（计算机应用技术专业论文）电站新建机组启动调试专家系统的研究与开发.pdf

电站新建机组启动调试专家系统的研究与开发 指导教师签字：撤艇 摘要 本文详细分析了故障诊断专家系统的研究现状及发展趋势，论述了锅炉及附属设备故 障诊断的重要意义。在研究传统专家系统的基础上将神经网络技术引入电站锅炉及附属设 备故障诊断中，阐述了基于神经网络的专家系统的总体构架，b p 神经网络的训练方法、 推理机制及实现方法，重点分析了神经网络专家系统的功能需求，实现了设备基本信息管 理模块、故障信息输入模块、故障信息管理模块、知识获取模块、神经网络故障诊断模块、 解释模块六个主要功能模块的软件设计。系统设计的目的主要在于帮助机组调试人员、机 组运行人员以及维修人员在故障发生时迅速、准确地找到并排除故障，提高工作效率，缩 短电站机组建设周期。 通过对人工神经网络( a n n ) 的深入研究，以锅炉汽包水位故障为例，在采集了充 分的故障数据后，结合典型的故障经验数据，对网络进行训练，进行了故障诊断的仿真试 验。并和实际故障数据对比，以此验证了各故障样本均能有效收敛于设定的误差值。网络 具有一定泛化能力，该故障诊断专家系统具有一定实用性。 关键字：故障诊断；专家系统；神经网络：b p 算法；汽包水位 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fs t a r t i n ga n dd e b u g g i n ge x p e r t s y s t e mi nan e w l y - - b u i l tp o w e r s t a t i o n d i s c i p l i n e ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： a b s t r a c t t h ee s s a ya n a l y z e dp r e s e n ts i t u a t i o na n da d v a n c e m e n to fg r o w t ho ne x p e r ts y s t e mo ff a u l t d i a g n o s i sf o rb o i l e ra n ds y s t e m a t i c a l l yd i s c u s s e dt h es i g n i f i c a n tm e a n i n go ff a u l td i a g n o s i sf o r b o i l e ra n df i x t u r ei nt h i sp a p e r o nt h eb a s eo fs t u d y i n gt r a d i t i o n a le x p e r ts y s t e m ，t h i sp a p e r d i s c u s s e dt h eo v e r a l ls t r u c t u r eb a s e do ne x p e r ts y s t e mo fn e u r a ln e t w o r k , t h et r a i n i n gw a y , r e a s o n i n gm e c h a n i s m ，a n di m p l e m e n tm e t h o do fb pn e u r a ln e t w o r k i na d d i t i o n , t h i sp a p e r e m p h a t i c a l l ya n a l y z e dt h ef u n c t i o n a ln e e do fn e u r a ln e t w o r ke x p e r ts y s t e ma n dr e a l i z e dt h e s o f t w a r ed e s i g no fb o i l e ri n f o r m a t i o nm a n a g em o d u l e 、d e f a u l ti n f o r m a t i o ni n p u tm o d u l e 、 d e f a u l ti n f o r m a t i o nm a n a g em o d u l e 、k n o w l e d g ea c q u i s i t i o nm o d u l e 、n e u r a ln e t w o r kd e f a u l t d i a g n o s i sm o d u l e 、e x p l a n a t i o nm o d u l e t h ea i mo ft h es y s t e mi st oh e l po p e r a t o r s ，d e b u g g i n g p e r s o n n e lo rs e r v i c e m a nf i n dm a l f u n c t i o nr a p i d l ya n de x a c t l yw h e nt h em a l f u n c t i