（动力机械及工程专业论文）电站故障诊断专家系统和寿命管理在线监测软件开发.pdf

摘要 摘要 题名：电站故障诊断专家系统和寿命管理在线监测软件开发 姓名：冯泽磊 导师：王培红( 教授) 学校：东南大学 正文： 本文以“鄂尔多斯电力冶金有限责任公司一期( 2 3 3 0 m w ) 工程厂级监控信息系 统( s i s ) ”为背景，主要对电站过热器、再热器、汽包、转子寿命在线监测模型和故障 诊断专家系统进行了研究，论文的主要内容为： 1 分析了过热器、再热器、汽包、高中压缸转子的寿命消耗的主要原因，在此基础 之上，根据实时计算的要求提出了各部件相应的寿命在线计算模型。 2 设计和实现了蠕变寿命和低周疲劳寿命通用计算模块。蠕变寿命损耗采用以 r o b i n s o n 法则为基础的时间一分数方法，低周疲劳寿命的计算主要采用美国a s m e 的 计算方法。为了能做到通用，本文根据面向对象的原则设计了蠕变寿命计算模块和低周 疲劳寿命计算模块，并将此应用于过热器、再热器、汽包和汽轮机高、中压转子的寿命 计算。 3 研究了专家系统的结构、知识获取和表示，分析了故障诊断专家系统知识库，推 理算法，置信度计算等的实现。在此基础之上，运用c + + 语言开发了基于规则和模糊推 理的专家系统故障诊断软件并应用与鄂尔多斯电厂s i s 中。首次应用模糊聚类( f c m ) 和决策树方法确定了征兆阈值。根据机理知识、专家经验和相关文献总结了凝汽器真空 故障知识库，并对本文建立的专家系统进行了测试，取得了比较好的诊断结果。为了使 用户比较容易的对专家系统知识库进行维护，本文还开发了故障诊断专家系统知识库维 护模块。 4 对设计模式在s i s 软件开发中的应用做了探索性的工作。设计模式是面向对象软 件设计经验的总结，它可以有效的改善程序的结构，提高程序的通用性。本文在高温蠕 变模块和低周疲劳模块的开发中分别应用了模板模式、策略模式和单件模式，有效的改 善了软件结构，提高了模块重用性。 关键词：电站；故障诊断；专家系统；寿命；设计模式 a b s l r a c t a b s t r a c t 1 i t k ：d e v e l o p m e n to fp o w e rp l a n t f a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e ma n d o n - l i n el i f e m o n i t o r i n gs o f t w a r e n a m e ：f e n gz e l e i s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gp e i h o n g s c h o o l ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t y t e x t ： o nt h eb a c k g r o u n do f 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 mo fe r d o se l e c t r i cp o w e r m e t a l l u r g yc o l t dp r o j e c t ( 2 x3 0 0 m w ) ”，o n - l i n el i f em o n i t o r i n gm o d e l so fp o w e rp l a n t s u p e r h e a t e r , r e h e a t e r , d r a m , t u r b i n er o t o ra n df a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e m 眦s t u d i e di nt h e t h e s i s t h em a i nc o m e n sa r e 镐f o h o w s 1 “f el o s sr e a s o no fp o w e rp l a n ts u p e r h e a t e r , r e h e a t e r , d r u ma n dt u r b i n er o t o ri ss t u d i e d b a s e do nt h ea n a l y s i s ，c o n s i d e r i n gt h er e q u e s to fr e a lt i m ec a l c u l a t i o n ，o n - l i n el i f em o d e l s a mg i v e n 2 g e n e r a lc r e e pl i f el o s sa n dl o wc y c l ef a t i g u el i f el o s sc a l c u l a t i o nm o d u l e sa r ed e s i g n e d a n di m p l e m e n t e d c r e e pl i f el o s sc