火电厂凝汽器诊断系统的研究.doc

毕业设计（2011届）题 目：火电厂凝汽器诊断系统的研究 V摘 要凝汽系统是电站凝汽式汽轮机组重要的辅助设备，它起着冷源的作用。凝汽器运行的热力性能对汽轮机机组运行的安全性与经济性有很多影响。深入研究凝汽系统的工作机理和运行特性，建立凝汽系统运行监测模型，对提高机组经济运行水平有着重要的意义。由于引起凝汽器故障的原因很多，判断起来不容易。本文采用比较先进的专家系统来进行凝汽器的故障诊断。论述了火电厂凝汽设备的运行特性；分析了凝汽系统的常见故障，重点分析了凝汽器故障与专家系统故障征兆之间的关系；在综合了专家系统之后，构成了凝汽器性能诊断专家系统模型。该凝汽器性能诊断专家系统，能及时、在线地对故障有关的数据进行监测，得到故障原因和操作指导，从而使系统尽快恢复正常，保证生产的顺利进行。主要工作包括三个方面：整理了凝汽器故障知识库；开发了诊断专家系统的知识库；利用Visual Basic 6.0开发了凝汽器性能诊断专家系统。该系统具有界面友好，操作简单等特点。关键字：凝汽器 性能诊断 专家系统 ABSTRACTCondenser system is condensing steam turbine power plant auxiliary equipment important, it plays the role of the cold source. Thermal performance of condenser operation has important impact to security and economy of the turbine unit operation. Depth study of the working mechanism of steam systems and operational characteristics, the establishment of steam system operation monitoring model, the level of economic operation to improve the unit has an important significanceIt isnt easy to determine Condenser Fault. In this paper, more advanced expert system for fault diagnosis of the condenser. Condensing power plants are discussed operational characteristics of equipment; of the common faults steam system, analyzes the failure of condenser fault with the expert system the relationship between symptoms; in the integrated expert system, constitutes a condenser Performance diagnostic expert system model.The condenser performance diagnostic expert system, in time, on-line fault-related data to monitor, is cause of the malfunction and operational guidance, so that the system returns to normal as soon as possible to ensure smooth production. Main work includes three aspects: a consolidation of the condenser fault knowledge base; two developed a diagnostic expert system knowledge base; three developed using Visual Basic 6.0 condenser performance diagnostic expert system. The system is user friendly, simple operation.Visual