o na p p e a r e d i tc o u l de n h a n c ew o r ke f f i c i e n c ya n dc u td o w nc o n s t r u c t i o np e r i o do fb u i l d i n gt h ep o w e r s t a t i o n a c c o r d i n gt h ef u r t h e rs t u d yo f a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) ，t a k i n gt h ef a u l to fd r u m l e v e lo fb o i l e r 勰a ne x a m p l e ，t h i sp a p e ra l s oc a r r i e do u ts i m u l a t i o ne x p e r i m e n to nf a u l t d i a g n o s e st h r o u g ht r a i n i n gn e u r a ln e t w o r k 、耐t 1 1t y p i c a lf a u l td a t aa f t e ra b u n d a n td a t ac o l l e c t i n g m o r e o v e r , t h i si d e n t i f i e dd i f f e r e n te ir o rs a m p l e sc a nc o n v e r g et og i v e ne r r o ra m o u n te f f e c t u a l l y t h r o u g ht h ec o m p a r i s o nw i t l lp h y s i c a lf a u l t a s t h en e th a v et h ea b i l i t yo fg e n e r a l i z a t i o ni n ac e r t a i ne x t e n t , t h ee x p e r ts y s t e mo ff a u l td i a g n o s i si sp r a c t i c a b l ea n de f f e c t i v e k e yw o r d s ：f a u l td i a g n o s i s ；e x p e r ts y s t e m ；n e u r a ln e t w o r k ；b pa l g o r i t h m ；d r u ml e v e l - ) z y 圳融 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。大学有权保留送交的 学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：慰鬃 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，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，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。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致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：云厶袅 指剥币躲彩k 日期： w f 钥沂目 5 7 1 绪论 1 1 选题意义 1 绪论 电站启动调试是将安装好的机组在单体、分系统、整套试运等阶段，经过试验、调整、 试运行等过程，验证其设计功能，发现其设计、制造、安装过程中的缺陷，并处理这些缺 陷，以使机组能够安全、稳定运行的过程。电站的启动调试阶段是电站建设的重要环节。 电站启动调试工作的好坏与调试经验的积累有很大关系，一些看似棘手的问题，如果 有现成的经验借鉴，就会很快得以解决。调试工作的标准化对于调试工作的执行有很大的 好处，一些新走上工作岗位的调试人员如果有标准化的工作程序作指导，也会很快适应新 的工作。启动调试阶段也是电站建设过程中各种缺陷的暴露阶段，这些缺陷能否迅速的正 确处理，对于电站能否及时投入生产关系重大，同时，这些缺陷如果能反馈到设计、设备 制造、安装过程中，对提高电站的整个建设水平有很大作用。 我国的电站启动调试工作起步于1 9 世纪5 0 年代，最初的调试工作依靠于电建施工单 位。随着机组建设数量的增加、容量的扩大，专业的调试单位逐渐出现。调试工作的总结 主要体现在工程竣工后调试单位所编写的调试报告中，调试经验主要靠调试人员个人的积 累，随着人员变动，以前积累的经验就会无形中消失。目前国内电站建设较多，但对启动 调试工作的规范化相对较为落后，至今尚没有对启动调试工作的系统总结。调试工作的标 准化差距很大，大部分电站之间信息的沟通较少，调试信息的传递比较困难，在一个电厂 出现的问题经常会反复出现在不同电厂的同类型机组中。