（热能工程专业论文）人工智能在电厂厂级监控信息系统中的应用研究.pdf

东南人学硕i ：学位论文 摘要 随着科学技术的发展，火电设备趋向丁高参数、人容餐、复杂化，其安全经济运行对社会的影 响也越来越人，伴随着叱力体制改革的深入展开，各电厂必须把电力生产的安全性和经济性并重， 优化生产过样，s i s 系统的山现成为必然。由于火电厂总体结构和研究对象物理化学过科的复杂性， 目前s i s 系统各子系统功能模块的建模实现等方面的研究还存在许多不尽人意的地方。这些问题的 深入研究对促进s i s 系统在我国火电厂的应川发展有着重要的意义。 s i s 系统中的“凝汽器故障诊断”模块是保证机组安全经济运行的重要模块之一。本文深入研 究和总结了汽轮机组凝汽器故障机理，对凝汽器的典型故障，建立了凝汽器典型故障集、征兆集及 故障特钮f 向龉集合，提山了一种适州丁：凝汽器故障诊断的模糊b p 神经网络方法，并以实例验证了该 网络模礅识别故障的准确性。 s i s 系统中的“机组负荷优化分配”模块是保证机组经济运行的重要模块之一。本文分别选择 等微增率法币浮点遗传算法对该问题进行优化处理：根据两种算法的特点，对算法分别进行了改进： 最后通过实例验证，在适用性、运算时间以及运算结果等方面对两种算法进行了比较。 s i s 系统中的“机纽组合优化问题”模块是保证机组经济运行的另一个重要的模块。本文采用二 进制遗传算法解决该问题，并在编码方式、约束条什的处理、选择变异策略笛多方面针对该问题的 特点提了新的改进思想。实例表明，该方法收敛性好，适应性强，计算速度快，能够使计算的结 果更n 4 f 效地接近全局最优解。 关键词：入l ：错能：监控信息系统；模糊神经网络：凝汽器故障诊断；等微增率；遗传算法：机纽 负付优化分配：机纽组合优化 东南人学硕i ：学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , e q u i p m e n t so fp o w e rp l a n tb e c a m eh i g h p a r a m e t e r , g r e a tc a p a c i t ya n dc o m p l e x t h e i rs a f e t ya n de c o n o m i cr u n n i n gw i l lg r e a t l ya f f e c tt h es o c i e t y a c c o m p a n yw i t ht h er e f o r m a t i o no ft h ee l e c t r i cs y s t e m ，e a c hp o w e rp l a n tm u s ta t t a c hi m p o r t a n c et o s e c u r i t ya n de c o n o m y t h ea p p e a r a n c eo fs i s ( s u p e r v i s o r yi n f o r m a t i o ns y s t e m ) i sn e c e s s a r y b e c a u s et h e s t r u c t u r ea n dp r o c e d u r eo ft h ep h y s i c sa n dc h e m i s t r ya r ec o m p l e x , t h es u b s y s t e m so fs i sh a v em u c h d i s c o n t e n to nt h em o d u l e sb u i l d i n ga n dt h e i rr e a l i z a t i o n s t u d i e so nt h e s ep r o b l e m sc a l la c c e l e r a t et h e a p p l i c a t i o no fs i s t h em o d u l eo fc o n d e n s e rf a u l td i a g n o s i si sav e r yi m p o r t a n tp a r tt ot h es a f e t yr u n n i n go fp o w e rp l a n t t h r o u g ht h er e s e a r c ho nt h ef a u l tm e c h a n i s m ，t h et y p i c a lf a u l tc o n c o u r s e s ，s y m p t o mc o n c o u r s e sa n dt y p i c a l f a u l tf e a t u r ev e c t o r sa r es e tu pf o rt h et y p i c a lf a u l t so ft h ec o n d e n s e r , a n dam e t h o do ff u z z yb