Basic 6.0.The software is easy for operators to operate and has a friendly interface.Key Words: condenser performance diagnosis expert system 目 录 第一章 绪论11.1 课题的背景及意义11.2 国内外研究现状41.3 本论文的主要工作5第二章 火电厂凝汽器主要的性能指标和常见故障62.1 概述62.2 凝汽器简介62.3 凝汽器主要性能指标分析及状态检测参数的确定72.3.1 凝汽器主要性能指标的分析72.3.2 凝汽器状态监测参数的确定92.4 凝汽器故障102.4.1 真空系统比严密112.4.2 凝汽器冷却管112.4.3 真空系统管路爆裂112.4.4 凝汽器冷却管脏污122.4.5 真空泵故障122.4.6 循环水排水管道排水不畅122.4.7 循环水量不足122.4.8 凝汽器满水132.4.9 凝结水泵工作不正常13第三章 凝汽器性能诊断系统研究143.1 故障诊断的主要理论和方法143.1.1 故障诊断神经网络理论和方法143.1.2 故障诊断模糊诊断理论和方法143.1.3 故障诊断专家系统诊断理论和方法153.2 专家系统163.2.2 专家系统的特征163.2.3 专家系统的构成173.3 凝汽器性能诊断专家系统的组成173.4 知识库的不确定性表示193.5 规则库的不确定性203.6 结论的可信度23第四章 凝汽器性能监测与故障诊断系统的实现244.1 凝汽器性能监测与故障诊断系统的概述244.1.1 系统的编程环境244.1.2 系统的运行环境244.1.3 系统总体构成和功能244.2 系统功能实现过程简述和主要界面264.3 离线火电厂凝汽器性能诊断294.4 知识库查询与编辑30第五章 结论与展望325.1 结论325.2 展望32参考文献33附录1：部分程序34致 谢38物理电气信息学院 本科毕业设计第一章 绪论1.1 课题的背景及意义纵观20世纪的社会经济发展，一个突出特点是电力的使用己渗透到社会经济和人民生活的各个领域。一个国家的电气化程度成为衡量其社会现代化水平高低以及物质文明和精神文明程度高低的重要标志之一1。进入21世纪后，我国电力工业一方面将在20世纪取得巨大成就的基础上，仍以较高的速度和更大的规模发展，另一方面电力的发展还要合乎可持续发展战略，并受到环境的严重制约；同时还将接受全球范围内电力体制改革和技术创新能力的挑战，使之在技术上、管理上适应电力市场竞争需要，将迎接全球和地区经济一体化挑战。在我国电源结构中，火电设备容量占总装机的80%左右，在相当长的时期内这种状况是难以改变的。随着社会主义市场经济和竞争机制的建立和完善，对火力发电的安全性、经济性、灵活性、清洁性提出了更高的要求。进入21世纪,人类面临一个以信息、电子、生物技术为代表，从集中到分散，从等级结构到网络结构，从简单选择到多种选择的时代。火力发电运行的智能化、远程化、网络化以及实时监测和集中控制技术不但具有迫切的需要，而且成为可能。同时也提出了大量理论上、技术上需要研究、探索的新问题2。随着社会经济发展对电力需求的日益增长和科学技术的飞速进步，各种高参数、大容量的发电机组不断投产，它们提高了电能生产效率，降低了劳动成本节约了能源和劳动力，已经成为我国电力生产的主力军，为我国国民经济的快速发展奠定了基础。而且随着电力体制改革的深入，电力行业各大公司都已经挂牌运营，实行厂网分开和竞价上网已势在必行。大型火电机组参数多、系统复杂、设备大多处于高温、高压下的工作环境，而且随着机组容量的增大，其结构和系统日趋复杂，而且随着市场经济的发展，国内的电力企业越来越迫切地认识到发电设备的可靠性是适应新的市场需要的重要保证，也是参与竞争的必不可少的先决条件。以前国内电力企业在进行发电设备的检修管理时，比较注重购置设备能完成的特定功能，关心其狭义的质量。如今人们对发电设备的质量有了新的认识，电力行业不仅要注重发电设备具有的特定功能，更需要注意它在给定的时间内(如1年或1个月)有满足发电需要的可用时间，这就是发电设备的可靠性。如果电力企业购买的某台设备不可靠，经常发生故障，必然导致电力企业不能安全稳定生产，致使生产计划不能完成，不利于市场竞争；同时造成巨大的经济损失，其中包括故障检修损失、电力企业的发电量损失等，甚至还可能造成设备严重损坏事故和恶性人身伤亡事故。 也就是说如果机组设备出现故障，则设备预期的功能就会降低或者失去，导致经济性下降，甚至造成灾难性的事故。