出现问题后不能及时找到解决办 法，一方面增加了调试工作的难度，另一方面延缓了机组投产日期，增大了资源的耗费。 设备在启动调试阶段的运行状况不能很好地传递以后的生产运行中。 1 2 建立启动调试专家系统的目的和任务 建立专家系统的主要目的就是为了保存和推广人类专家的宝贵知识。人类专家的知识 是一种宝贵的资源，推广和使用这些知识能产生巨大的经济效益。知识的转移一般是通过 教育来实现的，但这是一个漫长、费力而且昂贵的过程。而建立专家系统，将知识存入计 算机中，知识的转移就变得非常容易了，只需要对专家系统内的文件进行复制即可。 建立专家系统的一个主要任务就是形式化表达人类专家的专门知识。通过知识的形式 化可以帮助人们更系统的总结人类专家的经验知识，也便于对这些知识进行完善和修改。 另外，在某一研究领域有许多不同的专家，他们对如何解决所面临的问题往往持有各种不 同的见解。而专家系统可以综合不同专家的经验知识，博采众长，大大提高专家系统的性 能。 故障诊断领域的问题非常复杂，往往需要人类专家的经验才能解决。而表达和处理启 两安r 业大学硕士学位论文 发性知识正是专家系统的特长。所以，专家系统在故障诊断领域得到了广泛的应用，各行 各业都出现了许多故障诊断专家系统，并且利用专家系统取得了重大的经济效益。 电站机组的故障诊断就更为复杂。电站机组设备参数多、系统复杂、设备大多数处于 高温高压的工作环境，其故障的发生率高，且故障的危害性较大。而且各个电站锅炉设备 的基本结构、规格型号及机组参数各不相同，而这些因素影响了机组发生故障时的表现， 相同的故障发生在不同的电站、不同的机组上，故障现象可能不完全一样。这就更需要保 存和推广专家的经验和知识，找到电站锅炉设备故障的共性和特性，从而建立锅炉设备故 障诊断知识库及故障诊断专家系统。因此，急需研究开发电站启动调试专家系统。电站机 组启动调试专家系统建立电站启动调试标准、规范等，供建设、旌工和调试部门查询，对 监测到的电站机组运行时系统的各个参数数据的异常变化进行故障诊断，迅速解决故障并 使机组正常运行，避免事故的发生，减少损失。 1 3 国内外相关技术发展现状及趋势分析 神经网络等人工智能技术的发展及其向工程领域的渗透使故障诊断技术进入了一个 崭新的阶段。基于神经网络的故障诊断已经成为当今故障诊断技术的一个重要内容，国内 外的许多专家学者都对火力发电机组中的部分设备进行了不少研究，取得了有价值的成 果，且部分系统已经投入实际的运行。 国外电站设备故障诊断技术研究起步较早【l 】。美国与日本是较早研制电站锅炉故障诊 断专家系统的国家，在过去四十年里，美国的6 0 0 家大公司里，有8 0 已经在研究故障 诊断技术。6 0 年代末，美国宇航局成立了美国机械故障预防小组。7 0 年代末，由于电子 测量技术和频谱分析技术的应用，故障诊断技术开始进入实际应用阶段。到了8 0 年代中 期，随着传感器技术、信号处理技术以及计算机技术的发展，现代故障诊断与预测技术逐 步形成和发展起来了。到8 0 年代中期以后，电站设备的大型化、复杂化以及连续高速运 行的需要，单靠信号处理和人工分析判断已经难以实现精确诊断。此时，人工智能技术的 发展，特别是基于知识的专家系统和以并行分布处理为特征的人工神经网络等技术在故障 诊断中的应用，使得故障诊断技术进入了一个新的智能化发展阶段，其中有代表性的是美 国、e s t i n g h o u s e 公司开发的大型电站在线监测诊断系统。8 0 年代，日本三菱重工首 先研制成了机械状态监测系统在几个核电站和商业热电站使用，后来又发展成带诊断规则 描述以及采用模糊逻辑分析确定置信因素功能的振动诊断专家系统 2 1 。9 0 年代后，日本 北海道应用人工智能技术开发了燃煤火力电站运行支援系统，通过对机组数据的在线监 测，在发生异常现象时找出故障发生的原因并迅速解决故障，使机组稳定运行。法国电力 公司( e d f ) 同时拥有核电、水电和火电发电机组，每种机组都有完备的启动调试系统和 信息反馈系统，每个经手e d f 的新建电站都能在最短的时间内调试成功，节省了大量人 力、物力和财力。e d f 曾经承担广东大亚湾核电站的设计、管理、调试等工作，其调试 技术和经验反馈系统比较完善，对于在启动调试中所遇到的问题能够及时反馈到设计和施 2 l 绪论 工中。 国内故障诊断研究工作起步较晚，但近年来发展迅速，许多高校和研究机构都开展了 故障诊断与预测技术的研究，并取得了不少成果1 3 j 。1 9 8 5 年哈尔滨工业大学的阮跃等人 研制出了基于模糊诊断的汽轮发电机组状态与故障诊断系统：清华大学的李德英等人以 3 0 0 m w 电站锅炉为对象，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。 其故障诊断系统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、泄漏等常见故障。并通过远程传输数据到济 南市山东电力科学研究院进行远程监测诊断，收到了预期效果【4 】。 近十年来，国内的故障诊断技术已经在电力行业发挥了一定作用【5 】f 6 】，随着锅炉诊断 技术的应用，火电机组运行的可靠性和安全性将大大提高。 