pn e u r a i n e t w o r k ( f n n ) i sb r o u g h tf o r w a r d ，w h i c hi sa p p l i e dt of a u l td i a g n o s i so fc o n d e n s e r s i t sa c c u r a c yf o r i d e n t i f y i n gf a u l ti sv e r i f i e d t h em o d u l eo fu n i tl o a do p t i m a id i s t r i b u t i o ni so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t st oe n s u r et h ee c o n o m i c r u n n i n go fp o w e rp l a n t t h ee q u a li n c r e m e n t a lp r i n c i p l ea n df l o a t i n gg e n e t i ca l g o r i t h ma r es e l e c t e df o r p r o c e s s i n gt h ep r o b l e ms e p a r a t e l y , a n da r ei m p r o v e da c c o r d i n gt ot h e i rc h a r a c t e r i s t i c s a ti a s t v e r i f i e d t h r o u g ha ne x a m p l e ac o m p a r i s o ni sm a d ei nt e r m so ft h ea d a p t a b i l i t y , o p e r a t i o nt i m ea n dt h er e s u l t s b e t w e e ne i p a n df g a t h eu n i tc o m m i t m e n to p t i m i z a t i o nm o d u l ei sa n o t h e ri m p o r t a n tp a r tt oe n s u r et h ee c o n o m i cr u n n i n g o fp o w e rp l a n t t od e a lw i t ht h ep r o b l e m b i n a r y e n c o d e dg e n e t i ca l g o r i t h m ( b g a ) i si n t r o d u c e di nt h i s t h e s i s 。a n dr e f i n e di nt h ec o d i n gm o d e 。t h et r e a t m e n ti nt h ec o n s t r a i n e dc o n d i t i o n s ，t h es t r a t e g yo fs e l e c t i o n ， c r o s sa n dm u t a t i o nw i t hr e s p e c tt ot h ef e a t u r eo ft h ep r o b l e m t h es i m u l a t i o ns h o w st h a tt h em e t h o dh a s g o o dc o n v e r g e n c e ，a d a p t a b i li t y , a n dr a p i dc a l c u l a t i o nc a p a c i t y a n di tc a na c h i e v eo p t i m a ls o l u t i o nc l o s et o w h o l eo p t i m i z a t i o n k e y w o r d s = a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ( a i ) ：s u p e r v i s o r yi n f o r m a t i o ns y s t e m ( s i s ) ；f u z z yn e u r a ln e t w o r k ( f n n ) ：c o n d e n s e rf a u l td i a g n o s i s ；e q u a li n c r e m e n t a lp r i n c i p l e ；g e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) ；u n i tl o a d o p t i m a ld i s t r i b u t i o n ；u n i tc o m m i t m e n to p t