一旦机组故障停机，除了对电厂本身造成巨大的经济损失以外，对整个电网也会产生很大的冲击，引起重大的经济损失和社会后果。在实际中，国内外电站就因为设备故障出现过重大的灾难事故。例如，1972年日本关西电力公司南海电厂3号汽轮发电机组因振动引起严重的断轴毁机事故，1985年我国大同电厂和1988年我国秦岭电厂的200MW汽轮发电机组的严重断轴毁机事故，都造成了巨大的经济损失3。在IMEKO第三届国际会议上曾报道Pekrul发电厂实施故障诊断的经济效益的情况分析如表1-1所示4。表1-1 电厂实施故障诊断的经济效益情况分析电厂情况装机容量：1000MW，电费：0.015美元/(kWh)，产值：1亿美元事故损失按可靠性分析，事故停机14次/年，诊断效果能查出50%的故障，其中50%有诊断系统查出，内含虚警20%恢复时间3天/每次事故诊断效益B=140.50.5315(10.2)=126万美元/年投入经费投资：20万美元，年监测费：1.5万美元/年诊断成本A=（20万/10年折旧）1.5万美元年=3.5万美元诊断经济效益系数C=B/A=36由此可见，电厂迫切需要提高电力系统的可靠性和安全性，研究电厂系统故障诊断技术和方法，开发实用有效的故障检测与诊断系统，加强对电厂设备的监测和故障诊断，研究如何有效、快速地对机组所发生的故障进行诊断及实现对机组未来故障的预测，以提高火电机组运行的经济性和安全性。凝汽设备作为汽轮机组的重要辅机之一，是电厂热力循环的重要环节，对整个电厂的建设和安全、经济运行都有着重大影响。而众所周知，火电机组是由多个相互关联的子系统构成的复杂串并联系统，系统既包括锅炉、汽轮机、发电机等主机，也包括锅炉制粉系统、汽轮机回热循环系统等诸多辅助热力系统和设备。对这样一个复杂的系统，要保证其安全可靠运行，提高主机的可靠性固然十分重要，但热力系统及辅助设备的可靠性也绝对不容忽视。汽轮机组热力系统是火力发电厂中的重要系统，随着机组容量和参数的不断提高，热力系统的运行水平对整个机组的安全性、经济性的影响越来越大。例如，高参数、大容量机组的高加停运，机组约降低出力15%左右，以300MW机组为例，高加停运一天即可少发电约130万千瓦时，且各项热经济指标增大，经济性显著下降5。而热力系统故障严重时还会危及机组运行的安全性，在国内，发生过因加热器故障，给水联动装置失灵，引起锅炉断水停炉的事故；发生过高压加热器的蒸汽冷却器内部钢管泄漏，引起高压加热器汽侧满水，而危急疏水门、电动进汽门给水旁路联成阀均失灵，汽侧安全阀设置不合理，以致高压加热器汽侧壳体爆破的事故;发生过给水加热器疏水管路冲刷泄漏，水喷向发电机，以致发电机出口电压互感器短路的事故；发生过高压加热器疏水系统运行不当，疏水管道剧烈振动，被迫停机的事故。而凝汽器由于设计、安装、检修、运行机制等方面的原因，在运行过程中时常会出现凝汽器真空过低的现象，如果凝汽器真空过低，不仅会引起蒸汽在机组中的有效焙降减小，循环热效率下降，还会导致汽轮机排汽温度升高，排汽缸变形和振动等故障6。凝汽设备作为凝汽式汽轮机装置的一个重要组成部分，其主要任务有两个：一是在汽轮机的排汽管内建立并维持高度真空；二是供应洁净的凝结水作为锅炉给水。而凝汽设备在汽轮机装置的热力循环中起着冷源的作用，降低汽轮机排汽压力和排汽温度，可以提高循环热效率。故必须保证汽轮机排汽在凝汽器中不断地凝结，并使凝汽器达到所要求的真空值，是火电厂热力循环中的重要一环，对于整个火电厂的安全经济运行都有重要影响7。因此凝汽器的安全经济运行愈来愈受到人们的重视。凝汽器系统对火电机组的影响表现在以下三个方面：(1)从循环效率来看，凝汽器真空的好坏，即汽轮机组终参数的高低，对循环效率所产生的影响是和机组初参数的影响同等重要的。例如，国产超高压200MW机组，若凝汽器真空下降0.98kPa，则机组热耗大约上升 63kJ/(kWh)，而机组初压下降490kPa，机组热耗才上升20.93kJ/(kWh)8。而一般电厂运行人员和管理人员对于机组终参数往往不如初参数那样重视，往往不知道某一运行工况下最经济背压应该是多少，当然也就谈不上力求维持经济背压了。而作为火电厂汽轮机组的冷源主要设备的凝汽器，其运行状态的良好程度对汽轮机组的经济性和安全性有重大影响，真空每降低1kPa，汽轮机的汽耗量增加1.5%2.5%，汽轮机组循环热效率降低1%左右，从而使供电煤耗增加3g(kW h)左右;同时，凝结水的过冷度增加1%，机组煤耗量将增加0.13%9。