a l c u l a t i o ni sb a s e do nr o b i n s o np r i n c i p l ea n da s m e s t a n d a r di sa d o p t e di nl o wc y c l ef a t i g u el i f el o s sc a l c u l a t i o n f o rt h ea i mo fg e n e r a l i z a t i o n ， c r e e pl i f el o s sa n dl o wc y c l ef a t i g u el i f el o s sc a l c u l a t i o nm o d u l e sa r ed e s i g n e db a s e do n o b j e c t - o r i e n t e dp r i n c i p l ei n t h et h e s i s t h e s em o d u l e sh a v e b e e nu s e di nt h el i f e c a l c u l a t i o no fs u p e r h e a t e r , m h e a t e r , d r u ma n dt u r b i n er o t o r 3 t h es t r u c t u r eo fe x p e r ts y s t e m k n o w l e d g ea c q u i s i t i o na n dk n o w l e d g ep r e s e n t a t i o na r e r e s e a r c h e d t h ei m p l e m e n t a t i o no fe x p e r ts y s t e mk n o w l e d g eb a s e ，r e a s o n i n ga l g o r i t h m a n dc o n f i d e n c el e v e lc a l c u l a t i o ni sa l s os t u d i e d b a s e do f ft h et h e o r y , f a u l td i a g n o s i s e x p e r ts y s t e mb a s e do nr o l ea n df u z z yr e a s o n i n gi sd e v e l o p e du s i n gc + + l a n g u a g e w h i c h h a sb e e nu s e di ns i so fe r d o s p o w e rp l a n t f u z z yc - m c a n sa n dd e c i s i o nt r e em e t h o da r e a p p i e di nd e t e r m i n i n gt h et h r e s h o l do fs y m p t o m a tt h es a m et i m e ，k n o w l e d g eb a s eo f c o n d e n s e rv a c u u mf a u l ti sb u i l to nt h eb a s i so fm e c h a n i s mk n o w l e d g e ，e x p e r te x p e r i e n c e a n dr e l a t i v er e f e r e n c e t h ek n o w l e d g eb a s eh a sb e e nu s e di nt h et e s t i n go fe x p e r ts y s t e m a n dd i a g n o s i sr e s u l ti sv e r yg o o d k n o w l e d g eb a s ei sa l s od e v e l o p e di nt h et h e s i sw i t h w h i c hu s e rc a ne a s i l ym a i n t a i ne x p e r ts y s t e mk n o w l e d g eb a s e 4 u s i n go fd e s i g np a t t e r n si ns i sd e v e l o p m e n ti se x p l o r e d d e s i g n e dp a t t e r n sa l et h e s u m m a r yo fo b j e c to r i e n t e ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t w h i c hc a nh e l pi m p r o v es o f t w a r e a r c h i t e c t u r ea n de n h a n c er e u s eo fm o d