i m i z a t i o n n 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： 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：导师签名： 日期： 第一章绪论 第一章绪论 i 1 选题背景和意义 随着我闺电力企业市场化的改革，“厂网分开、竟价上网”的电力体制改革的深入展开，电力生 产企业将面临激烈的市场竞争，要求各电厂必须把电力生产的安全性和经济性并重，优化生产过程， 降低生产成本和设备损耗，提高电厂的现代化管理水平，以适应电力市场发展的需要，愈发要求在 档个电厂范1 ；i 内实现生产信息共享，真正做到管控一体化，提高电厂整体经济效益。这种情况使得 厂级临控信息系统( s u p e r v i s o r yi n f o r m a t i o ns y s t e m ，s i s ) 的出现成为必然，与s i s 系统相关 的各类问题已成为类热门研究课题。 对丁s i s 的确切定义、功能及其在i 乜厂自动化信息化系统中的地位，目前仍在积极探讨细化中， 但对丁s i s 的总体原则在业界已经有了基本的共识。s i s 可以包括很多的功能，例如：全厂生产过 稗监控、实时性能计算和优化指导、负荷经济分配、故障诊断、设备寿命监测和管理等2 川。 火电厂的生产运行过程对经济性的要求越来越高，对s i s 各类功能的实现提山了更高的要求。 但是，火电厂各研究对象具有复杂性，1 卜线性，各参数间的耦合性等特点，在建模上存在建模不准 确，共至难以建模的问题，而传统的解决方法在这个时候就往往会显得无能为力。例如：凝汽器的 结构比较复杂，凝汽器故障原冈多样，如果采用传统的基丁二规则知识的专家系统进行表达和推理的 话，容易现诸如“匹配冲突”，“组合爆炸”以及“无穷递归”等问题1 ：再例如，传统的优化方 法如卜降算法、牛顿法、共轭方向算法矛变尺度算法等都属丁确定性优化算法，能够解决凸性函数 求极值的优化问题，而火电厂实际优化问题如：机组负荷优化分配问题，机组启停计划问题等问题 相当复杂。日标函数存在多个极值点，且不一定满足凸性函数的要求，甚至不连续、不可微，对于 这类问题传统的优化算法也难以圆满解决1 。 基丁此，目前以神经网络、进化类优化算法为代表的人j f ：智能在各领域应用研究的迅速发展为 火电厂s i s 系统建模提供了新的建模思想，开辟了一条新的可行的途径。神经网络中b p 三层网络模 硝具有良女，的1 卜线性映射能力，模式分类能力，遗传算法具有优秀的全局优化搜寻功能，以及在各 人i ：智能方法的相q 配合卜可充分利用火电厂d c s 系统及其他现有系统丰富的数据资源，具有传统 建模方法所没有的针对性强、通川性好的特点，为s i s 系统并功能模块建立通刖、精确、可靠的模 利。同时针对s i s 系统中人簧复杂的优化问题，人1 ：智能的优化方法( 如遗传算法) 也具有传统优化 算法所没有的优点，人i ：智能在s i s 系统中的应用研究具有重要的意义和j “阔的前景1 1 1 - 2 国内外研究概述 1 2 1s i s 系统研究发展动态 两方发达国家在屯厂信息化方面比国内起步要甲，取得的效果也较明显，包括以商业运营为中 心开发的软什支持系统，以提高操作员运行效率为目标的操作信息系统，采用专家系统知识和i 智能 控制理论开发的信息管理系统，以及决策支持系统。但由于电厂j i ：艺流程系统1 卜常复杂，实施信息 化集成难度高，尽管已开发的信息系统各具特点，但对全厂进行一体化信息集成却没有成熟的模式。 为了提高电厂的整体管理水平和运行效率，增强电厂的市场竞争力，国外各著名控制系统公司纷纷 往实时控制的基础上不断向管理层面深入，试图能成功开发出集管理与控制丁一体的电厂信息集成 系统，并取得了一定的成果，初步获得了一体化的经验”。 国内在火电厂s i s 系统研究应刚方面目前还处于起步阶段，但在s i s 子功能系统及为s i s 系统 并功能模块实现方面做了不少有益的前导性i ：作，自2 01 i = 纪8 0 年代中期，我国开始了电站性能往 线监测问题的研究，如东南人学、武汉人学、华北电力人学、清华人学等高校及一些科研院所先后 开始了这方i 丘i 的l ：作1 1 8 , 1 7 并开发了一些不错的火电厂机组性能监测和优化运行软4 - i ：。随着d c s 系 统平i im i s 系统在我国的推j “和将遍应川，一些研究机构和学者逐渐意识剑发展s i s 系统的必要性和 必然性，井对s i s 系统的构架及网络实现进1 7 t 初步的理论探讨和摸索着进行：i ：程实践，做了一些 有益的。i ：作。 然而，由丁火电厂总体结构和研究对象物理化学过程的复杂性，目前s i s 系统框架系统研究和 各子系统功能模块的建模实现等方面的研究还存在许多不尽人意的地方。如s i s 系统的概念以及目 标功能定化目前存在争议，各基础功能模块模型、优化模型的建模准确性及针对性方面仍有不少问 题。