1 4 应用前景 电力建设工程耗资大，参建单位( 电站规划设计单位、设备制造单位、安装施工单位、 监理单位、启动调试单位、机组性能考核试验单位、生产营运单位等) 及其人数众多。调 试阶段是电力建设的最后阶段，在该阶段，设计、设备制造、安装过程中的大部分缺陷都 将被暴露出来。使机组顺利投入商业运行，并力争机组在商业运行中安全、稳定运行是各 参建单位的共同愿望。而随着市场经济的进一步完善，参建单位想要在市场竞争中处于有 利地位，就需要不断完善自我，减少因为自己原因所带来的缺陷。 设计单位需要调试阶段出现问题的经验反馈，以减少因设计原因所带来的缺陷；施工 方需要在启动调试阶段合设计理施工流程，以减少施工工序不合理所带来的重复工作；调 试方需要及时得到调试方面的标准规范以开展调试工作；业主和监理方需要同类电站启动 调试中遇到问题的经验反馈，便于监督，以减少在设计、施工阶段减少同类型问题的重复 出现。 启动调试专家系统集电站建设启动调试成功经验使之普遍推广应用；避免相同错误在 不同电厂同类机组建设调试过程中再次发生，以提高电站建设水平，减少机组启动调试阶 段燃油消耗等费用，加快机组投产日期，降低建设成本，提高竞争力。 1 5 本文主要研究内容 电站机组设备主要由以下几个主要部分组成： 1 ) 锅炉及附属设备：确保燃料的化学能转化为热能： 2 ) 汽轮机及附属设备：确保热能转化为机械能； 3 ) 发电机及励磁机：确保机械能转化为电能； 4 ) 主变压器：把电能提升为高压电输送给输电线路： 其中锅炉及附属设备对于电站来讲，属于重大关键设备，也是故障发生频繁的部分。 3 曲安。业人学硕十= 学位论文 而锅炉系统中的汽包水位控制更是电站控制系统中十分重要的环节之一，汽包水位控制的 好坏直接影响到电站整机的安全、稳定运行。而锅炉满水、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。据电力系统电站锅炉事故统计分析，1 9 8 2 - 1 9 8 5 年的4 年 间发生缺水事故2 7 起，满水事故4 5 起，每年总有l 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。1 9 8 6 - - 1 9 8 9 年的3 年统计上来的汽包满、缺水事故高达1 2 1 次，占锅炉运行责任事故的1 1 2 。1 9 9 0 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1 2 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【7 】【8 】。 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。从保证安 全可靠运行的角度出发，对锅炉汽包进行故障诊断具有非常重要的意义，尤其对于国内还 在一定时期内存在的中小型电站来讲，其自动化程度比较低，生产事故时有发生，因此自 行开发和研制故障诊断专家系统具有一定的现实意义。由于汽包水位故障诊断在锅炉及附 属设备故障诊断中的重要性以及汽包水位故障的频发性，因此，对锅炉汽包水位故障的诊 断显得尤为重要。 本文以某电站的锅炉设备汽包水位的控制为研究对象，设计了一个基于神经网络和专 家系统的故障诊断系统。其主要功能为：对监测到的电站机组运行时系统的各个参数数据 的异常变化进行故障诊断，迅速解决故障并使其正常运行，避免事故的发生，减少损失。 开发启动调试专家系统的工作可以分为两个部分：一是智能诊断模型的研究，即如何 模拟人类专家来进行故障诊断，主要涉及知识库的构造和推理机制的实现，这也是专家系 统开发工作的核心；二是专家系统的软件开发与硬件资源选择，专家系统是一个智能计算 机程序，它最终以软件方式提交，在硬件上运行。因此，专家系统的研发过程同样也是计 算机软件的开发过程，主要涉及软件开发环境和源代码编写。 本文在研究传统专家系统的基础上，引入神经网络技术并设计一个基于神经网络的启 动调试专家系统框架，主要研究专家系统的知识库构造和推理机制的实现方法，在此基础 上以实际电厂中锅炉汽包作为实例进行故障诊断研究，设计合理的神经网络模型，选取合 适的样本集作为网络输入并在m a t l a b 中进行模拟故障诊断，以确认专家系统的有效性。 具体来讲本文研究内容主要包括以下几个内容： 1 ) 研究专家系统的一般构成，知识库的构造和基于规则的推理机制。 2 ) 对系统进行需求分析，研究电站锅炉汽包水位控制的特点、方法和步骤。在此基 础上对应用神经网络技术的锅炉汽包水位故障诊断专家系统进行总体结构设计，研究知识 库的构造和推理机制的实现方法。 3 ) 采用b p 算法及l e v e n b e r g - m a r q u a r d t 算法建立神经网络。在实际训练中，可以 根据训练的效果决定具体采用哪种网络，对采集的数据进行处理，得出诊断规则，根据规 则建立网络。 4 1 绪论 4 ) 子网结构并联。锅炉故障和运行参数之间有密切的关系，某个故障可以引起多个 运行参数的变化，并且具有高度非线性：另外，运行参数的变化可能引起多个故障同时发 生。