u l e s i nt h ed e v e l o p m e n to fc r e e pl i f el o s sa n dl o w c y c l ef a t i g u el i f el o s sc a l c u l a t i o nm o d u l e s ，t e m p l a t ep a t t e r n ，s t r a t e g yp a t t e ma n ds i n g l e t o n p a t t e r na u s e da n dg e tg o o dr e s u l t s k e y w o r d s ：p o w e rp l a n t ；f a u l td i a g n o s i s ；e x p e r ts y s t e m ；l i f e ；d e s i g np a t t e r n s 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：刍；至垂日期： a 呻3 ；口 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：墨i 缝导师签名：乏，篮竺日期：壁 ：! ! 第一章绪论 1 1 论文选题背景及意义 第一章绪论 随着自动化技术的发展，目前电站逐渐形成了以集散控制系统d c s 为基础的单元 机组级自动化和以厂级监控信息系统s i s 、管理信息系统m i s 为主的厂级管控一体化 系统。s i s 作为机组级d c s 与厂级m i s 阆的中间层，起着承上启下的作用，它以实 时监控为主，同时兼有实时信息管理的作用。s i s 是为厂级生产过程自动化任务服务 的，它建立在厂内单元机组分散控制系统d c s 和公用辅助车间级自动化系统之上，不 仅要满足全厂生产过程综合自动化的需要和向m i s 提供全厂生产过程实时数据以支 持m i s 的需要，而且还要满足电网实时安全和经济调度的需要。 h l i s 网 图1 1 电站d c s 、s i s 、m i s 管控一体化系统 s i s 的基本功能模块主要包括性能与能损模块、负荷分配模块、机组寿命管理模块、 状态检测和故障诊断模块等几个部分 l j 。本文的工作主要涉及到了s i s 中机组寿命管 理模块、状态检测和故障诊断模块。 目前我国国民经济的发展对电力的需求不断增加。与此同时，用电结构也发生了 很大的变化，全国各主要电网的日用电峰谷差日益增大。这么大的峰谷差以往采用 小机组作为备用调峰机组的办法，已经不能满足电网的要求。许多原来按基本负荷设 计的火电机组，现在都需要承担调节电网负荷的任务【2 】【3 】。而且，为了节省燃料多发 电，电厂运行也提出了在安全的前提下加快启停速度的要求。提高启停速度必然导致 部件的热应力的提高和应力的频繁波动，引起金属材料的疲劳和损伤1 4 ，进而影响机 组的安全性和寿命。在这种情况下，调峰机组工作的安全性和可靠性，已成为一个重 要的课题。 在大量新装机组投入运行同时，延长老电厂的寿命也是一个十分迫切的问题。五、 六十年代兴建的高温高压机组运行时间普遍已达到或超过20 万小时；而七十年代以 东南大学硕士学位论文 后投产的国产机组的运行时间，有的也已超过l0 万小时。由于这些机组在设计时是 针对基本负荷的，所以其承压部件的强度设计也都是按照基本负荷进行的。一旦机组 改为调峰运行，能否经受住疲劳和蠕变的破坏，也是一个有待解决的问题。这就需要 我们注意监视这些机组在启停频繁和负荷突变等不利工况下的工作情况，不断监测设 备的寿命损耗，并据此进行维修管理，以保证在设备规定寿命期间，能安全可靠地运 行，并在寿命将尽时进行及时预报以便更换或报废，防止重大事故的发生。 机组的寿命管理是指以机组经济的实现其服役全寿命为目标，对设备状态进行监 测和评估的基础上优化设备运行与检修的新技术。寿命管理包括对设备监测、应力计 算、寿命估计、试验、维修、更换等一系列工作。它把机组的安全运行纳入一个科学 的、有序的、管理范畴以内。机组寿命的实时监测可以对机组启停以及变负荷过程中 的应力进行实时监控，为运行人员改善控制参数，改进运行方式提供参考，使检修人 员设备维修期间合理地将精力集中于特别的部件。通过寿命管理，可以优化电厂的资 金投入，降低机组的事故停机率，延长机组的服役寿命，降低电厂的成本。 当今发电厂基本都配有d c s 系统，但d c s 在故障诊断方面仅有有限的参数越限 报警等功能，不能给运行人员深入的故障处理指导。当设各发生故障时，面对大量的 在线监测数据，运行人员及管理人员很难在短时间内做出综合分析，并在此基础上准 确判断出设备当前的状态，进而确定对所发生故障应采取的正确措施：是在一定条件 下保持设备继续运行，还是必须停机检修。s i s 中的故障诊断模块就是为了解决这一 突出的问题，当故障发生时s i s 系统应用合适的故障诊断方法给出诊断结果，指导运 行人员进行正确的操作。 电站系统十分复杂，要对电站进行故障诊断，必须对故障诊断技术进行研究。电 站设备故障诊断技术从广义上是指监测电站设备的状态，判断其是否正常，预测、诊 断、消除故障；指导设备的管理和维修。