随着这些问题的深入研究，以及国内外对人j i ：智能研究的进展及其在电厂中的庇用，对s i s 系 东南人学硕i ：学位论文 统相：我国火电厂的应川发展，对s i s 系统为我国火电厂实现：1 ，能、安全经济运行发挥其应有的作川 具有重要的意义。 目前国内外已开发了多种人i ：稽能i ：具，包括：专家系统、人：r 神经网络、模糊集、遗传网络 中，井在电力系统中有了j “泛的麻川利研究1 ”。针对电厂s i s 中某一功能模块的特点，可选择某种 人i ：智能方法单独或组合使川，可以很好的实现模块的功能。 1 2 2 模糊神经网络的发展及其在电厂中的应用与现状 人i ：神经网络9 2 ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a n n ) ，是对入脑神经系统的数学模拟，其目 的足 7 - - j 和模仿人腩的信息处理方式。从上世纪4 0 年代到今天，人类对神经网络的研究走过了半个 世纪的历程。这期间神经网络的研究经历坎坷，经历过高潮到低潮，低潮义剑高潮的过程。 上世纪4 0 年代w m c c u l l o c h 和w p i t s 提出的m p 模型拉开了神经网络研究的序幕，此后提出了 一些有影响的神经网络模刑和学习方法，但1 9 6 9 年剑1 9 8 2 年出现了一个低谷，1 9 8 2 年j o h nh o p f i e l d 的研究再次唤起了人们对神经网络的兴趣，1 9 8 4 年，h i l t o n 教授提 j jb 0 1 t z m a n n 机模刑，1 9 8 6 年 r u m e l h a r t 等人提出误差反向传播神经网络，简称b p 网络。目前，b p 网络已成为j “泛使用的网络。 1 9 8 7 年至今为发展期，在此期间，神经网络受剑国际重视，各个国家都展开研究，形成神经网络发 展的另一个高潮。神经网络具有以下优点： 1 )可以充分逼近任意复杂的1 f 线性关系； 2 ) 具彳很强的鲁棒性和容错性，冈为信息是分布贮丁网络内的神经元中； 3 )并行处理方法，使得计算快速； 4 )可以处理不确定或不知道的系统，冈神经网络具有自学习和白适应能力； 5 )具有很强的信息综合能力，能同时处理定苗和定性的信息，能很好地协调多种输入信息关 系，适川丁多信息融合和多媒体技术。 神经网络与模糊逻辑的结合始于1 9 8 8 年，它们的结合是发展的必然，冈为二者优劣互补。神经 网络的优点是具有很强的自学习能力，而模糊逻辑则k 丁处理显式逻辑问题。所谓模糊神经网络 ( f u z z yn e u r a ln e t w o r k ，f n n ) 就是神经网络平模糊逻辑相结合的产物，它是一种新型的神经网络， 既具仃联想、学习、自适应性，义能进行模糊推理。从结构上讲，模糊神经网络( f n n ) 就是由两个或 两个以上模糊神经元相互连接而形成的网络2 ”。 模糊b p 网络在火力发电设备故障诊断中的人量应用，是技术发展的必然结果。随着火电厂日益 向高参数、人容缱方向发展，其复杂稃度愈米愈高。要想把设备系统进行精确化描述是很难的，甚 至足不町能的。而模糊逻辑往处理这种不能精确化的复杂人系统中具有简沽有力等特点，能进行模 糊摊理。神经网络具有j 竹j ：结构、分布式存储和处理、自学习能力、自适应、容错性较强笛特点， 北常适合处理需要同时考虑许多冈素和条什的、不精确的和模糊的问题。如果单独采川模糊逻辑和 神经网络，那么它们各自有闩己的弱点。如果把它们结合起来进行优势互补，组成模糊神经网络系 统，则系统将既典有很强的自学习能力，也善于处理显示逻辑问题；既具有学习、联想、自适应， 义能进 j - 模糊推理；既能拥有模糊逻辑的模仿人脑的逻辑思维功能，具有较强的结构性知识表达能 力，义能拥彳了神经网络的模仿人脑神经元的功能，具有强人的自学习能力和数据的直接处理能力。 | 人i 此模糊神绛网络在故障诊断中越米越受剑极人的重视，并且也有很多的应用。 1 2 3 遗传算法的发展及其在电厂中的应用与现状 遗传算法n 62 8 1 ( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) 起源丁对生物系统所进行的计算机模拟研究。早在上 世纪4 0 年代，就有学者开始研究如何利用计算机进行生物模拟的技术，他们从生物学的角度进行了 ，卜物的进化过科模拟、遗传过科模拟筲研究l ：作。进入6 0 年代，美国密执安人学的h o l l a n d 教授及 其学生们受剑这种生物模拟技术的启发，创造出了一种基丁生物遗传和进化机制的适合于复杂系统 优化计算的闩适应概率优化技术遗传算法。 遗传算法是复杂系统的一种模拟和优化1 ：具，提供了一种求解复杂系统优化问题的通h j 框架， 它不依赖丁问题的具体领域，对问题的种类行很强的鲁棒性。所以被j “泛应川于很多学科。目前， 遗传算法已经和：数。学函数优化、机器学习、模式聚类、参数估计、机械制造、火规模集成电路设计 等领域取得了一m 常成功的廊刖。遗传算法也j 泛的应川于电力系统，如电力系统经济运行、电网规 划、故障诊断、电力系统控制器的优化设计等方面。 