(2)从运行安全性看，不同机组凝气设备可使整个机组的可用率有不同程度的降低，据统计，600MW机组凝汽设备故障可使整个机组可用率降低3.8%9。而且，这里统计的可用率仅仅只包括凝汽设备各组件本身直接引起的，如果将因凝汽器冷却管的微小泄露，恶化了凝结水品质，以至引起锅炉受热面结垢、腐蚀甚至“爆管”事故也计算在内，那比例就更大了。而且凝汽器用水量大约占电厂总耗水量的42.8%79.5%。这对于位于缺水地区的电厂来说，是一个令人瞩目的数字。(3)从设备的耗电量看，火电机组的辅机耗电量约占其发电量的5%9%其中与凝汽器相关的循环泵、凝结水泵、射水泵(使用射水抽气器的设备才有) 的耗电量也占了相当大的比重。提高在线监测与诊断的实时性和可靠性，增强早期预报的准确度，提高系统或者相应模型的真实性和鲁棒性，完善监测与诊断系统在过渡过程中有效性，增加诊断系统的自学习能力和自适应能力，提高系统和设备结构变化时的监测与诊断能力，提高系统对设备与传感器故障的辨别，增强系统的抗干扰能力等，这些都是下一步值得研究与注意的问题。1.2 国内外研究现状电站设备的状态监测及故障诊断经过近五十年的发展，已日趋完善，它是一种了解和掌握设备使用过程状态的技术。它可以确定设备整体或局部是正常还是异常，能早期发现故障及其原因，并能预报故障发展趋势。设备状态监测与故障诊断过程包括状态监测、故障检测、故障识别或诊断、故障分析与预测、故障处理对策与建议等。目前国内外在这一领域的研究己经取得了一些很好的成果，避免了很多恶性事故，带来了不错的经济效益，我国已经研制出了可以和国际接轨的大型设备状态监测与故障诊断系统。随着近十年来人工智能技术的迅速发展，特别是知识工程、专家系统、模糊逻辑和神经网络在诊断领域中的进一步应用，迫使人们对智能诊断问题进行更加深入、系统的研究，形成了一系列研究热点，也取得了一系列研究成果。状态监测的任务是了解和掌握设备的运行状态，获取反映设备健康状态的参数，包括采用各种检测、测量、监视、分析和判断方法，结合机组的历史和现状，考虑环境因素，对设备运行状态进行评价，判断其处于正常或非正常状态，并对状态进行显示和记录，对异常状态做出报警，以便运行人员及时加以处理，并为设备的故障分析、性能评估、合理使用和安全工作提供信息和准备基础数据。在线状态监测主要是测取与设备有关的状态信号。状态信号是故障信号的主要载体，也是诊断的重要依据。它包括信号测取、中间变换、数据采集三个过程。在线监测技术在电力设备故障诊断中应用时间还不长，目前比较成熟的在线监测设备有局部放电、变压器油中氢气和微量水的在线监测等10。故障诊断的任务是根据状态监测所获得的信息，结合已知的结构特性和参数以及环境条件、该设备的运行历史(包括运行记录和曾发生过的故障及维修记录等)，对设备可能要发生的或己经发生的故障进行预报、分析和判断，确定故障的性质、类别、程度、原因和部位，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、维修和治理的对策措施并加以实施，最终使设备复原到正常状态。国外的诊断技术的发展优先于我国至少己有2030年的历史。最早开始故障一诊断技术研究的国家是美国，目前主要从事电站故障诊断系统的主要公司有：美国的西屋公司（WHEC）、IRD公司、Bently公司、BEI公司、瑞士ABB公司、丹麦的B&K公司、日本三菱重工。美国西屋公司从1976年开始电站在线计算机诊断工作，1980年投入了一个小型的电机诊断系统，1981年进行电站人工智能专家诊断系统的研究，1984年应用于现场，后来发展成大型电站在线监测诊断系统(AID)，并建立了沃伦多故障运行中心(DOC) 。1976年，美国南利福尼亚的Edison公司燃烧工程公司共同研发Mohave电厂煤处理设备的诊断检测系统。80年代初美国研制了锅炉“四管”爆破故障诊断专家系统，以及汽轮发电机组检测诊断专家系统。90年代初，日本的日立公司研制出了指导火电厂运行和维护的专家系统。西班牙的A.Mufioz和M.A.Sanz-Bobi研究了基于概率径向基函数的凝汽器故障诊断，而美国的Ghiaus研究了基于定性图的凝汽器故障诊断。我国从事与电站设备故障诊断系统相关的单位有数十家，如上海发电设备成套设计研究所、西安交通大学、清华大学，哈尔滨工业大学、西安热工研究所等。80年代中期以来，我国清华大学、哈尔滨电工所、北京自动化研究所、浙江大学联合研制QH型、ZHX型、BBA型用于汽轮机故障诊断的专家系统。