联合会电力可靠性管理中心在2 0 0 1 年对全国2 0 0 m w 及以上容量 火电机组1 5 6 个发电企业，共4 4 6 台机组的送风机( 8 8 9 台) 、引风机( 9 0 6 台) 等五种主要辅助设备可靠性统计，得出近年来几种主要辅助设备在可用系数、运 行系数方面都有一定的提高【2 3 】，例如，自1 9 9 7 年到2 0 0 1 年，送风机和引风机的 可用系数分别提高了1 5 1 和1 6 1 ，非计划停运时间有一定幅度的下降。其中 2 0 0 b l w 等级的机组，由于近6 0 是1 9 9 0 年以前投运的，可用系数低于全国平均水 平，需进行重点管理。在送风机、引风机、磨煤机、给水泵、高压加热器5 种辅 助设备中，引风机的非计划停运对主机的影响最大。据该中心的统计结果：2 0 0 1 和2 0 0 2 年，对于我国1 0 0 啪6 0 0 唧火电机组，送风机、引风机或一次风机均处 于火电机组等效非计划停运影响设备的前1 5 位。 由以上分析可以得出：电站送、引风机的安全状况目前已经逐步引起国内外 j 塞銮迢太堂亟堂焦监塞 电力生产、管理部门的重视，并且在安装、调试、运行、管理等各环节采取了措 施，虽然一定程度上提高了设备的安全可靠性，但就总体而言电站风机的可靠性 方面仍存在不少问题。 经济性方面，风机的经济性可由其耗电能量反映出来，约占机组发电总量的 1 5 3 ，占厂用电的2 5 3 0 左右，其运行费用已鸯接影响到电厂的经济性， 并且随着电厂容量的不断增大，风机的实际运行效率开始变得越来越重要。 在热力发电厂中，送风机系统起着极为重要的作用。一方面，送风机系统直 接关系到炉膛的安全燃烧，另一方面，如果送风机运行高效率将能提高煤的利用 率，实现电厂的经济生产。在发电厂的生产过程中，若送风机发生故障，往往会 使主机主炉的正常工作受到影响，有时会造成严重事故，因此对送风机的运行状 态进行监测，及时发现或预测送风机的故障，对电厂的经济、安全生产有着重要 的现实意义。 2 2 国内外状态检修的研究动态 状态检修随着故障诊断技术的发展而逐渐进入实用化，由于其带来的巨大效 益，在工业界引起了广泛的重视，理论研究和生产实践都在进一步深入，有的已 经取得了丰硕成果，在电力行业中的应用范围也在逐步扩大。 2 2 1 国外发展状况 目前，国外在状态检修技术研究与实践应用方面都已取得了较多的成功经验。 美国、德国、日本、法国都有应用这项技术的报道。如美国提出用以可靠性为中 心的维修( r c m ) 方式来改进和优化检修工作p 5 1 ，根据他们的总结，传统的检修 方式存在的不足主要是： ( 1 ) 主动进行检修或检查不够； ( 2 ) 频发性故障多； ( 3 ) 检修工作本身的错误多； ( 4 ) 良好的检修实践未能条例化； ( 5 ) 不必要的或保守的预防性检修多； ( 6 ) 检修的目的性不明确； ( 7 ) 检修工作的技术记录和成本分析不全； ( 8 ) 过分依靠制造厂； ( 9 ) 同类机组的检修经验交流不够多； 6 j e 塞窑通太堂亟堂僮j 金室缝j 幺 状态检修的项目太少。 而解决这些问题的措施就是采用能优化检修计划的r c m 。美国的相关机构如 e p r i 所属的m & d 中心和c s i 公司( 现已合并) 就已经推出优化检修方式的一系列 技术方案和相关系统，并已经在美国国内外多家企业推广应用，取得了良好效果 1 9 1 。 德国认为采用状态检修能提高检修效率。最近几年，德国也对发电厂的检修 工作进行了探讨。他们认为从全世界看提高检修效率的措施主要有： ( 1 ) 状态检修( c b m ) ； ( 2 ) 以可靠性为中心的检修( r c m ) ； ( 3 ) 整个寿命周期的成本管理策略； ( 4 ) 全员检修； ( 5 ) 瘦形检修管理等。 综合这些措施后，为提高检修工作的效率必须做到； ( 1 ) 要尽量根据设备的状态进行检修； ( 2 ) 从设备的可靠性出发进行检修； ( 3 ) 通过检修使设备在整个寿命周期内的生产成本降到最低； ( 4 ) 检查与检修间隔的优化； ( 5 ) 换用备件的优化； ( 6 ) 资料流通的优化； ( 7 ) 检修管理。 