针对电站锅炉热工生产过程高度复杂、多测点、多故障同时性诊断等特点，采用多个 子网结构并联，每种故障彼此独立，只与若干征兆有关，可用一个子网络对故障进行映射。 5 ) 样本训练。对网络进行样本训练，得出适合的阈值及权值矩阵，然后进行仿真试 验，根据实验样本，测评网络性能，通过试验结果对知识库进行修改和补充。 6 ) 诊断结果解释。根据领域专家的分析方式对诊断结果进行分析，对推理结果作出 合理的解释。 7 ) 软件实现。实现设备基本信息管理模块、故障信息管理模块、故障信息输入模块、 知识获取模块、神经网络故障诊断模块、解释模块六个主要功能模块及一个非功能模块即 系统管理模块的软件开发。 两安i ：业人学硕十：学位论文 2 锅炉汽包水位故障研究 2 1 引言 电站锅炉及附属设备繁多，发生的故障主要有以下几种【9 】：四管故障1 0 1 ( 包括水冷壁 管、过热器管、再热器管、省煤器管) 、锅炉满水缺水故障、锅炉结渣及沾污等等1 1 】【1 2 1 【1 3 j ， 本章着重以锅炉满水缺水故障即锅炉汽包水位故障为例，分析故障现象、故障原因及解决 方案，建立故障树。 2 2 锅炉汽包水位故障现象及原因 锅炉汽包中水位用来表示其蒸发面的高低1 1 5 】，锅炉运行时，如果汽包水位过高， 轻者使蒸汽带水，蒸汽中含盐量增大，蒸汽品质恶化，使过热器、汽轮机叶片结垢；严重 者将使汽水分离设备失去作用，蒸汽大量带水或过水，引起锅炉、汽轮机蒸汽管道水冲击。 因此，维持锅炉正常水位，是保证锅炉和汽轮机安全运行的一项极为重要的工作。 汽包正常水位的标准线一般是在汽包中心线以下1 0 0 2 0 0 毫米处，在水位标准线的 5 0 毫米以内为水位允许波动范围。如果锅炉的负荷突然升高，在给水和燃料未调整之 前，汽包中的水位开始先升高，而后逐渐降低。水位升高是由于压力突降，水面下的蒸汽 容积增大使水位涨起而引起的，并不是由于存水量增加引起的，所以叫虚假水位。由于此 时给水量没有增加，在大量蒸汽逸出水面后，水位也就随之降低。反之若锅炉负荷迅速降 低，在给水和燃料未调整之前，汽包水位的变化是先低后高，水位降低并不是由于存水量 减少了，因此也属于虚假水位，由于此时给水量并没有减少，所以在暂时的虚假水位现象 消失之后，水位随之升高。虚假水位现象只有在锅炉负荷变化较大、变化迅速情况下才能 明显觉察出来。在锅炉发生熄火和安全门起座的情况下，虚假水位将达到很大程度。如果 处理不当，锅炉就会发生缺水和满水事故。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。 锅炉运行中，影响水位变化的因素有下列情况： 1 ) 负荷增减幅度过快： 2 ) 安全阀动作； 3 ) 燃料增减过快； 4 ) 启动和停止给水泵时； 5 ) 给水自动失灵： 6 2 锅炉汽包水位故障研究 6 ) 承压部件泄漏； 7 ) 汽机调节门、旁路门、过热器及主蒸汽管疏水门开关时。 2 2 1 锅炉缺水事故 锅炉发生缺水事故时，有以下现象可供判断： 1 ) 水位计内水位低至不可见。 2 ) 汽包水位低至i i 值报警后，水位仍然继续下降。 3 ) 给水流量不正常地小于蒸汽流量。 4 ) 严重缺水时，过热蒸汽温度升高。 缺水分为轻微缺水和严重缺水两种：当水位低于规定的最低水位，但在水位计上仍有 读数时为轻微缺水；当水位低于规定的最低水位，而且在水位计上已无读数时为严重缺水。 若判明是轻微缺水，应增加锅炉的给水量，逐渐恢复正常水位。若判明是严重缺水， 则应严禁向锅炉进水，应立即熄火停炉。因为严重缺水时，水位低到什么程度无法判断， 有可能水冷壁管已部分干烧、过热，此时如强行进水，由于温差过大，水冷壁管会产生巨 大的热应力，甚至造成水冷壁爆管损坏。 因此，缺水时应作如下具体处理：水位降至1 0 0 r a m ，将给水自动调节改为手动调节， 增大给水，校对汽包水位计。若锅炉正在进行定期排污，应立即停止排污；若汽包水位计 下降至1 5 0 m m ，经加大给水，水位仍不见上升，应检查给水系统有无故障，水冷壁、省 煤器是否泄漏；水位降至低值时，m f t 动作。m f t ( 主燃料跳闸) 是锅炉安全保护的核 心，它的作用是连续监视预先确定的各种安全运行条件是否满足，一旦出现可能危及锅炉 安全运行的工况，就快速切断进入炉膛的燃料，避免事故发生。 造成锅炉缺水的原因有： 1 ) 锅炉水位计不准确，无法判断汽包的真实水位。当水位计的蒸汽连通管泄漏时， 水位计指示偏高；当水位计的水连通管泄漏时，水位计指示偏低。当连通管堵塞时，水位 计的指示是不真实的，这种堵塞常因为结垢、污垢或冬季冻结而造成的。另外还有电源中 断，使电接点水位计无正确指示等。 2 ) 给水设备发生故障，给水泵、给水管道、给水调节阀故障，给水管路设计不合理， 给水自动调节器失灵或水源中断，停止供水。 3 ) 给水压力降低，汽包进水减少，会造成锅炉缺水。给水泵故障、给水管路严重泄 漏，均可使给水压力降低。 4 ) 汽水受热面管子损坏，水冷壁、省煤器等承压部件泄漏或损坏严重，将消耗大量 水、汽，很容易造成锅炉缺水。 5 ) 锅炉排污时，放水量过大，锅炉水位将下降；排污后，排污门未关严，炉水大量 泄漏，也会造成锅炉缺水。 6 ) 由于运行人员监视不严、工作疏忽、判断错误和误操作等。例如在负荷突变时， 不注意虚假水位现象，操作不当，以致造成锅炉缺水等。 