它由状态监测和故障诊断两部分组成。 状态监测是了解和掌握设备是否处于正常、异常和故障状态，具体是用各种检测、 测量、监视、分析和判断方法，结合设备的历史和现状，考虑环境的因素，对设备的 运行状态进行评估，判别其是否处于正常、异常和故障状态，并对状态进行显示和记 录，对异常状态作出报警，以便及时处理，为设备的故障分析提供数据和信息，如果 是处于故障状态，则进行故障诊断。 故障诊断是根据状态监测所获得的信息、设备的结构特性和参数以及故障历史记 录对设备可能要发生或已经发生的故障进行预报和分析、判断，确定故障的性质和类 别、程度、原因、部位，指出故障发生和发展的趋势及其后果，提出控制故障继续发 展和消除故障的调整、维修、治理的对策措施，并加以实旖，最终使设备恢复到正常 状态嘲。 寿命管理和故障诊断系统的开发有助于促进电厂检修方式的转变。当今检修方式 主要有三种1 6 1 ：故障检修、计划检修和状态检修。故障检修( c m ，c o r r e c t i v e m a i n t e n a n c e ) ，即在设备发生故障之后才进行维修。这种检修方式以设备出现功能性 故障为判据，在设备发生故障且无法继续运转时才进行维修。它只适用于小型简单的 设备，设备故障对系统、全局影响不大。而对于复杂的大型设备，这种应急维修需付 第一章鳍论 出很大的代价和维修费用，不但严重威胁着设备或人身安全，而且维修不足。计划检 修( s m ，s c h e d u l em a i n t e n a n c e ) 是以时间为依据，预先设定检修工作内容与周期。其 检修周期的确定主要是根据经验和统计资料，不论设备状态如何，到时间就修。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 ) 根据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运行经济性下降到极限时，有目的进行适当和必要的检 修。显然状态检修较故障检修和计划检修方式具有明显的优点，它以设备的当前工作 状况为依据，能够提高设备的可靠性和可用系数，延长设备寿命，降低运行检修费用， 提高经济效益。寿命管理和故障诊断系统的目标就是使电厂从传统的计划检修方式转 变到先进的状态检修方式。 本文结合“鄂尔多斯电力冶金有限责任公司一期( 2 3 3 0 m w ) 工程厂级监控 信息系统( s 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 ) ”的开发，将重点对电站主要部件的 寿命模型和故障诊断专家系统算法进行研究，并根据实时监控算法开发出基于实时数 据库平台e d n a 的电站寿命管理和故障诊断模块。 1 2 机组寿命评估管理现状 目前国内外机组寿命监测和管理主要集中在影响锅炉和汽轮机安全的重要部件， 包括锅炉四管( 过热器，再热器，水冷壁，省煤器) 7 1 ，汽包，过热器联箱，汽轮机 转子等。很多学者、科研单位和高校在机组寿命研究方面已经做了大量的研究工作， 并取得了一定的成果。 1 2 1 过热器、再热器寿命评估 过热器、再热器寿命评估初始多集中在材质分析上面，通过金相实验【8j 【9 】的分析方 法观察材料显微组织中珠光体( 碳化物) 形态的变化程度来对寿命进行评估。金相试 验的方法基本停留在简单部件材质鉴定水平上，仅适用于珠光体钢，而且强度外推误 差很大。 8 0 年代中期，国内逐步从美英等发达国家引进了一些先进的研究成果和方法，结 合我国机组和钢的特点，重点对1 2 c r m o v 等管子进行了寿命评估，取得了一定成果。 热工研究院材料研究所为解决电站锅炉管金属壁厚测量方法存在的问题，减少和防止 日益频繁的过热爆管( 超温运行) 事故，针对国内锅炉过热器及再热器常用管材( 特 别是1 0 2 、1 2 c r l m o v 钢) ，经过十余年的研究提出根据氧化层厚度评定管子寿命的 技术【l 州。该技术已在北仑港发电厂、姚孟发电厂、吉化热电厂、沙角b 电厂等十几 个电厂应用【l ”，为减少和预防过热爆管事故的发生起到了良好的作用。文献f 1 2 】采用 金相试验和管壁金属厚度及内壁氧化层厚度测量结合的方法进行寿命评估。 在国外还有采用基于可靠性的寿命评估方法i l3 1 ，它需要大量的过热器破坏的样本， 通过概率进行寿命评估。比利时的“心0 砌扎e c 研究机构讲寿命评估分为三部分1 1 4 】： 收集设计资料、收集运行、检修与检验资料、寿命计算，通过将运行荷载与通过试验 东南大学硕士学位论文 或检验获取的机组或其他部件的真实状态能相互关联追溯造成寿命损耗的原因，并据 此为机组作出既能降低检修成本又能保证安全运行的检修安排。 经过研究，锅炉过热器、再熟器的主要寿命消耗形式为高温蠕变损耗。因此过热 器、再热器寿命评估可以在考虑其他因素的基础上主要对高温蠕变寿命损耗进行计算。 评定材料高温蠕变寿命损耗的方法主要有0 函数方法和时间一温度参数法。与金相实 验法和内壁氧化层厚度测量方法相比，这两种方法不需要割取管予试样进行检验，只 需要相应的壁温和其他材料参数，因而可以用于在线监测。 1 2 2 汽包寿命评估 从5 0 年代开始，国内就对汽包的应力状态进行了许多实验和理论研究。