东南大学设备监控与故障诊断研究所研制的机械设备工况监视与故障诊断系统MFD310己有多套成功应用于电力行业的旋转机械的工况监视与诊断，取得良好的经济和社会效益，而且开发了国产200MW机组常见振动故障系统，以及振动在线监测、保护和故障诊断系统。哈尔滨工业大学振动工程中心开发出近20套多种类型的故障诊断装置，并用于各电厂大型汽轮机发电机组的状态监测和故障诊断。西安交通大学研制了“机组振动微机监测诊断系统” ，并且开发了200MW发电机组状态监测和故障诊断系统和“大型旋转机械计算机状态监测与故障诊断系统” 。哈尔滨电工仪表研究所和清华大学等单位联合研制的ZHX-10型状态监测、分析及故障诊断系统，山东电力科学院和清华大学等单位共同开发的大型汽轮机发电机组远程在线振动监测分析与网络诊断系统等，在电力行业中发挥了一定的作用，取得了良好的经济和社会效益。1.3 本论文的主要工作本课题的目的是通过对凝汽系统运行特性的研究，全面的总结并分析凝汽系统的常见故障及其征兆，然后通过软件设计将凝汽系统的监测和故障诊断实现可视化，主要内容有：1、研究总结凝汽器故障机理，结合有关理论知识、专家知识分析凝汽器的故障与征兆之间的关系，建立凝汽器性能诊断知识库。2、开发凝汽器性能诊断专家系统的知识库。3、利用Visual Basic 6.0，开发出凝汽器性能诊断专家系统，能够实现在线参数监测和专家诊断，并且能实现离线诊断，开发的系统界面友好，有利于现场使用。第二章 火电厂凝汽器主要的性能指标和常见故障2.1 概述凝汽器压力作为凝汽器系统最主要的性能指标，当其压力偏离应达值时，系统将造成附加能量损失。而循环水系统不匹配、真空系统不严密以及凝汽器铜管脏污结垢等都会影响凝汽器的运行状态，并对凝汽器系统的各种典型故障进行分析，以指导凝汽器的经济运行。2.2 凝汽器简介凝汽器又叫冷凝器，是蒸汽动力装置中不可缺少的重要组成之一。所谓汽轮机组就是指汽轮机、冷凝器的总称10。不论电站机组或舰船机组冷凝器都是不可缺少的主要设备，冷凝器在汽轮机装置的热力循环中起着冷源的作用。凝汽器系统主要任务是将汽轮机排汽凝结成水，并在汽轮机排汽口建立并维持一定的真空。凝汽设备包括凝汽器、循环水泵、凝结水泵及抽气器，其中凝汽器是最主要的组成部分，大多数凝汽器是管壳式结构的换热器。在凝汽器开始工作前，必须利用抽气器将壳侧空气抽出以建立真空，在凝汽器正常工作时，也必须利用抽气器将从真空系统不严密处漏入的空气以及夹带在汽轮机排汽中的空气不断地抽出，以维持真空。火电机组热力系统如图2-1所示，经由冷却水泵抽来的具有一定压力的冷却水，流过冷凝器的冷却水管(以下简称冷凝管)，把蒸汽凝结成水时放出的热量带走，而凝结水从冷凝器底部由凝结水泵抽出，送往锅炉或蒸汽发生器继续使用11。汽轮机凝汽设备的冷却方式主要有开式冷却系统(直流供水)和闭式冷却系统(循环供水)两种。以江、河、湖、海等水作为冷却水的供水系统是开式冷却系统，采用专门的冷却塔，冷却水在凝汽器与冷却塔之间进行循环的冷却水方式是闭式冷却系统。 冷凝器内部主要由数以万计的冷凝管、前后水室及管板组成。冷凝管固定在前后水室中的管板上，材质通常为铜和钦，排列方式一般有正方形直列、正方形错列、正三角形错列等几种。机组运行时，冷却水从前水室的下半部分进来，通过冷凝管进入后水室，向上折转，再经上半部分冷凝管自前水室的上部排出。汽轮机做功后的乏汽则由进汽口进来，经过冷凝管之间的缝隙往下流动，向管壁放热后凝结为水12。凝汽器在热力发电厂中，有很重要的地位，但是由于设计、安装、检修等原因，凝汽器在运行过程中常常出现一些故障13。如低真空运行、冷却管泄漏、凝结水过冷、凝结水含氧量高等。其中最常见的是凝汽器低真空运行，对此我们将作重点分析。凝结水过冷，使凝结水含氧量增加，而导致管道、设备腐蚀。因此凝结水的过冷度及含氧量也是评价凝汽器运行热力性能的主要指标，需要加以监视。图2-1 火电机组热力系统图2.3 凝汽器主要性能指标分析及状态检测参数的确定2.3.1 凝汽器主要性能指标的分析要对凝汽器系统进行实时状态监测，首先需要确定能够反映凝汽器系统经济状态的主要性能指标，这是凝汽器系统状态监测的基础。下面主要介绍凝汽器系统主要的性能指标参数。（1）凝汽器真空度凝汽器真空对机组的出力和热耗有很大的影响，是凝汽器运行监测的重要参数。当凝汽器的真空度过低时，不仅汽轮机的效率降低，而且由于汽轮机的排汽温度升高，会使汽轮机的排汽口和凝汽器壳体产生过量的热变性，这可能引起汽轮机振动，或者破坏凝汽器水管管口胀管的严密性。当凝汽器真空度降低时，为保证机组出力不变，必须增加蒸汽流量，而蒸汽流量的增加又将导致轴向推力的增大，使推力轴承过负荷，这将影响汽轮机组的安全运行14。