2 第一章绪论 对丁厂级机组组合优化问题就是，在计划周期中，确定各台机组在再个时段的肩停计划，并在 每个时段对运行的机组进行负荷分配，以保证全厂的总煤耗最少。机组组合问题的优化方法，从1 9 5 9 年c 7 b a l a d w i n 等学者第一次明确提山来之后，国内外已经取得了不少研究成果 2 9 1 0 但是基丁传 统优化理论的方法台：处理该类问题时总存在些问题，如难以找到全局最优解，只能找到局部最优 解或次优解：计算昔过人，山现“维数火”等现象，使计算时问过长，难以实现在线优化等。 遗传算法是目前在各l ：稃领域j 泛应朋的一种非数值计算优化方法，这种方法对所求解的问题 的数学模犁无任何要求，只要求所求解的问题是可计算的即可，非常适合于求解复杂i ：科问题。遗 传算法的突山优点在r 可以同时搜索空间的许多点，而不仅仅是一个点，这使得此法能找到近乎全 局最优解。遗传算法在求解人规模，即多机组、多时段问题时。往往存在计算量人、收敛慢或凼难 等问题。但遗传算法义是一种开放式算法，可以根据所求解的具体问题构造算法的实际流程，也可 以方便地与其它方法综合形成比单一法性能更好地优化算法。 1 3 本文的主要内容 由丁- 火电厂总体结构和研究对象物理化学过程的复杂性，目前s i s 系统各子系统功能模块的建 模实现等方面的研究还存在许多不尽如人意的地方。这些问题的深入研究对促进s i s 系统在我国火 电厂的a z t j 发展有着重要的意义。 s i s 系统中的“凝汽器故障诊断”模块，就是根据凝汽器各相关运行参数的变化，及时准确的 发现凝汽器的各类故障，此模块对丁保证火电厂的安全运行有着重要的意义：s i s 系统中的“机组 间负荷优化分配” d 题的实质就是在满足当前负荷需求总量和机组运行约束的前提下，合理分配各 运j r 机组的负荷，使发电成本撮小，此模块是保i 止火电厂经济运行的重要模块之一；s i s 系统中的 “机宝i 组合优化”问题的实质就是在满足计划周期内各时段负荷需求总昔和机组运行各约束的前提 卜，确定机2 f l 启停计划，使发电成本最小，此模块也是保证火电厂经济运行的重要模块之一。所以 本文研究的土要内容是： 1 )基 ：模糊神经网络的凝汽器故障诊断 深入研究和总结了汽轮机组凝汽器故障机理，结合有关理论知识、专家知识分析凝汽器的故障 与征兆之问的关系，采用模糊隶属度函数建立知识库：采用b p 神经网络对该知识库进行学习，并采 川弹性b i 】算法对该b p 网络进行改进，克服了b p 网络收敛慢的问题，使该网络更适合h j 于故障诊断。 2 )机组负荷优化分配的应川研究 建讧机缃间负荷分配数学模型，分析了负荷分配各种算法优缺点，分别选择等微增率法和遗传 算法进行负荷分配。 首先采川历史数据确定机组煤耗特性曲线，并使熠实时数据对曲线进行修正，以使曲线满足实 时要求；在等微增率法中，采川加权约束最小二乘的方法拟合煤耗特性曲线，使煤耗特性曲线单调 凸增，满足等微增率法要求：住遗传算法中，采川浮点编码方式，并使刚解约- 束智能编码方法、惩 罚函数米处理约束，以及对遗传过稗进行改进，提高遗传算法收敛速度，有效的避免了局部收敛； 最后从算法的适应性、运算结果和返算时间上对等微增率法和遗传算法进行比较，井得山结论。 3 )基丁遗传算法的机组组合优化 建。叽组组合分配数学模型；针对机组组合问题，采用遗传算法进行优化，并对遗传算法进行 改进：采川合理的编码方式、可行性检夯、罚函数等方法处理各约束条件，使算法在处理约束上所 花费的时间人人缩短；采川考虑种群适应度的方法确定交义率和变异率，使交义率利变异率的选定 更加合理有效：采川无同放随机选择方法，保证遗传算法的收敛性。 3 东南人学硕i ：学位论文 参考文献 【l 】 侯子良中国火电厂自动化发展趋势及对策 j 中国电力1 9 9 9 ，3 2 ( 1 0 ) ：3 2 3 6 【2 】 黄孝彬，牛玉j “，曾德良，侯子良s i s 规划、建设、应用中的关键点分析 j 中国电力， 2 0 0 6 ，4 0 ( 6 ) ：7 4 7 7 【3 】 曹文亮，高建强，千兵树，等电厂厂级监控信息系统现状及发展前景 j 中国电 力，2 0 0 2 ，3 5 ( 9 ) ：5 9 - 6 2 1 4 1 贾淑沽凝汽器及其相关设备的故障诊断 d ： 硕十学位论文 哈尔滨：哈尔滨一j ：程大学， 2 0 0 4 【5 】 李尉，刘长尔，盛德t ：，等基于免疫算法的机组负荷优化分配研究 j 中国电机1 ：程学 报，2 0 0 4 ，2 4 ( 7 ) ：2 4 1 2 4 5 6 1 邢文训，谢金屎现代优化计算方法 m 北京：清华人学出版社，2 0 0 6 【7 】 唐焕文，秦学忠实用最优化方法 m 人连：大连理【大学出版社，2 0 0 4 【8 1 冈i 明盛，罗长童最优化原理、方法及求解软件 m 北京：科学出版社，2 0 0 6 1 9 1 李元科1 ：样最优化设计 m 北京：清华人学山版社，2 0 0 6 【1 0 】 - j | 永生计算智能：理论、技术与应用 m 北京：科学出版社，2 0 0 4 【1 1 】 许继刚国外电厂管理控制一体化系统的最新发展 j 热一j ：自动化信息，2 0 0 0 ( 4 ) ：8 1 2 【1 2 】a b ba u t o m a t i o nu t i l i t y o p t i m a xs y s t e mo v e r v i e w 1 9 9 9 【l3 】s i e m e n sc o s i e n e r g y s o l u t i o n sf o rk n o w l e d g e b a s e dp o w e rp l a n tm a n a g e m e n t 1 9 9 9 【1 4 】 r o b e nu w e o p e r a t i o nm a n a g e m e n ta l w a y so nt r a c k s i e m e n sp o w e rj o u r n a l ，1 9 9 8 ，2 ： 2 7 3 0 【1 5 】l l o n e y w e l li n c h o n e y w e l lp o w e ra n de n e r g y 1 9 9 9 【1 6 】 干明春，林中达国产1 2 5 m w 机组在线运行能损分析 j 电力自动化设备，1 9 9 6 ( 1 ) ：2 7 - - 2 9 【1 7 】 干培红，陈强，董筛华，等数据挖掘及其在电厂s i s 中的应用 j 电力系统自动化，2 0 0 4 ， 2 8 ( 8 ) ：7 6 7 9 【1 8 】 孙竹梅，张丽香人：l ：智能技术在国内电厂中的廊川研究 j 电力学报，2 0 0 5 ，2 ( 2 ) ，1 0 7 - 1 1 1 【1 9 】张青贵人j i ：神经网络导论 m 北京：中国水利水电出版社，2 0 0 4 【2 0 】魏海坤神经网络结构设计的理论与方法 m 北京：国防i ：业出版社，2 0 0 5 【2 l 】田景文。高美娟人：j ：神经网络算法研究及应h j m 北京：北京理j i ：大学出版社， 2 0 0 6 ，1 3 2 1 7 8 【2 2 】高隽人j l ：神经网络原理及仿真实例 m 北京：机械j l ：业出版社，2 0 0 7 【2 3 】李晓忠，汀培庄，罗承忠模糊神经网络 m 贵【；l i ：贵州科技出版社，1 9 9 4 2 4 】刘增良，刘有才模糊逻辑与神经网络 m 北京：北京航空航天大学出版社，1 9 9 6 【2 5 】刘增良模糊技术与神经网络技术选编 m 北京：北京航空航天人学出版社，2 0 0 1 【2 6 周明，孙树栋遗传算法原理及应刖 m 北京：国防i ：业出版社，1 9 9 9 2 7 】 雷英杰，张善文，李续武，等m a t l a b 遗传算法j i ：具箱及应t i j m 西安：两安电子科技火学 出版社，2 0 0 5 2 8 】 干四春遗传程序设计技术及虑刚研究 m 长沙：中南人学山版丰七，2 0 0 6 2 9 1 陈皓勇，于锡凡机纽组合问题的优化综述 j 电力系统自动化，1 9 9 2 ，2 3 ( 4 ) ：5 1 5 6 ：2 3 ( 5 ) ： 5 1 5 6 4 第_ 二章壮。j 二模糊神经网络的凝汽器故障诊断 第二章基于模糊神经网络的凝汽器故障诊断 火电厂对安全运行直有着很高的要求，s i s 系统的主要功能之一就是对火电厂各主要设备进 行故障诊断，如凝汽器故障诊断、同热系统故障诊断等。这些问题往往具有复杂性、模糊性及随机 性筲特点，以至丁很雉j j 精确的数学公式表达。对这类问题如果采川传统的基丁：规则知识的专家系 统进行表达和推理的话，容易【j ；现诸如“匹配冲突”，“组合爆炸”以及“无穷递归”等问题。凝汽 器故障诊断就是其中的一个典型例子。 凝汽器是凝汽式汽轮机装置的重要辅助设备，并且也是凝汽式汽轮机的一个薄弱环节，它直接 关系剑机组的运行安全性和热经济性。 在汽轮机组凝汽器运行状态 l j 现劣化甚至发生故障的前期，通常表现为一些热力参数的状态发 生变化，也就是当一些热力参数偏离了正常。i ：作的范围时，很可能就是设备运行出现了劣化共至故 障。凝汽器故障诊断系统的准确性首先就要求该系统的劣化、故障知识库的准确程度和完整程度。 本章将根据热力学基本原理和凝汽器设备本身的结构以及运行特点，结合现场专家的经验知识，对 设备进jj 深入研究，分析故障产生的机理、原冈，得出热力参数和故障之间的对廊关系，建立领域 专家失l l i , q 库：然后采川模糊隶属函数米表示难以准确描述的领域专家知识，采川改进b p 网络进行学 习和推理，使诊断结果具有较高的可靠性。 2 1 凝汽器简介 2 1 - 1 凝汽器工作过程n 1 汽轮机的凝汽设备是凝汽式汽轮机装置的重要组成部分，在热力循环中起着冷源的作用。凝汽 设嵛通常由凝汽器、循环水泵、凝结水泵、抽气设备以及联接管道等组成，它的原则性系统幽如图 2 1 所示。凝汽改稀必须完成的基本任务是使汽轮机排汽凝结成水，同收沽净的凝结水作为锅炉的 给水，f ：在汽轮机排汽口建立了f ：保持所需要的真空。对r 现代人型凝汽设备，除了凝结主汽轮机排 汽以外，往往还要凝结给水泵驱动汽轮机的排汽和汽轮机的旁路排汽，并对进入凝汽器的各种疏水 利补充水进行减温减压或加热除氧。