采用电阻 应变计对常温内压作用下的汽包进行了许多实验，已有大量可靠的资料发表。7 0 年代 曾试图采用高温应变计测量在实际运行工况下汽包的应力。由于高温水下应变计技术 没有突破，未获得有实际意义的结果。也有用光弹性方法来测量汽包管接头处的内压 应力和热应力的，但无法将瞬态热应力求出 1 5 1 。 在理论研究方面，许多作者采用解析或数值方法”6 】【1 7 】【1 8 1 研究汽包的应力状态。通 常的作法是，在求得不开孔圆筒体在每种载荷作用下的应力分布后，采用应力集中系 数换算成开孔边缘处的应力。再将各种载荷引起的应力进行叠加，以求得开孔边缘处 的总应力或应力幅，进而与有关标准进行比较以确定汽包的强度条件和寿命损耗。 在汽包寿命管理方面国内已经做出了一定的成果。文献1 1 9 针对电站锅炉，依据三 维有限元计算汽包应力场的结果，采用德国蒸汽锅炉技术规程t r d 3 0 1 的方法估 算疲劳寿命，并对t r d 3 0 1 推荐的理论应力集中系数提出了修改建议，开发了一套锅 炉汽包寿命在线监测系统。该系统利用计算机、智能化数据采集和通信转换对锅炉汽 包运行全过程实行温度、压力和寿命的管理。 文献【2 0 】采用有限元方法分析了宜宾豆坝厂1 号炉汽包，得到了汽包的应力分布 和变形图。根据有限元分析所得应力分布，利用断裂力学方法，对汽包进行寿命估算。 文献 2 1 】中开发了一套基于a s m e 标准的汽包寿命管理系统。 在国外，美国、英国、德国等发达国家已经制订了各自的疲劳校核计算标准方法。 这些方法的原理基本相同，主要区别是选用的强度理论不同，美国和英国采用的是最 大剪应力的第三强度理论，而德国的标准采用的是第一强度理论。 1 2 3 转子寿命计算 对在高温高压下长期使用的汽轮机的剩余寿命诊断评价法可大致分为间接评价与 直接评价。 间接评价主要指通过求解温度场及应力场问题，得到疲劳损伤和蠕变损伤。理论 计算又分两种方法，解析法2 2 1 1 2 3 和数值解法。前者由于将一些变化的参数作为常数处 理，因而对计算精度有一定影响，需要进行修正。后者常用的有有限元法和有限差分 4 第一章绪论 法。采用通过计算应力场来计算转子寿命已经有了可以实际应用的产品阱j 。 直接评价分非破坏检查和破坏检查。破坏检查需要取得相同或类似的样本，然后 通过破坏性试验来得到需要的数据，作出寿命评估。破坏检查( 试样试验) 评价时间 较长，特别是后者有许多场合取样较困难。而非破坏检查，在较短的时间，可对较多 的部位进行诊断，且能定期监控，所以，采用非破坏检查的剩余寿命诊断，更为有用。 转予无损诊断技术是基于测定材料的软化和脆化来预测剩余寿命的方法。转子运 行过程中，材料的脆化和软化严重影响着转子的寿命。脆化会降低材料的冲击韧性值 和断裂韧性值；软化会降低材料的低周疲劳性能和蠕变性能。因此正确进行寿命预测 的关键是如何把握和评价部件材料的软化和脆化，目前用于软化的无损检测方法主要 有硬度法，电阻法，磁力法，超声波法】，涡流法等，脆化检测主要采用电化学分极 法，腐蚀法及电化学噪音法。此外无损检测方法还有金相组织观察法等，综观各种方 法，只有硬度法、电阻法、电化学分极法有了一定的使用经验，并进入了实用化阶段。 这几种方法机理的研究是成熟的，装置的开发应用是可行的，但寿命预测的精度还有 待于进一步提高，应用范围也有待于扩大。 1 3 机组故障诊断现状 1 3 1 故障诊断技术概述 故障诊断技术作为维修决策的支撑技术，是在6 0 年代初期由于航天、军工的需要 而发展起来的，最早开展这方面工作的是美、英、瑞典、挪威等国，我国直到7 0 年代 中期才开始起步，但发展较快，从理论与生产上建立起了状态检测与故障诊断推理理 论以及与各种针对具体对象的诊断系统。8 0 年代以来，集多交叉学科于一体的监控、 诊断、预报理论与技术，随着现代电子技术、自动控制理论、信息理论与技术、计算 机技术，特别是智能理论与技术等前沿科学技术的迅猛发展，建立智能状态监控与故 障诊断系统是一个必然的发展趋势。 美国自2 0 世纪8 0 年代开始首先在智能诊断方面开始研制工作，开发了多种智能 诊断系统。在电站性能监测和诊断方面，美国电力研究所( e p r i ) 一直处于领先地位。 早在1 9 8 2 年8 月，e p r i 便开始了火电站设备早期故障检测的工作，经过1 0 多年的努 力，e p r i 在此领域取得了许多成果1 2 6 1 。w e s t i n g h o u s e 公司研制成功电厂人工智能在线 诊断大型网络系统p d s ，其中包括汽轮机n r b i n a d 、发电机g e n a i d 和水化学 c h e m a i d 三个人工智能在线诊断系统，以及电站数据中心p d c 和诊断运行中心d o c ， 它在电站机组的安全运行中发挥了巨大的作用，取得了很大的经济效益，被誉为在线 智能诊断系统成功应用的代表【2 ”。 国内在故障的智能诊断技术方面的研究起步较晚，但发展较快，并取得了不少成 果，这些研究成果主要集中在高校和科研所。山东电力科学院建立了电站发电机的状 态监测和故障诊断系统m d s t l 2 8 1 2 9 】。