他们的看法是：目前应在发电厂开发设备监控与诊断技术的基础上，推行状 态检修，或在检修工作中尽量增加状态检修项目。 日本发电设备检修协会也对在日本核电站开展状态检修工作进行了专题研究， 重点进行了r c m 对于本国技术特点适用性的研究，并在检修中采用设备诊断和寿 命评估技术。 国外在开发和推广应用状态检修技术方面比较著名的机构有美国电力研究院 诊断检修中心( e p r im & dc e n t e r ) 和美国c s i 公司( c s i 和m & d 合并) 以及一 些仪器公司，如e n t e k i r d 公司等，它们已将多种诊断和检修系统运用于电厂 锅炉、汽轮机、发电机系统、辅机系统以及输变电网站上。到目前为止，c s i 已 经成功地为美国国内六十多家大型电力公司提供了优化检修的服务。美国7 0 的 电站，电网不同程度地使用了状态检修技术。 7 j e 鏖窑通盔堂亟堂僮i 金塞 2 2 2 国内发展状况 国内推行状态检修的工作虽然刚刚起步，但己引起国家有关部门的高度重视， 早在1 9 8 7 年，国务院在颁布的全民所有制工业交通设备管理条例中指出：“应 采用以设备状态监测为基础的方法，不断提高设备管理和维修现代化水平”1 2 1 1 。 近几年，我国也已经有部分研究单位和企业在开展这方面的理论研究与试点 应用工作。如大连电业局在6 6 k w 及以下配电网上、山东电力集团公司在2 2 0 k w 主网上都开展了不少试点工作，并取得了定的成绩和经验。更引人注目的是， 电力系统各网、省公司都正在积极进行这方面的试点和技术推广工作，把发电设 备状态检修作为重点进行突破。 1 9 9 6 年1 1 月在上海召开了全国电力设备状态检修工作经验交流会，1 9 9 8 年 5 月在武汉召开了华中电网发电设备实施状态检修研讨会，这些对电力设备状态 检修无疑将起到巨大的推动作用【2 2 1 。近几年的实践表明，国内发电设备状态检修 工作正在积极稳步推进，技术思想逐步统一，管理观念不断进步，许多电力公司 和发电厂迈出了大胆尝试的步伐。例如：锅炉的四管泄漏监测预报装置、汽轮发 电机组远程故障监测诊断系统、汽轮机调节系统诊断技术、热力系统监测诊断等 一系列科技项目的完成和应用，为发电设备状态检修工作提供了技术手段。 在可以预见的将来，状态检修这一先进的技术和定理体制必将在我国电力行 业中得到越来越多的推广和应用，取得令人瞩目的经济和社会效益。 2 3 本论文研究的目的及主要工作内容 2 3 1 研究目的 由于送风机的安全运行对火电厂生产运行的安全性和经济性有着十分重要 的影响，是火电厂重要的辅机设备之一，因此建立送风机的状态检修系统是十分必 要的。针对传统检修体制中，由于没有建立送风机的在线监测系统，不能动态掌 握送风机的运行状态和故障发展趋势，不能结合送风机的实际情况调节生产，缺 乏对送风机故障的预测和常见故障的诊断，不利于维修人员的管理与决策等情况， 建立送风机的状态检修系统，自动采集、记录和分析与设备安全有关的主要状态 参数，快速正确地把握送风机的运行状态，预钡4 送风机故障，提高综合维修水平， 确保整个机组安全稳定运行。 j b 基銮道太堂亟堂僮途塞绪盆 2 3 2 主要工作内容 ( 1 ) 建立送风机在线监测系统，通过数据采集系统，对送风机当前的状态进行 监测，实时显示各监测点参数值，对原始数据进行处理，获取送风机的当前状态 信息，了解和掌握送风机的动态运行状态，实现实时趋势、历史趋势及异常报警 等功能： ( 2 ) 建立送风机状态预测模型，利用历史数据和当前状态数据，对送风机状态 进行预测，并对设备状态变化所将引起的后果进行分析，判断送风机是否处于正 常、不正常、降级或不确定状态； ( 3 ) 建立送风机的故障预诊断模型，根据状态预测和态势分析等的结果，对将 可能出现的常见故障加以预诊断，利用模式识别判断出可能的故障类型、，故障原 因和发生故障的位置等。 ， ( 4 ) 根据运行状态、趋势预测、故障诊断的结果给出维修决策。 