7 【 l i 安i i 业人y 硕十学伊论文 7 ) 负荷急剧变化时未及时提高泵速或启动给水泵，以及运行中给水泵跳闸时备用泵 未联动，给水压力降低。 锅炉缺水的处理方式有以下几种： 1 ) 汽包水位低于规定水位下限时，应将给水自动切为手动控制，增加给水泵转速或 启动备用泵，加强进水。同时密切监视主蒸汽温度的变化，及时调整减温水量。对比各水 位计指示差值，判断异常原因。 2 ) 停止一切放水、排污工作，防止水位继续下降。 3 ) 水位降至值，虽经加强进水，水位仍下降时，则应立即降低负荷，认真检查汽 水系统及给水管道是否泄漏，加强汽温监视，保证参数在正常范围内。 4 ) 如经查确认管子破裂或泄漏，若泄漏不严重，尚可维持汽包水位时，可降压运行， 加强监视，否则应立即停炉。 5 ) 水位低至i 值，m f t 动作。否则立即手动m f t ，紧急停炉。 2 2 2 锅炉满水事故 锅炉发生满水事故时，可供判断的现象同锅炉缺水时相反，如水位报警发出高报警信 号，各种水位计指示水位过高，蒸汽流量不正常地小于给水流量，过热蒸汽温度降低等。 满水也有轻微满水和严重满水两种。当水位虽高于规定高水位，在水位计上仍有读数 时为轻微满水；当水位高于规定高水位，在水位计上已无读数时为严重满水。 若判明为轻微满水，如水位超过+ l o o m m 时，应校对汽包水位计，将自动给水调节 改为手动调节，减少给水；水位超过定植或高i i 值，事故放水门自动开启；若水位无明显 下降，应检查给水系统阀门是否故障，开定排放水：如过热汽温下降，应解列减温器，打 开过热器疏水门，汽机运行人员打开汽机侧主蒸汽管道上的疏水门，同时应降低锅炉负荷。 经上述处理无效，水位仍无法恢复正常水位，水位超过高值，则m f t 动作。 造成锅炉满水的原因有： 1 ) 对水位监视不严，给水调整不当或误操作。 2 ) 给水自动调节失灵，调试人员不注意监视水位，而依赖自动调节器。发现问题处 理不及时。 3 ) 汽水连管堵塞，形成虚假水位，造成调试人员误判断。 4 ) 锅炉负荷低，给水调节门泄漏量大。 5 ) 水位计指示不正确，水位表的照明不良，看不清水位表，造成调试人员误判断。 6 ) 运行工况突然变化，调节不及时。进水速度加快，司炉人员疏忽未发现。 锅炉满水的处理方式有以下几种： 1 ) 水位升高超过高于i 值时，应将自动切为手动，降低给水泵转速，减少给水流量， 同时对比各水位计指示偏差值，观察锅炉负荷、给水流量、给水压力、汽包压力、汽包水 位等参数的变化特点，判断异常原因。 2 ) 当汽包水位高于i i 值时，应及时减少给水量并开大连排和事故放水。 8 2 锅炉汽包水位故障研究 3 ) 给水调节门漏量太大，必要时适当增加负荷，以维持正常水位。 4 ) 水位调节以及表计指示不准确时，应联系热工有关人员及时处理。 5 ) 运行中加强对汽包水位的监视和就地水位计的校对工作，防止误判断。 6 ) 水位升高至i i i 值，m f t 动作， 否则应采取以下紧急措施： 按下“紧急停炉按钮专停止给水泵，并确认省煤器再循环门已开启专开启过热 器系统各疏水门及汽机主汽疏水门专确认各减温水门已关闭专加强放水，直至汽包水 位可见专满水原因消除，且汽包水位恢复正常后，锅炉方可重新起动。 2 3 锅炉汽包水位故障诊断特点 锅炉汽包水位故障诊断的特点如下【1 6 】1 17 】： 1 ) 故障征兆和故障原因之间不一定具有明确的对应关系。锅炉汽水系统由省煤器、 汽包、下降管、水冷壁、过热器、给水泵等多个部件构成，每个部件又由更低级的部件构 成，系统结构层次多，在子系统内、层次之间的联系可能是不确定的。由于故障具有纵向 传播性，较高层次的故障可能来源于低层次的系统故障，某一部件的故障可能引起同一层 内其它部件的功能失效，同一种故障在不同的系统中表现的症状也不完全相同。 2 ) 故障诊断往往需要多学科知识。本课题涉及锅炉、汽轮机、热控、化水等专业， 各专业之间良好沟通，有效协调工作是研究启动调试专家系统的保证。 3 ) 诊断时间要求紧。大部分故障是在设备运行过程中，当检测到设备异常参数，需 要马上进行故障诊断并判断出故障发生的具体部位，迅速解决故障，避免事故的发生，减 少损失。 2 4 故障树诊断法 2 4 1 故障树诊断法的基本概念 故障树分析法【l 酊( f a u l tt r e ea n a l y s i s f t a ) 是1 9 6 1 年由美国贝尔实验室的华生 ( h a w a t s o n ) 和汉塞尔( d e h a n s l ) 首先提出的，并用于“民兵 导弹的发射系统控制， 取得了良好的效果，1 9 6 5 年在波音公司安全年会上发表，引起学术界的重视。此后，许 多人对故障树分析的理论与应用进行了研究。1 9 7 4 年美国原子能管理委员会的主要采用 故障树分析商用原子反应堆安全性的w a s h 1 4 0 0 报告发表，进一步推动了对故障树分析 法的研究与应用。目前，故障树分析法在航空、航天、核能、化工等领域得到了广泛的应 用，已被公认为是可靠性分析和故障诊断一种简单、有效、很有发展前途的方法。 