华中理工大学研制成功汽轮发电机组故障诊断专 家系统1 3 0 1 【3 l 】和汽轮机组监测与诊断专家系统；哈尔滨工业大学研制成功大型旋转机械 东南大学碗士学位论文 故障诊断专家系统m m m d e s ；另外，清华大学【3 2 3 3 l 、上海交通大学、西安交通大 学、东南大学l 【3 5 】等院校也在电站故障智能诊断系统方面做了大量的研究工作，开发 了一些系统用于现场，取得了一定的成绩。 目前开发的故障诊断系统所用的诊断方法有三种1 3 6 】：基于数学模型的故障诊断方 法、基于信号处理的故障诊断方法和基于人工智能的故障诊断方法。 当能够建立被诊断对象的数学模型时，可以采用基于数学模型的故障诊断方法， 利用对象输入输出数据之间的动静态关系进行故障检测和诊断。但由于电站设备复杂， 很难建立用于故障诊断的数学模型，基于数学模型的故障诊断方法在电站热工故障诊 断中的研究和应用都相对较少，目前主要的用在控制系统的故障诊断。 基于信号处理的故障诊断方法一般通过信号的时域特征和频域特征进行故障诊 断，比如信号的时间序列模型参数和频谱分布等。基于信号处理的故障诊断方法都是 通过对某些关键信号进行信号处理实现的，其关键在于信号处理方法。目前此类故障 诊断方法已经在电站汽轮机振动故障检测和诊断和锅炉“四管”检漏系统中得到了一 定的应用，并取得了比较好的效果。 在电站热工故障诊断领域应用最多的是基于人工智能的故障诊断方法。这种故障 诊断方法利用对象的定性知识和领域专家的经验，通过人工智能进行推理诊断。由于 它不需要对象的数学模型，能够有效地获取、传递、处理、再生和利用诊断信息，从 而能够对给定环境下的诊断对象进行状态识别和预测，具有良好的通用性、开放性、 鲁棒性和实用性。 1 3 2 专家系统发展 专家系统产生于6 0 年代中期，是人工智能中研究最成功的一个领域。专家系统是 一个具有大量专门知识并运用其知识进行推理的计算机程序系统。它运用人工智能技 术，根据一个或多个人类专家提供的特殊领域知识进行推理，模仿领域专家作出决定 的过程处理专门问题。 在此基础上，八十年代出现了第二代的专家系统，进一步提高了专家系统解决问 题的能力，拓展了专家系统解决问题的范围，并把专家系统应用到更加复杂的问题领 域，专家系统技术逐步走向成熟。进入九十年代，随着计算机技术本身在硬件和软件 方面的高速发展，各种高科技技术，如知识工程，模糊技术的加速发展和广泛的应用， 进步提高了专家系统的应用水平，尤其是神经元网络技术的成熟运用，弥补了原有 的专家系统注重模拟人类逻辑思维，难以实现形象思维即实现自组织、自学习方面的 不足，从而为专家系统的未来发展带来了更广泛的应用前景。 专家系统根据其求解任务可分为解释系统、预测系统、诊断系统、设计系统和规 划、决策系统等。其中故障诊断系统是得到最广泛应用的专家系统类型之一。这里所 说的故障诊断技术是指以软件解析为主的故障诊断技术，它也是从七十年代逐渐发展 起来的。特别是在近十年来，这一方面的技术得到了飞速的发展。 故障诊断专家系统的主要思想是：根据所能获得的设备和运行状态参数，模拟领 6 第一章绪论 域专家诊断时的推理方式，运用专家的经验知识和各种相关的专业知识和各种相关的 专业知识诊断设备及运行故障，使一般人员有可能解决复杂问题，而不受环境区i 素、 技能水平以及心理因素的影响。 故障诊断专家系统以其在实际应用中发挥的作用和取得的效益受到过程界的普遍 重视，专家系统已经成为故障诊断技术发展的主流。 1 。4 本文的主要工作 结合鄂尔多斯电厂s i s 的要求，本文重点研究了机组主要部件的寿命模型与故障 诊断两方面的内容，主要内容如下： 1 机组主要部件寿命在线计算模型建立。本文分析了过热器、再热器、汽包、高 中压缸转予的主要寿命损耗形式，在此基础上并结合实时计算的要求分别给出了各自 的寿命计算的在线计算模型。 2 蠕变寿命和低周疲劳寿命通用计算模块的设计和实现。机组主要部件的寿命损 耗形式如表1 1 所示。 表1 1 机组主要部件的寿命损耗形式 低周疲劳损耗 蠕变损耗 汽轮机转子 汽包 过热器 再热器 蠕变寿命损耗采用以l a r s o n m i l l e r 公式为基础的时间一分数方法。低周疲劳寿命 的计算主要是根据应力计算的结果应用雨流法找出应力幅，而后根据应力幅一致裂周 次曲线找到此应力幅下对应的应力循环次数，采用线性累加法则即可计算出寿命损耗 值。为了能做到通用，本文分别设计了通用的蠕变寿命计算模块和低周疲劳寿命计算 模块，并将此应用于过热器、再热器和汽轮机高、中压转子的寿命计算。 3 建立了基于规则和模糊推理的故障诊断专家系统。 分析了基于规则和模糊推理的故障诊断专家系统，包括推理算法，知识库，置信 度计算等的实现。运用c + + 语言开发了基于规则和模糊推理的专家系统故障诊断软件 并应用与鄂尔多斯电厂s i s 中。首次使用模糊聚类和决策树的方法确定了征兆的阈值。 根据机理知识、专家经验和相关文献总结了凝汽器真空故障知识库，并对本文建立的 专家系统进行了测试，取得了比较好的诊断结果。为了使用户比较容易的对专家系统 知识库进行维护，本文还开发了故障诊断专家系统知识库维护模块。 4 设计模式在s i s 软件开发中的应用初探。 