具体方法是通过p i 数据库的网络拓扑结构建立送风机的数据采集和在线监 测网络系统，通过p i 数据库的接口将送风机实时状态参数数据送至上位机监控界 面显示，然后在分析了前馈神经网络的典型算法b p 算法的基础上，针对b p 网络 收敛速度慢等缺点采用了改进型b p 算法引入动量项算法建立故障预测模型和诊 断模型，并引入迭代回归预测方法和模式识别对风机的运行状态进行趋势预测和 诊断分析并根据预测和诊断结果给出维修决策，由v b 6 0 开发软件编程从而建立 起送风机的状态检修系统。 9 韭塞蛮道太堂亟堂鱼j 金塞 3 基于神经网络的送风机状态检修系统总体方案设计 石嘴山电厂状态检修( c b m - c o n d i t i o nb a s e dm a i n t e n a n c e ) 的信息管理系统 ( c h n l s ) ，是将已有的电厂s i s 系统中的实时数据、小神探数据、手工录入的检测 数据、d c s 系统和新增的辅机、主变和断路器的状态检修检测数据全部统合起来， 为整个状态检修系统提供一个统一的信息共享和管理的平台，为状态检修的各个 子系统提供可靠的、实时的数据源。系统拟采用先进的基于j 2 e e 的三层式体系结 构，在充分利用电厂已有的硬件及软件资源的前提下，实施分阶段的滚动式开发， 其状态检修的体系结构图如图3 - 1 所示。 数据库子系统 = =甜实舴刁 乍 = = 标准痒 数据收集子系统 嚣 系 粼c b m l 设备广1 鍪 锅炉c b m i r 紧设备广_ 鬟 电气c b m l 一 设备i 统 一与现有系统接口 ll 气设备i i 汽机设备i 故障诊l | 故障诊断l 锅设il 辅机设l 故诊断ii 赦障诊l c 电设f f 汽祝设备i l 锅设ll 辅机设l 修策略| | 检修策略i 态检修的体系结构图 - 1t h er a m w o r ko f c bs y s t m 石嘴山电厂辅机设备送风机建立的状态检修系统，是石嘴山电厂 状态检统的重要组成部分。l o j 立銮堡左堂砸堂焦i 金塞基王控经圆终殴鲎丛扭丛盔捡丝丕缝整佳左塞途盐 作为研究对象，送风机的结构、工作原理及运行特性等是至关重要的，是建 立状态检修系统的基础。只有在对送风机全面分析的基础上，充分掌握它的工作 特点及一些性能参数，才能运用科学方法建立模型对其进行预测或诊断。 3 。1 送风机简介 3 1 1 送风机结构 风机是用来输送气体的机械，从能量观点来看，是把原动机( 主要是电动机) 输出的机械能转变为气体能量的一种机械。送风机的主要作用是向炉膛供给燃烧 所必须的空气，形成一、二、三次风，输送的空气是在接近室温情况下进行的。 火电厂送风机的种类繁多，按工作原理，大致可分为叶片式风机和容积式风 机，其中叶片式风机又分为离心式风机和轴流式风机。石嘴山电厂的送风机就是 采用的轴流式风机。 轴流式风机主要由进气箱、主风筒、后风筒、扩压筒、转子、轴承箱、中间 轴、联轴器、动叶片、动叶调节器和操作机构等构成【2 】。结构形式为单级，由焊 接构件制成。动叶片可在静止状态或运行状态用液压装置改变安装角。叶轮由一 个整体轴承支承，该轴承通过润滑装置不断的输入清洁的润滑油。为了使风机的 振动不传递至进、出气管路，在两端连接处都有膨胀节，电动机和风机用两个联 轴器和一根中问轴相连，使转子的检修方便风机的旋转方向迎着气流方向为顺时 针，从电机方向则为逆时针，其结构图如图3 2 所示。 l 声止 攀 刚 。u ，一 ， 厂 “i j 图3 - 2 轴流风机结构图 f i g 3 - 2t h ec o n f i g u r a t i o no f a x i a lf a n 宁夏石嘴山电厂选用的轴流式动叶可调送风机是由上海鼓风机厂从西德公司 j e 塞窑煎盔堂亟堂僮监塞 引进技术专利制造的，叶轮直径1 2 5 8 m m ，转子重量3 0 6 0 k g ，风机内径2 2 3 8 m m ， 叶片为机翼型，共1 6 片，风机配有原电动机。机壳为对开式，轴承箱为整体结构。 