为了提高汽轮机装置的经济性，对凝汽设备的运行提出了如下 越米越高的要求： 维持最佳真空( 经济真空) ： 较小的凝结水过冷度和凝汽器端著； 较女r 的凝汽器严密性： 保证凝结水，u i 质( 含氧量、含盐鼙等) 合格； 保证设备运行安全可靠。 其【 | 最十要的是凝汽器的真空状况。凝汽器的真空状况不但影响机组运行的经济性，往往还限 制机绷的出力。例如：2 0 0 m w 汽轮机组当其他运行条件不变时，当真空由9 6 k p a 降低剑9 3 k p a ， 则煤耗要增加1 2 5 4 9 m 腑。由此看出，凝汽器真空恶化是影响机纽经济性的重要闪素之一1 。 凝汽器有很多种类，就蒸汽动力装置的j 泛意义而言，作为凝结蒸汽、同收凝结水、建立与维 持一定真空度的凝汽器，可按其配置对象分为蒸气机凝汽器和汽轮机凝汽器，主凝汽器( 配置丁二主 机) 和辅凝汽器( 配置丁辅机) ，州定式( 电站) 凝汽器_ 手i l 运输式( 船舶、机车) 凝汽器；按电站汽 轮机功率人小的概念，可相应的分为人型、中型、小型凝汽器：按蒸汽凝结的方式，可分为混合式 凝汽器和表面式凝汽器。 电站凝汽器仅限- j ：采刚表面式凝汽器，其中冷却介质与蒸汽被冷却表而隔开，互不接触，以保 证得剑适川- 锅炉或蒸汽发生器给水的沽净的凝结水。j 1 j 空气做冷却介质的凝汽器专门称之为空气 凝汽器，它适用丁：缺乏冷却水源的中、小型电站，本文所进行故障诊断的凝汽器为州水做冷却介质 的表面式凝汽器。 要研究凝汽器真空恶化及其征兆之间的关系，首先要对凝汽设备进行研究。从图2 1 可以看到， 汽轮4 j l 4 i p 汽进入凝汽器，其热量被由循环水泵打入凝汽器冷却管中的冷却水带走，闪此排汽不断凝 结成水并流入凝汽器底部热井，然后由凝结水泵送往低压加热器。抽气器不断将凝汽器内的空气抽 出以保持其真宅。显然，凝汽器的真空状态与冷却水、抽气器以及它本身1 ：作状态有关，其形成是 由丁凝汽器内蒸汽平凝结水汽液两相之间存在一个平衡压力，蒸汽凝结时的温度越低，凝汽器内的 5 东南人学硕l ：学位论文 绝对压力越低，从而凝汽器的真空度越高。 一一一一凝络水 薰汽 冷却水一一纛汽空气混食物 图2 1 凝汽设备的原则性系统图3 1 凝汽器是一种l 州定管板管壳式直管换热器。凝汽器中蒸汽和冷却水的温度沿冷却水表面分布情 况如图2 - 2 所示。 t t 图2 - 2 凝汽器中蒸汽和冷却水温度的分布 各符号的意义如下： t 。：排汽温度，； ，。l ：冷却水进口温度，： 6 第二审艇十模糊神经网络的凝汽器故障诊断 ，们：冷却水进山口温度，： 6 r ：凝汽器传热端差，： ，：冷却水温升，。 图2 - 2 中两条曲线，上面的曲线表示凝汽器内蒸汽凝结温度r 。的变化，可以看出，f 。在主凝结 区内沿着冷却面积基本不变，只是在空气冷却区，由于蒸汽已人量凝结，蒸汽中的空气相对含量增 加，使蒸汽分压力见明显低丁凝汽器压力p c ，这时p ，相对应的饱和蒸汽温度将明显下降。图中下 面的曲线表示冷却水从进口到山口沿着冷却面积的变化，冷却水在吸热过程中，从进口温度f 。升到 ，们，其温升a t = f 。2 0 i 。冷却水的进水侧温度上升要比出水侧温度上升快，这是冈为进水侧温度 较低，与蒸汽的传热温筹较人，单位传热的热负荷较大的缘故。蒸汽凝结温度，与冷却水山口温度r 。2 之芹为凝汽器的传热端著6 f 。 由图2 2 可知： = t 。i + 出。+ 6 f ( 2 1 ) 汽轮机排汽压力与饱和温度f 。相对应，冈此由上式可以看出影响凝汽器真空的主要冈索是端差 人( 传热面污染、空气严密性差) 和循环水温升人( 循环水餐不足) 。 根据热平衡方程： q = 1 0 0 0 d 。( 一啊) = 1 0 0 0 d ( 九2 一九i ) = 4 1 8 7 巩f 。 ( 2 2 ) 式1 1 1 ，q ：凝汽器传热量，彬h ： d 巩：进入凝汽器的蒸汽量与冷却水耸，t h ； 玫，反：凝汽器中的蒸汽比焓和凝结水比焓，k j 姆； 九2 ，丸一冷却水流出利进入凝汽器的比焓，u 堙。 由式( 2 2 ) 得： 饥= 赫= 糕 ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中，m = 巩皿，称为凝汽器的冷却倍率或循环倍率，它表明冷却水譬是被凝结蒸 汽鼙的多少倍。m 越人，。越小，真空越高。但m 越火时，循环水泵及电动机容餐越人，循环水 管越粗，末级叶片冈排汽比容增人而增长，电站投资增加，冈此设计时恰当的肌值应在汽轮机组的 “冷端最佳参数选择”任务中决定。一般m 值在5 0 1 2 0 之间。 由传热方科等公式推导可求得凝汽器的传热端著6 ，： a ， 所= ( 2 4 ) ! ! e 4 1 8 7 一1 式中，彳：整个换热面积，其值在运行时是一定的； k ：总体传热系数。国内通常采川前苏联全苏热_ j ：研究所根据人量试验与理论分析提出 的计算公式1 ： k = 4 0 7 0 f l c 卢，p 。屈卢：卢。 w ( m 2 1 k ) 】 ( 2 5 ) 式中，卢清沽系数： 卢。