设计模式是面向对象软件的设计经验的总结，它可以有效的改善程序的结构，提 高程序的通用性。本文在软件设计和开发中初步探讨了模板模式和策略模式在s i s 开 发中的应用。 7 东南大学硕士学位论文 第二章机组主要部件寿命在线计算模型 当前我国用电结构发生了很大的变化，峰谷差日益增大，越来越多的机组需要参与 调峰。机组负荷的变化必然引起一些部件的应力波动，使金属产生疲劳和应力损伤， 影响机组的安全运行。同时一些已经运行了很多年的机组，其高温承压管道和转子等 部件是否能经受调峰的要求也需要进行计算。要使机组的危险部件能安全运行，运行 人员就要实时了解这些部件的应力和剩余寿命等参数，这些都迫切需要实现对机组危 险部件的应力和寿命等参数的在线计算。 国内对寿命的计算研究主要集中在比较危险且易造成严重后果的部件，比如过热 器、再热器、锅炉汽包以及转子等等。这些部件寿命的监测已经具有了一些相应计算 模型，但是这些模型大多都只能进行离线的计算，不适合在线计算的需要。本章在分 析这些部件寿命损耗机理的基础之上，针对过热器、再热器、汽包和高中压转子分别 提出了相应的寿命在线计算模型，这些模型计算量小，计算所用的参数基本都可以从 d c s 中得到，并且能满足工程精度的要求。 2 1 过热器再热器寿命计算模型 过热器和再热器是火电厂最主要的热力设备之一，它的可靠性将直接影响到机组 的安全运行。据统计，引起锅炉故障而导致停机的事故原因中，7 0 是因受热面损坏， 而半数以上的受热面损坏出现在过热器和再热器。 过热器、再热器管内流过的是高温高压蒸汽，并且布置于高温烟气区域，其金属 的工作条件非常恶劣。造成过热器、再热器寿命寿命损耗的因素主要有以下几点 1 3 7 1 3 8 】( 3 9 】： 1 过热器、再热器长期运行在高温条件下，会发生组织性能变化，金属会因为应 力和高温产生高温蠕变。过热器、再热器运行时还会超温，温度愈高，高温蠕变发展 速度愈快。锅炉高温部件的蠕交机理可以简单懈释为：在外力作用下，金属产生一定 的塑性形变，并造成加工硬化，此加工硬化又不断因高温下的回复作用而消失或软化。 由于应力和温度是持续作用的，因而这种硬化和软化过程不断交替进行，从而产生蠕 变现象。从蠕变过程作用的特点来看，蠕变过程与部件温度水平密切相关。蠕变损坏 是一个时间积累的过程，一旦超过蠕变破坏温度，它的破坏变化就不断积累，且随着 温度的升高，破坏的速度呈明显的加速状态。所以实际中对于高温过热器、高温再热 器等这类高温承压部件应给予特别的注意。因为这些部件工作温度水平高，一旦出现 超温会大大加速部件的寿命消耗。因此要延长过热器、再热器寿命，必须严格控制过 热器、再热器不超温。 2 温度不均，流量不均。在高参数大容量锅炉中，蒸汽流量沿各蛇形管间分配的 不均匀程度以及烟气温度、烟气流速沿烟道宽度和高度方向的不均匀程度比较严重， 第二章机组主要部件寿命在线计算模型 易使局部管子服役条件恶化。 3 飞灰磨损和高温腐蚀。过热器和再热器管道的外表面直接暴露在高温烟气中， 高温烟气中有很多的飞灰颗粒( 它们是由燃烧过程中，煤中所含的矿物质转化而来的) ， 从而对管道的外表面造成一定程度的磨损。一部分飞灰还会沉积在管道的表面，这些 积灰一方面对管壁产生腐蚀作用，导致管壁减薄，另一方面使炉内传热恶化，导致炉 膛出口温度升高，从而形成高温过热器的局部超温。此外，高温烟气中还有一些过量 氧气，会使金属管道的外表面发生强烈氧化。不过氧化过程中，会在管道表面形成一 层薄的但又致密而稳定的氧化膜，从而阻止进一步的氧化，这种抗氧化能力称为热稳 性。但是，当温度超过一定程度时，这种熟稳性会明显下降。此外，在过热器和再热 器管道内部流动的高温蒸汽会在管道的内表面上产生蒸汽腐蚀现象。蒸汽腐蚀实际上 也是一种氧化过程，氧是由蒸汽在高温下分解而产生的。在铁触媒的作用下，蒸汽在 4 0 0 左右就会发生分解，分解后的氧原子会与铁原子结合，在管道内壁产生均匀的氧 化层，造成管壁的减薄。管壁变薄，蒸汽压力产生的应力增加，引起过热器、再热器 寿命损耗就会加快。 在机组启停或调峰运行时，过热器和再热器管内蒸汽压力的变化和波动，在管道 金属内部产生不同程度的交变应力，这也会造成管道金属的疲劳寿命损耗。由于过热 器和再热器管道的管壁一般较薄，因而其内外壁温差较小，由此而产生的热应力也较 小，因此由热应力造成的疲劳寿命损耗可不考虑。 过热器、再热器的损坏对安全和经济运行带来极大的影响，为了提高机组和可靠 性，延长设备的使用寿命，对过热器和再热器的运行状态进行监测、分析和诊断非常 必要。 2 1 1 过热器、再热器寿命计算概述 过热器、再热器寿命的寿命评估主要金相实验方法、测量氧化层厚度的方法、0 函 数法以及时间分数方法等几种。 金相试验的分析方法主要是通过珠光体球化试验和破化物分析来评定过热器和再 热器管道的寿命。珠光体的球化程度越严重，碳化物中c r 、m o 的含量越高，颗粒越 大，则管子的破坏程度越厉害。碳化物尺寸是一项重要的蠕变损伤特征参数，通过它 的尺寸大小就可以粗略计算出过热器，再热器管道的剩余寿命。同时根据材料学扩散 理论，金属的球化时间与运行温度有确定的函数关系，因此根据显微镜评定出的管子 球化等级，可以反推各试样的运行温度，从而对管子的运行情况有更清楚的了解。 