所谓故障树分析法就是把所研究系统( 设备) 中最不希望发生的故障状态作为故障分 析的目标，把这个最不希望发生的系统( 设备) 故障事件称为顶事件，然后找出直接导致 顶事件发生的必要( 和或) 充分的全部直接原因，这些原因可能是部件损坏、操作失误、 环境因素等等。把它们作为第二级，依次再找出导致第二级故障事件发生的全部直接因素 作为第三级，依次逐级深追，一直追查到那些原始的、其故障机理都为已知，而且无需再 9 两安i ：业人学硕十学位论文 深究的最基本因素为止，并称之为底事件。可见，故障树分析法是从所研究的故障现象出 发寻找产生这一故障的根源，因而是从果到因的研究过程。通常把介于顶事件和底事件之 间的一切事件称为中间事件。用相应的符号表示这些中间事件，并用适当的逻辑门把顶事 件、中间事件和底事件联接起来，构成的逻辑结构图就是故障树。 2 4 2 故障树中使用的符号 故障树中使用的符号通常分为事件符号及逻辑门符号两类，下面介绍常用的几种： 故障树中使用的事件符号有以下几种： 1 ) 矩形符号：代表顶上事件或中间事件，见图2 1 ( a ) 。是通过逻辑门作用的、由一 个或多个原因而导致的故障事件。 2 ) 圆形符号：代表基本事件，见图2 1 ( b ) 。表示不要求进一步展开的基本引发故 障事件。 3 ) 屋形符号：代表正常事件，见图2 1 ( c ) 。系统在正常的状态下发挥正常功能的事 件。 4 ) 菱形符号：代表省略事件，见图2 1 ( d ) 。因该事件影响不大或因情报不足，因 而没有进一步展开的故障事件。 5 ) 椭圆形符号：代表条件事件，见图2 1 ( e ) 。表示施加于逻辑门的条件或限制。 口o o ( a ) 矩形符号( b ) 圆形符号( c ) 屋形符号( d ) 菱形符号( e ) 椭圆形符号 图2 1 事件符号 故障树中使用的逻辑门符号有以下几种： 1 ) 或门：代表一个或多个输入事件发生，即发生输出事件的情况。或门符号如图2 2 ( a ) 所示： 2 ) 与门：代表当全部输入事件发生时，输出事件才发生的逻辑关系。表现为逻辑积 的关系。与门符号如图2 2 ( b ) 所示。 3 ) 禁门：是与门的特殊情况。它的输出事件是由单输入事件所引起的。但在输入造 成输出之间，必须满足某种特定的条件。禁门符号如图2 2 ( c ) 所示。 l o 2 锅炉汽包水位故障研究 仑夺 ( a ) 或门 ( b ) 与门( c ) 禁门 图2 2 逻辑符号 2 4 3 故障树分析法的基本步骤 一般地，故障树分析法步骤为： 1 ) 选择合理的顶事件。一般以待诊断对象故障为顶事件。 2 ) 建造正确的故障树。 3 ) 故障搜索与诊断。 根据搜寻方式的不同，又可分为逻辑推理诊断法和最小割集诊断法。逻辑推理诊断法 从故障顶事件开始，先测试最初的中间事件，根据中间事件的测试结果判断测试下一级中 间事件，直到测试底事件，搜寻到故障原因及部位；最小割集诊断法则是通过逐个测试最 小割集，从而搜寻故障源，进行故障诊断。 2 4 4 建立故障树 通过对锅炉汽包水位变化机理深入分析，可建立电厂运行中汽包水位常见故障的故障 树。汽包水位高和汽包水位低故障树1 9 1 1 2 0 ，分别如图2 3 和图2 4 所示。 汽包水位高 笛奕挛票虿器ig 警i 三二二压三毒 帮 节装置l i二： 。失灵“ 负荷、厂安全门、厂燃料量 突增l 动作八突降 图2 3 汽包水位高故障树图 l l 两安i ：业人学硕十学位论文 图2 4 汽包水位低故障树 1 2 3 故障诊断专家系统的研究 3 故障诊断专家系统的研究 3 1 专家系统概述 专家系统是人工智能应用研究最活跃的领域之一，已经获得了日益广泛的应用1 2 。 一般来说，专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 是一种智能的计算机程序系统，其内部具有 大量专家水平的领域知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来解决该领 域的问题。概括地讲，专家系统包括以下三个方面的含义：首先专家系统是一种以专家知 识和经验进行推理的智能程序系统：其次专家系统内部必须包含有大量专家水平的领域知 识和经验，并且能够在运行过程中不断地增加新知识和修改原有知识；最后专家系统所要 解决的问题一般是那些本来由领域专家才能解决的问题。也就是说，专家系统是一个具有 大量专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术，根据某个领域一个或多个人类专 家提供的知识和经验进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以解决那些需要专家决 定的复杂问题。专家系统是在关于人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，缩写为a i ) 研究处于 低潮时提出来的，它的成功应用使人工智能摆脱了困境，人们也由此开始从探索思维规律 转向智能行为的研究瞄j 。 专家系统的发展经历了三个时期： 1 ) 初创期：1 9 6 8 年研制成功的d e n d r a l 系统，是一个帮助化学家解释和设计化 学结构式的专家系统，它标志着专家系统的诞生。