凝汽器的真空度每降低980Pa，会使汽耗量增加1.5%2.5%凝汽器真空度不但受循环水量和水温的影响，还与真空系统的严密性、铜管的清洁程度、凝汽器负荷(即汽轮机排汽流量)有关。（2）凝汽器传热端差在凝汽器内含有少量空气，由于空气的相对含量很小，可以认为凝汽器压力Pk即等于蒸汽的分压力Ps，因此蒸汽温度等于凝汽器压力Pk相对应的饱和温度ts 。ts与凝汽器循环水出口温度气tw2之差称为凝汽器的端差，用t表示。凝汽器传热端差也是衡量凝汽器运行状态的重要参数，它可以反映凝汽器真空的密封性和铜管的传热效果。运行中的凝汽器传热端差大小决定于:真空系统的严密性、铜管内外表面的清洁程度、铜管内循环水的流量和流速、凝汽器负荷、循环水的进口温度等。用下式表示： ts=tw1+t+ （2-1）式中：twl为循环水进口温度；t为循环水温升； 为传热端差 。在凝汽器冷却面积一定时，传热端差决定于传热量和传热系数。 = （2-2） 式中：K为传热系数kW/(m2K)；F为冷却面积m2；C为水的比热，4.187kJ/(k.gK)；Dw为循环水量kg/h。在凝汽器负荷和循环水流量一定时，传热端差决定于铜管表面的清洁程度和凝汽器内积存的空气量。凝汽器冷却面积结垢和脏污会影响传热效果，导致传热端差增大;真空系统不严密或者抽气器工作不正常会使凝汽器内积空气，并在冷却表面形成部分空气膜，同样会使传热端差增大15。(3)循环水温升循环水温对机组的经济性也有非常重要的影响。循环水温随季节变化，冬季凝汽器的真空比夏季高。当循环水温度比制造厂设计规定值偏高时，会导致凝汽器真空下降。对一台200MW汽轮机，在冷却倍率满足设计要求，系统比较清洁的情况下，如当循环水进口温度由20升至33过程中，循环水温度每变化1，机组煤耗平均升高0.635g(kWh)；当循环水温度由20降至5过程中，循环水温度每变化1，机组煤耗下降0.285g(kWh)。汽轮机的排汽在凝汽器中放出的热量被循环水吸收，由热平衡方程可得循环水温升为: (2-3 )式中: h、h为蒸汽和凝结水的焙kJ/kg； Dw为循环水量kg/h；Dk为进入凝汽凝汽器的蒸汽量kg/h；m为凝汽器的冷却倍率m=Dw/Dk. 。循环水温升也是评价凝汽器性能的一个重要指标，它不仅可以间接的影响凝汽器的真空大小，还可以直接说明循环水流量是否与当前机组运行的负荷相适应。汽轮机规程16规定： 循环水温升允许值为810。(4)凝结水过冷度汽轮机排汽被循环水凝结成为凝结水，从理论上讲，凝结水的温度应该等于凝汽器真空对应的饱和温度，但是由于凝汽器结垢或者运行上的缺陷，导致凝结水的温度低于凝汽器真空对应的饱和温度ts。饱和温度与凝结水的实际温度气之 差就是凝结水的过冷度之差用t表示。 t =ts +tn (2-4)凝结水过冷度的存在使锅炉给水吸热量增加，系统的热经济性降低。凝结水的过冷度每增加1，火电厂的煤耗量约增加0.1%0.15%;凝结水过冷还会使凝结水中的含氧量增加，因而对它流过的管道和设备产生腐蚀作用。汽轮机规程17 规定:凝结水过冷度允许值应小于2。2.3.2 凝汽器状态监测参数的确定选择合适的凝汽器状态监测参数，对监测凝汽器的运行状况具有重要的意义，并且能为诊断系统提供充足的历史数据。凝汽器运行中，需要重点监督如下参数:凝汽器真空度：是表征凝汽器工作特性的主要指标，是指凝汽器入口截面上的蒸汽绝对压力(静压)，为当地大气压力与凝汽器压力之差。提高真空能增加蒸汽做功的焙降，减少被循环水带走的热量，从而提高汽轮机的热效率18。凝结水过冷度:凝汽器运行时，凝结水温度理论上应等于凝汽器压力下的饱和温度，但实际运行中，由于蒸汽流动存在阻力，所以凝结水温度总是低于凝汽器压力下的饱和温度，其差值成为凝结水过冷度。在旧式结构的凝汽器上，由于冷却管管束设计上的不足，并未采用回热式结构，所以过冷度一般在3519。现代大型凝汽器均采用回热式结构，管束设计愈趋于完善，蒸汽流动阻力很小，在额定工况下运行时，凝结水过冷度可接近于零。凝结水过冷度是衡量凝汽器设计性能的主要指标。凝结水过冷度增加，将加大冷源损失，降低做功能力，直接影响机组的热效率及凝结水品质。循环水温升：循环水温升的变化直接影响机组真空，引起冷却水温升变化的原因有:一是冷却水流量变化，二是进入凝汽器的热负荷变化，三是总体传热系数变化。无论何种原因造成冷却水温升增加，都将使凝汽器真空降低。凝结水含氧量:凝结水含氧量增加，有两个主要原因：一是凝结水过冷度增大所致；二是热井水位以下的真空部分有空气漏入，特别是凝结水泵的入口轴封处。