该风机主要有进气室、叶轮、外壳、寻叶、扩压器、动叶可调节机构，主轴、 轴承、轴承箱、联轴器等部件组成。 3 1 2 轴流式送风机的工作原理 当风机叶轮旋转时，气体从集风器进入，气体被叶轮轴吸入和压出，在叶片 的推、挤作用下而获得能量，然后流入导叶，导叶将一部分偏转的气流动能变为 静压能，最后，气流通过扩散筒将一部分轴向气流动能转变为静压能，然后从扩 散筒流出，输入工作管路。 3 1 3 送风机的设备规范 石嘴山电厂的f a f 2 2 4 - 1 5 1 型轴流式动叶可调送风机有自己的设备规范，包 含一些很重要的性能参数，现总结如表3 - 1 所示。 通过对送风机结构、功能以及设备规范的分析和掌握，为建立送风机的状态 检修系统做好前期准备，同时还要综合目前火电机组的设备情况以及当前工业领 域技术情况分析建立送风机状态检修系统的可行性。 3 2 送风机状态检修系统的可行性分析 状态检修技术在工业控制领域是一项热门技术，发展十分迅速，研究和应用 前景十分广阔。那么，在目前的技术和设备条件下，在火力发电厂施行送风机状 态检修是否可行呢? 3 2 1 根据设备故障前的征兆判断故障状态 火电机组设备发生故障前都有一些特征信号。以送风机来说，它的转动轴承 温度值和振动值等等会有异常值出现。 图3 - 3 是送风机故障过程的状态变化示意图。故障萌发点代表刚刚出现故障， 没有明显征兆。潜在故障点有明显征兆，人们可以通过在线仪表监测其状态参数。 由于各点之间一般还有一段时间，运行管理人员可根据状态参数的变化诊断故障 部位、性质与变化规律，作出决策进行检修处理。 1 2 j e 塞銮适点堂亟堂鱼逾塞基王叠经囹终的遂迅扭丛盔拴丝丕缠盟住左塞途让 表3 - 1 送风机设备规范 t a b 3 1t h ee q u i p m e n tc r i t e r i o no f a i rf e e d e r 项目 数值 备注 送风机型号f a f 2 2 4 1 5 - 1 型 上海鼓风机厂造 型式动叶调整轴流式 数量2 台 流量1 3 6 2 4 m 3 s设备工况1 5 6 7 风压2 9 1 7 p a设计工况3 5 1 8 p a 叶动调节范围 一3 0 。+ 2 0 。 介质温度 2 0 。 配备电机 电机型号y f 5 0 0 3 - 1 0 型东方电机厂造 电压 6 0 0 0 v 电流 8 9 3 a 功率8 0 0 k w 转速9 8 5 r m i n 油站规范2 5 l m i n 液压润滑油站 油箱规范 2 5 0 ( l ) 油泵 齿轮泵q = 2 5 l m i np = 3 5 b a r 数鼋4 台 流量2 5 l m i n 项目数值 油泵电机 电压2 2 0 3 8 0 v 电流 6 a 功率2 2 k w 转速1 4 5 0 m i n 润滑油3 2 号透平油 压力 3 5 b a r 因此任何设备故障的发生都是一个变化发展的过程，从故障萌发点到故障的 发生点送风机的性能是逐渐降低的，因此在送风机故障发生前的所有潜在故障点 处我们均有可能检测出潜在的故障，并及时阻止它的发生。 送风机发生故障前都有一些特征信号，如转动轴承温度值和振动值、润滑油 参数值等等会有异常值出现，虽然这种异常的变化是非常微小的，但是故障的征 兆已经确确实实的存在了，通过分析处理、细化和放大这些征兆信号，根据它们 的特征，参照积累经验就可以及时发现潜在的故障并处理掉。 j b 塞交通盔堂亟堂焦i 金塞 送 风 机 性 能 0 图3 - 3 送风机故障过程的状态变化图 f i g 3 - 3t h es t a t ec h a n g eo f a i rf e e d e rf a u l tp r o c e s s 3 2 2 状态监测与信号处理技术提供特征参数 目前电力行业状态监测技术与信号处理技术发展较快，它为诊断故障提供许 多非常有用、有价值的特征参数。 国外多家公司均已形成种类齐全的在线监测仪表产品系列，既作为设备简单 监测使用，也可以参与设备的闭环控制和保护。