测量管壁厚和氧化层厚度的方法评定过热器、再热器寿命是西安热工研究院材料 研究所经过十余年的研究提出一种锅炉管温度及寿命监测新技术。该技术主要由锅炉 管壁金属厚度及内壁氧化层厚度测量系统和锅炉管温度及寿命监测计算软件两大部分 组成，其主要可为火力发电厂解决厚度、温度场、应力场、寿命场等的测量。其超声 测厚系统能分清并精确测量锅炉管壁金属层厚度及内壁氧化层厚度，并且通过锅炉管 内壁氧化层厚度( 管内壁氧化层厚度的增长和性质与锅炉金属管壁温度有对应关系) 9 东南大学硕士学位论文 等参数计算出锅炉金属管壁温度沿整个炉膛宽度和高度方向的分布，从而找出哪些管 段处于超温运行状态。此外，通过锅炉管金属层厚度等参数还可计算出锅炉管的应力 分布，以及通过管壁金属层厚度及内壁氧化层厚度等参数计算出锅炉管的剩余寿命， 得出哪些管段需要更换，以及何时更换，以指导电厂制定锅炉检修计划、维修计划、 换管计划，配合其它手段实现状态检修。在更换锅炉管时做到有目的、有计划，而不 是目前所采取的盲目的大面积换管，从而避免不必要的浪费。 金相实验方法和测量氧化层厚度方法可以得到比较令人满意的评估结果，但是这 两种方法都要停机，在检修时进行。金相实验的方法还要割取管壁试样，是一种有损 检测方法。它们都不适合用于在线监测。 0 函数方法是目前确定蠕变寿命较准确的方法，但是由于它的计算需要知道材料 的断裂应变、材料在蠕变初始阶段和第三阶段的蠕变速率及蠕变变形量，而这些参数 对于在线系统来说，是较难获得的，因此本文在计算蠕变寿命时不采用这个方法。 计算蠕变寿命损耗最简单，最普遍应用的方法，是r o b i n s o n 提出的时间分数方法。 其方法就是把部件高温运行的历史记录折算为蠕变寿命损耗的百分数，常称之为 r o b i n s o n 法则。本文就是在r o b i n s o n 法则基础之上提出了高温蠕变在线计算模型。 2 1 2 过热器、再热器寿命在线计算模型 通过上面的机理分析，锅炉过热器、再热器管道在运行过程中寿命损耗的主要因 素是金属的高温蠕变作用，其次由于管道内外壁的腐蚀和管道外壁的磨损会使管壁减 薄，致使管壁金属承受的应力增大，加速寿命损耗。疲劳作用对于管道寿命的影响相 对于前两者较小，在计算时常不考虑或引入一个安全系数。对于过热器、再热器，本 文主要是在考虑其管壁减薄的情况采用时间一分数方法下计算高温蠕变寿命损耗。 r o b i n s o n 法则的内容为：设部件所承受的实际应力为盯，工作温度为t ，运行时 间为f ，又己知材料在该应力和该温度下的蠕变时间为f ，则在这一段运行时间f 内， 蠕变寿命损耗的百分数为f i r ，。若运行过程中部件的工作温度和应力是变化的。则应 按变化的温度和变化的应力对时间进行积分，并认为当寿命损耗分数的总和为1 时， 即发生破坏。即： 熙1 ( 2 - 1 ) j r , ( t r ，t ) 实际应用r o b i n s o n 法则时，不采用积分形式，而是采用简单的求和的形式，为： 咖= 圭譬l ( 2 - 2 ) 式中 拜一蠕变寿命损耗分数 1 0 第二章机组主要部件寿命在线计算模型 t 一在i 参数( 互，正) 下的运行时间，h “一在i 参数下的材料蠕变断裂时间，h 材料不同运行温度下的蠕变断裂时间是材料、应力、壁温的函数，可通过 l a r s o n m i l l e r 公式计算获得。l a r s o n m i l l e r 公式反映了不同应力下，金属运行温度与 其蠕变断裂时间的关系，其计算公式如下： t ( a + l g r ) = p ( t r ) ( 2 - 3 ) 式中 f 一蠕变断裂时间，h r i 金属管壁温度，k a 一与材料性质有关，a 取1 8 2 5 p ( 8 ) 一热强参数，是应力的函数。 热强参数通常采用l g & 的多项式： p ( d = c o + q l g s + c 2 1 9 2 6 + c 3 1 9 3 6 查金属材料手册，得到金属材料在一系列应力值及不同温度下的断裂时间 求出热强参数多项式的系数。 这样式( 2 3 ) 就变为 ( 2 - 4 ) 即可 t ( a + l g r ) = c o + c l l 9 6 + c 2 1 9 2 万+ c 3 1 9 3 占 ( 2 5 ) 过热器、再热器高压管道的应力计算式为： 占：!(旦旦(2-6) 2 s 式中 p 一工质压力，m p a 。 d 。一管子的内直径，m m 。 s 一为管壁厚度，m m 。 在本次开发的过热器、再热器寿命计算软件中，为了简化计算，满足实时计算的 要求，取应力为额定工况下的应力，壁厚为o 8 5 倍的原始壁厚，这样内压应力就变为 常数，相应的热强参数也变为常数，这样蠕变断裂时间就变成运行时间的单值函数。 1 2 c r l m o v 的热强参数与应力曲线关系如图2 - 1 所示，从图中查得额定压力下应 力所对应的材料热强参数。这样就可以计算出不同温度下的蠕变断裂时间。为了进一 步减少实时计算中的计算量，软件设计中应用l a r s o n m i l l e r 公式事先将各温度对应的 蠕变断裂时间计算好，放入文件中，进行寿命