一个性能良好的凝汽器，运行中凝结水含氧量可达到5g/L0g/L。HEI标准规定，凝结水含氧量42g/L属合格的中等水平，一般可14g/L,最好可7g/L。传热端差：凝汽器传热端差是指凝汽器压力下的饱和温度与凝汽器冷却水出口温度之差，它是凝汽器运行监督的重要指标之一，传热端差的大小直接反映了凝汽器性能的优劣。传热端差与冷却面积、热负荷及传热系数有关，在一定热负荷和传热系数时，传热端差随冷却面积的增大而减小，在实际设计中，凝汽器不可避免地存在传热端差，设计传热端差一般在310范围内，多流程凝汽器可取=4.56.5，单流程凝汽器可取=79，传热端差最小不得低于2.8。循环水流量:循环水流量对凝汽器性能的影响来自两个方面：第一冷却水流量变化同热负荷变化一样，使得冷却水温升和端差发生变化，从而影响饱和温度及真空；第二冷却水流量的变化改变了凝汽器传热管内的冷却水流速，使得总体传热系数改变，势必波及凝汽器真空。2.4 凝汽器故障凝汽器在热力发电厂中占有很重要的地位，但是由于设计、安装、检修等原因，凝汽器在运行过程中常常出现一些故障20。凝汽器运行的最大特点就是它的低真空。当冷凝器的真空度过低时，不仅汽轮机的效率降低，而且由于汽轮机的排汽温度提高，会使汽轮机的排汽口和冷凝器壳体产生过量的热变形，这可能引起汽轮机振动，或者破坏冷凝器水管管口胀管的水密性。当凝汽器真空度降低时，为保证机组出力不变，必须增加蒸汽流量，而蒸汽流量的增加又将导致轴向推力的增大，使推力轴承过负荷，这将影响汽轮机组的安全运行。正是由于这些严重后果，所以有必要对凝汽器进行系统分析，根据故障状态的表现，尽可能早地查出故障原因，采取相应措施，提高机组运行地安全性和经济性。凝汽器运行中的故障主要有两个方面：凝汽器的真空度下降和凝结水的过冷度及含氧量增大。凝汽器真空度下降，可分为急剧下降与缓慢下降。凝汽器真空度的急剧下降又称凝汽器事故性真空破坏，产生这种事故的原因可能是：1.由于循环水泵工作不正常使冷却水流量连续地减小，或是由于冷却水泵工作突然失常而使冷却水流量突然急剧减少乃至发生所谓“失水”事故；2.抽汽设备工作失常；3.凝结水泵工作失常；4.机组真空系统突然发生空气大量渗漏。当发生真空急剧下降所引起的事故状态时，汽轮机必须立即减负荷，并通过对事故现象的分析，采取措施，消除产生真空急剧下降的原因。当凝汽器真空度以较小的速度缓慢下降时，要找出原因是比较困难的。此时应全面考察凝汽设备的运行状态，仔细分析各有关测试数据，找出故障原因和消除真空度下降的方法及措施。值得一提的是,汽轮机经济性指标与凝汽器真空特性具有更为复杂的关系，不能根据蒸汽凝结后比容急剧减小的现象，就认为是由于凝汽器建立与维持真空度的原因。一旦真空度未达到要求便只从凝汽器上找原因。实际上，凝汽设备的其它设备(抽气器、循环水泵、凝结水泵)的选型、设计是否正确，与凝汽器的匹配是否合理，工作状况是否正常等，都对凝汽器的真空度有很大的影响。另一方面，也不能把凝汽器真空度的建立与维护看成仅仅是抽气器的事，因为确定抽气器工作效果的重要条件之一就是从凝汽器抽出来的汽气混合物的参数(如混合物的流量、组成比例、温度等)，而这些参数主要取决于凝汽器本身的工作情况。总之，凝汽器设备各组成部分的工作特性和工作效果是相互影响、相互制约的。 凝结水的过冷度(凝汽器喉部的饱和温度与凝结水泵吸入管的凝结水温度之差，成为凝结水的过冷度)有损于设备的经济性，此外，凝结水的过冷却，使得凝结水在凝汽器内的除氧恶化，导致管道及设备的加速腐蚀21。通过对目前文献中关于凝汽器系统运行中常见的典型故障，并针对大型机组的对分式凝汽器系统进行A侧、B侧细化，整理出对分式凝汽器常见的故障类型，共有20种典型故障（本文将在第三章中详细阐述）。以下部分从20种典型故障中选取了九个主要故障并结合凝汽器性能诊断专家系统征兆（本文将自在第三章详细介绍）简述如下。2.4.1 真空系统比严密真空系统不严密会出现轻微漏气，其主要专家系统征兆表现为：1.真空缓慢下降；2.凝汽器端差增大(A侧)；3.凝汽器端差增大(B侧)；4.凝结水过冷度增大(A侧)；5.凝结水过冷度增大(B侧)；6.凝结水导电度增加(A侧)；7.凝结水导电度增加(B侧)；8.热井水位升高(A侧)；9.热井水位升高(B侧)；10.凝结水泵出口母管压力增加。2.4.2 凝汽器冷却管凝汽器冷却管破裂主要专家系统征兆表现为：1.真空缓慢下降；2.凝汽器端差增大(A侧)；3.凝汽器端差增大(B侧)；4.凝结水过冷度增大(A侧)；5.