：冷却管材料级肇厚修正系数： 卢。：冷却水流速及管径修正系数： 7 东南人学颂i ：学位论义 卢：冷却水温修正系数： 口，：冷却水流程数修正系数； 卢。：凝汽器蒸汽负荷修正系数。 这些系数具体选值方法，可参见文献4 。 2 1 2 凝汽器故障机理研究 影响凝汽器真空的冈素，主要有凝汽器特性、凝汽器热负荷、凝汽器内空气分压力、凝汽器的 清沾度、循环水水质、循环水流姑、循环水温度等。这些冈素与设备的设计制造、系统布置、运行 维护硐l 环境条f i ，i ：筲有关。引起凝汽器真空恶化的原冈很多，无论足循环水泵、凝结水泵、抽气设备 或是真空系统等f l j 现故障，都会造成真空的恶化。由f 汽机排汽在凝汽器里的凝结过程基本上是等 乐过程，蒸汽绝对压力值取决丁蒸汽凝结时的饱和温度。 在分析了影响汽机排汽温度的各种冈素和有关专家知识后，总结出导致真空恶化的主要故障原 冈如卜： 循环水泵严重故障： 凝结水泵j i ：作不正常； 凝汽器满水： 真空系统管路破裂致使空气严重泄漏； 凝汽器山口水室存有空气或凝汽器冷却管板脏污； 冷却管山u 闸门未全开或i i j 口管道堵塞； 真空系统不严密空气轻微漏入： 凝汽器冷却管破裂致使循环水内漏： 凝汽器冷却管堵塞； 凝汽器冷却管脏污： 低加铜管破裂： 后轴封供汽中断或轴封供汽压力太低： 抽气器i ：作不正常。 对丁其中常见的故障进行分析1 ： 1 )循环水泵严重故障 循环水泵是汽轮机组的重要辅机，是保证循环冷却水正常i ：作的设备。循环水泵出现故障，失 去循环水，凝汽器内无冷却介质存在，汽轮机的排汽无法被冷却，凝汽器内的压力急剧增加，真空 急剧人幅度卜降，凝汽器内的温度也越米越高，抽气器抽山的汽气混合物的温度与循环冷却水的温 度之差升高。这h 于循环水泵的l 乜机电流降剑零，进出口压差也降剑零。所以在运行过程中，一定要 密切注视循环水泵的i ：作状态，防j ：此类事故发生。 2 )凝结水泵。l ：作不正常 凝结水泵是将士凝结水加压，以足够的压力顺利地经过低压加热器，然后进入除氧器，如果凝 结水泵i ：作异常，凝结水泵山口压力降低，其电机电流减小，并且凝结水的流量减少，凝汽器内的 凝结水逐渐增多，使得凝汽器的水何升高，这时凝汽器的真空度降低，传热端筹及凝汽器的过冷度 都会相应的升高。 3 ) 凝汽器满水 凝汽器满水致使凝汽器内汽空间减小，凝汽器内乐力升高，这样就意味着凝汽器的真空度降低。 同时使凝结放热而积减小，凝结放热姑减小，冷却水吸热减小，冷却水温升减小，冷却水出口水温 度降低，排汽温度升高，传热端著必然增加。凝汽器内压力升高，压力对廊的饱和水温度升高，而 且凝汽器水位过高会使凝汽器卜面部分冷却管淹没，冈此冷却水会带走凝结水的部分热照，使凝结 水产生过冷，丁是使得凝汽器的过冷度增加。另外凝汽器满水使凝结水泵的负荷加人，凝结水泵出 口压力将增加，水泵的电机电流增加。 8 第 二章皋f 模糊神经网络的凝汽器故障诊断 4 ) 凝汽器内空气越人 凝汽器的争气来源有两个：一是由新蒸汽带入汽轮机的，由丁锅炉给水经过除氧，这项来源极 少；二足处丁真空状态卜的低压各级与相应的同热系统、排汽缸、凝汽设备等的不严密处漏入的， 这是窄气的来源。宅气严密性正常时，进入凝汽器的空气量不到蒸汽鼙的万分之一，虽然很少，但 危害很人。这t 要是冈为空气阻甜蒸汽放热，使传热系数减小，凝汽器端筹增火，从而使真空下降。 空气的第二人危害是使凝结水过冷度增人，凝结水过冷度增人导致经济性下降。 5 )凝汽器冷却管破裂 由丁凝汽器冷却管的1 ：作环境比较复杂、恶劣，所以经常会发生泄漏或者破裂，循环冷却水便 会经过破裂处漏入凝汽器内，使凝结水质不能达标。对丁高压机组的凝结水的标准是：硬度小于 5 p p b ，含氧鼙小丁0 0 3 p p m ，p h 值人于7 。循环冷却水进入凝结水中，冷却水的电导率是凝结水 电导率的1 0 0 倍，所以会引起凝结水含钠量、电导率升高，严重时硬度超标，含氧量及二氧化硅也 将升高。由丁凝汽器冷却管破裂，冷却水流鼍见，减小，冷却水的温升增加，即冷却水的出口温度升 高。但是，冷却水的流域减小，冷却水带走的热量减少，冈而汽轮机的排汽的凝结放热量减少。同 时，冷却水进入凝汽器，使得凝汽器的过冷皮增加，凝汽器的真空度降低。 6 )低加铜管破裂 低加铜锊破裂，低压加热器的水位很快会升高。低压加热器的疏水导入凝汽器，所以对凝汽器 的i ：作有一定的影响。低加铜管破裂使得进入凝汽器的疏水焓降低，使凝结水过冷，过冷度的变化 也必然引起凝汽器内的压力发生变化。水位升高使凝结水泵的负荷增加，凝结水泵电机电流增人， 凝结水泵的出口压力也增加。 7 )凝汽器冷却管脏污 一般来说，在运行过程中由丁冷却水比较脏，凝汽器的冷却管内表面经常由于泥砂和杂物的沉 淀以及水生物的附着使传热效率降低，影响汽轮机组的热经济性；另一方面这些沉积物和附着物还 会引起冷却管的腐蚀。冷却管的脏污袢度一股刖清沽系数米表示，但是运行中朱必能保证其值在设 计值附近，凝汽器冷却管脏污，必然会使凝汽器的传热系数减小，同时铜管脏污产生污垢会使管径 变化。而且，随着清沽系数的降低，凝汽器压力将会升高，并且凝汽