在此之后，麻省理工学院开始研制 m a c s y m a 系统，这是一个专为帮助数学家、工程师们解决复杂微积分运算和数学推导 而开发的大型专家系统。同期，还有用于语音识别的专家系统h e a r s a y 。2 0 世纪7 0 年 代初，匹兹堡大学的鲍波尔和内科医生合作研制了内科病诊断咨询系统i n t e r n i s t 。 2 ) 成熟期：2 0 世纪7 0 年代中期，先后出现了一批卓有成效的专家系统，其中比较 具代表性的有m y c i n 2 3 1 、p r o s p e c t o r 、c a s n e t 、a m 、p 切陌等专家系统。m y c i n 系统能对细菌感染性疾病作出专家水平的诊断和治疗，并且第一次提出知识库的概念。 p r o s p e c t o r 是一个探矿专家系统，c a s n e t 用于青光眼病的诊断与治疗。a m 是业大 学硕士学位论文第二章基于规则的专家系统一个用机器模拟人类归纳推理、抽象概念的专 家系统。p u f f 是一个肺功能测试专家系统，经对多个实例进行验证，成功率达9 3 。 3 ) 发展期：自2 0 世纪8 0 年代中期以来，人们对专家系统的研究开始转向了与模糊、 神经网络等其他技术相结合的方向。相比于国外，国内对专家系统的研究起步较晚，始于 二十世纪七十年代末期，但也取得了相当的成绩。我国e s 开发工作最初在医疗领域展开， 先后出现了肝炎诊断治疗专家系统、子宫癌诊断专家系统等。随后很快进入农业领域，1 9 8 3 年中国科学院合肥智能研究所与安徽农科院合作，开发砂姜黑土小麦施肥专家系统。八十 年代初，我国e s 开发开始渗透到交通运输、地质勘探、气象预报等领域，如清华大学研 1 3 西安t ：业人学硕卜学侍论文 制的汽车运输规划调度专家系统，浙江大学的探矿专家系统等都通过省级或部级评定，受 到好评。到八十年代中期以后，我国专家系统的应用领域迅速扩大，在数学、物理、化学、 工程、机械、经济、教育等领域先后有一批专家系统问世，出现一种各行业积极从事专家 系统研制与开发的积极局面。 专家系统应具有以下三个特点： 1 ) 启发性：由于经验知识通常没有严谨的理论依据，很难保证其在各种情况下普遍 正确，但在一定条件下用来解决问题往往能有效地简化问题或快速求得问题的解。具有这 种特点的知识被称为启发性知识。把具有严谨理论依据的专门知识成为逻辑性知识。人类 专家的技能主要来源于这些启发性知识。因此，专家系统要达到人类专家的水平就必须能 够存储和利用这些启发性知识。 2 ) 透明性：专门知识大多是人类专家在实践中积累起来的启发性知识，通常只有专 家本人掌握，为了使用户对求得的结果放心，专家系统必须具有向用户解释推理过程、 回答用户提问的解释功能。 3 ) 灵活性：要把专家头脑中的经验知识全部明确地表示出来不是一件容易的事情， 而且要反复多次，不断扩充才能达到目的。而且这些启发性知识往往是有针对性的，在特 定情况下才是正确的，情况变化后也要随之变化。这就要求专家系统具有灵活性，系统中 的知识要便于修改和扩充。 3 2 传统专家系统在故障诊断中的应用 故障诊断技术发展至今已经经历了三个阶段：第一阶段由于机器设备比较简陋，故障 诊断主要依靠专家或者维修人员的感觉器官、个人经验及简单仪表就能胜任故障的诊断与 排除工作；传感器技术、动态测试技术及信号分析技术的发展使得诊断技术进入第二个阶 段，并且在维修工程和可靠性工程中得到了广泛的应用；8 0 年代以来，由于机器设备日 趋复杂化、智能化以及光机电一体化，传统的诊断技术已不能适应，随着计算机技术、人 工智能技术特别是专家系统的发展，诊断技术进入了第三个阶段智能化阶段。现在， 对复杂系统进行智能诊断已经成为智能技术研究的前沿课题和热点。在专家系统研究已经 有较深厚基础的国家中，故障诊断专家系统已基本完成了研究和试验阶段，开始进入广泛 应用的阶段。尤其在航空航天领域中，可靠性和维修性工程越来越受到重视，迫切需要利 用自动故障诊断和维修的专家系统来保障火箭、卫星和导弹试验以及基地飞行试验的安 全。现已研制出一些智能诊断系统，像火箭发动机故障诊断专家系统、卫星控制系统地面 实时故障诊断专家系统等等。自8 0 年代中期以来，国内在智能诊断方面的研究已蓬勃展 开，并取得了一定的研究成果阴】瞄】。可以预料，现代智能诊断这一新兴学科的发展将充 满生机，具有广泛的前景。 专家系统主要是研究启发式推理以便从功能上模拟专家。不断有学者用模糊数学去把 握人类的非精确思维过程；用灰色理论去模拟人们对非确定性知识的处理过程；用神经网 1 4 3 故障诊断专家系统的研究 络去模拟人脑的学习和思维过程；力图把握不确定性知识的表示和推理问题，同时与系统 相关的动态检测、数据采集、信号分析等功能也属于故障诊断专家系统的内容 2 6 】。 产生式表示法是传统专家系统中使用最为广泛的知识表示方法，采用这种表示法的专 家系统称为基于规则的专家系统。产生式的般形式为p q ，其中左部表示一组前提， 右部表示若干结论，其含义是如果前提p 满足则可推出结论q 。用产生式表示的知识是 一组产生式的有序集合，诸产生式的顺序是有意义的，因为一般推理程序都是从前往后顺 序地进行匹配，查找可以被运用的产生式，因而放在前面的产生式就可能先得到匹配，从