随着计算机技术和信息技术的发 展，仪表走上了智能化的道路，成为大型计算机系统的有机部分。美国p a l o m a r 公司生产的“8 0 0 0 系列机器监视与保护系统”( p a l o m a rs e r i e s8 0 0 0m a c h i n e r y b l o n i t o r i n gs y s t e m ) 就是一种典型的状态监视系统。在我国许多汽轮发电机组上 安装的b e n t l yn e v a d a 公司生产的7 2 0 0 系列、3 3 0 0 系列、9 0 0 0 系列监视仪表系 统和德国p h i l i p s 公司生产的r m s - 7 0 0 系统都是成熟的机组状态监测仪表系统。 现在除一些常规的信号预处理( 如预检数据、标定、数字滤波等) 方法和常 规的信号处理( 如幅域分析、时域分析、频域分析、倒频谱分析、细化分析、瞬 态信号分析等) 方法外，还有小波变换等一些新的信号处理方法，这些都为状态 检修系统进行状态趋势分析和故障诊断分析提供了所需的大量数据。 3 2 3 故障诊断技术的发展提供科学依据 随着计算机、数学、力学技术的不断发展，故障诊断技术也有了大的飞跃。 已经有许多种行之有效的故障诊断和模式识别方法如统计诊断法、对比诊断法、 模糊诊断法、专家诊断系统，以及神经网络识别理论、灰色识别理论等等。人们 利用它们，在在线监测的基础上，结合运行、检修的经验，可直接明确地告诉人 们，哪类故障正在形成? 故障点位于设备的什么部位? 为状态检修提供依据。 1 4 j e 摩銮堡盔堂亟堂焦迨塞基王挫丝匾终数逢凰扭丛查捡丝丞筮整佳左塞遮盐 故障预测是故障诊断技术的一个很重要的组成部分。它首先能够快速提供相 关历史数据及其变化趋势等信息为决策提供有效信息，更进一步可以根据目前状 态参数，通过某种预测模型的计算，科学地推断出设备若干时间以后的状态参数， 使得人们可以在故障发生之前及时的采取相应的对策。除常见的一些多项式回归 预测模型外，新兴的灰色预测模型和神经网络预测模型也为更好地进行预测及实 现状态检修提供了更好的科学方法。 3 2 4 各种开发软件为系统平台的开发提供条件 计算机技术的飞速发展为采用最新操作系统及最新的开发软件提供了良好的 平台，为开发故障诊断智能分析软件、状态检修智能分析软件、计算机通讯软件 和人机交互及报表打印软件等具有人工智能分析能力的计算机诊断专家系统，并 运用数据信息处理技术形成多参数处理网络提供了条件。 3 3 状态检修系统的总体设计及研究方法 状态检修系统是以设备当前的实际工作状态为依据，利用传感检测技术、信 号处理、模式识别、系统理论、预报决策、可靠性分析、电子技术、计算机技术 及有关专业技术领域的研究成果，以设备及其群体为研究对象，根据设备在运行 过程中的二次效应( 如热力参数、电磁参数、机械力学参数、各种性能参数等) 及其动态变化，在不影响设备正常工作情况下，对设备运行状态进行监测，做出 是否有故障、故障种类、故障部位、故障严重程度、故障发展变化趋势等诊断结 果，判断设备性能劣化趋势，并制定出相应对策和处理结果。因而，一个完整的 状态检修系统在功能上通常应该具备如下四个功能：在线状态监测、状态预测与 态势分析、故障诊断与故障分析、维修判断决策。 3 3 1 系统总体结构图 火电厂机组设备庞大，功能复杂，要求运行性能稳定，所以需要监测和诊断 的设备比较多。由于设备的复杂程度、运行状况不同，相应的检修系统也有所不 同。本文设计的送风机状态检修系统结构如图3 - 4 所示。 j e 塞变通盘堂硒堂僮i 金塞 3 3 2 研究内容及研究方法 本课题将以送风机为研究对象，通过对送风机入口出口温度、出口风压、轴 承温度、振动烈度、动叶开度、流量、电流、有功功率、马达线圈温度、电动机 轴承温度、电动机线圈温度、润滑油量、润滑油温度、润滑油压力等参数进行实 时采集，对送风情况、电动机工作情况、润滑油系统和轴承工作状态等进行状态 监测。并在对送风机深入研究后，选取了9 种与送风机性能密切相关的状态参数 建立预测和诊断模型，这9 种参数分别为送风