凝结水过冷度增大(B侧)。2.4.3 真空系统管路爆裂凝汽器真空管路破裂使空气大量进入凝汽器，这会使凝汽器的传热恶化而引起不良后果。首先是进入凝汽器容积的空气，明显地使凝结蒸汽对凝汽器管壁的放热系数变差，使凝汽器内总的导热系数变小。大量空气的渗漏，引起空气排除装置的过负荷，并因而使真空变坏。由于真空系统渗漏进了空气，汽轮机设备还有一个热损失源，这就是在蒸汽空气混合物中蒸汽凝结时，凝结水的过冷度。过冷度是由于蒸汽凝结成饱和水以后温度继续降低而使凝结水过冷造成的，在大量空气渗入汽轮机真空部分时，出现凝结水过冷却，特别是在射水抽气器开始工作于过负荷时，凝汽器的除氧能力急剧下降，凝结水严重地被氧气所饱和。给水中含氧量的增加，增加了从凝汽器到除氧装置之间水管道的腐蚀。给水管道结构材料的氧化腐蚀，除了金属损伤外，还引起锅炉受热面和汽轮机通流部分被铁，铜和其它化合物的氧化物结垢，使主设备运行极端复杂，并可能导致事故状态21。 真空系统管路破裂空气严重漏入主要专家系统征兆表现为：1.真空急剧下降；2.凝汽器端差增大(A侧)；3.凝汽器端差增大(B侧)；4.凝结水过冷度增大(A侧)；5.凝结水过冷度增大(B侧)； 6.循环水温升增大(A侧)；7.循环水温升增大(B侧)。2.4.4 凝汽器冷却管脏污由于蒸汽品质差，使铜管外表面产生硅酸盐垢，又由于冷却水比较脏或菌类含量较多而未采取有效的杀菌措施，很容易使凝汽器冷却管脏污(A, B侧)表面脏污。当凝汽器铜管脏污尤其是管内有较厚的硬垢时，传热效果比较差，凝汽器真空下降，端差增加，循环水进口温升减小，抽汽器抽出的空气温升与冷却水进口温度之差增加。凝汽器铜管脏污，清洁系数变小，内径减小，传热系数也减22。 凝汽器冷却管脏污主要专家系统征兆表现为：1.真空缓慢下降；2.凝汽器端差增大(A侧)；3.凝汽器端差增大(B侧)；4.循环水温升减小(A侧)；5.循环水温升减小(B侧)；6.循环水入口和出口压差增大；7.真空泵抽出的空气温度与冷却水进口温度之差增大2.4.5 真空泵故障真空泵是凝汽系统中的主要设备之一，它不断地将凝汽器中的空气抽出，以保证凝汽器内凝结放热的顺利进行，同时维护凝汽器内的真空度，所以真空泵的运行状况直接影响着凝汽器的真空。因此，真空泵如果工作不正常，不能将凝汽器中的空气排除，凝汽器内的空气含量逐渐增多，使凝汽器抽气口至抽气器进口之间的压差减小，凝汽器内空气分压增加，凝汽器的压力增加(即汽轮机组的排气压力升高)，对应的饱和温度升高，凝汽器的过冷度增加。由于空气量增加，传热受到影响，端差也会升高。所以，当真空泵工作不正常时，凝汽器真空下降，端差增加，凝结水过冷度增加，凝汽器抽气口至抽气器进口之间的压差减小22。真空泵故障主要专家系统征兆表现为：1.真空缓慢下降；2.凝汽器端差增大(A侧)；3.凝汽器端差增大(B侧)；4.凝结水过冷度增大(A侧)；5.凝结水过冷度增大(B侧)；6.循环水入口和出口压差增大；7.凝汽器抽气口与真空泵入口之间的压差减小。2.4.6 循环水排水管道排水不畅保证循环冷却水正常工作的设备的主要设备是循环水泵，而循环水排水管道的通畅与否直接影响到循环水泵的正常工作。如果循环水排水管道堵塞等原因造成排水不畅(A, B侧)循环水流量大量减小甚至断流，凝汽器内无冷却介质存在，汽轮机排汽无法被冷却，凝汽器内的压力急剧增加，真空急剧下降，凝汽器内的温度越来越高，抽气器抽出的汽气混合物的温度与循环冷却水的温度之差升高22。循环水排水管道排水不畅主要专家系统征兆表现为：1.真空缓慢下降；2.凝汽器端差增大(A侧)；3.凝汽器端差增大(B侧)；4.循环水温升增大(A侧)；5.循环水温升增大(B侧)；6.循环水泵出口压力增大。2.4.7 循环水量不足当循环水泵工作不正常，如电机电压降低或轴承摩擦加重，或者由于凝汽器冷却水管(进水侧)被大量杂物堵塞时，循环水量减小，凝汽器真空下降，端差增加，循环水温升增加，抽气器抽出的空气温度与循环水进口温度之差增加，机组不能满负荷运行22。循环水量不足主要专家系统征兆表现为：1.真空缓慢下降；2.凝汽器端差增大(A侧)；3.凝汽器端差增大(B侧)；4.循环水温升增大(A侧)；5.循环水温升增大(B侧)；6.循环水入口和出口压差增大； 7.真空泵抽出的空气温度与冷却水进口温度之差增大。2.4.8 凝汽器满水凝汽器的凝水水位可以通过控制水位调节阀的开度进行调节，当水位调节阀卡阀或调节失灵时，调节阀开度失控，凝水水位失调，此时将发生凝汽器满水故障或干锅故障(本文只研究满水故障)。当发生凝汽器满水故障时，即凝汽器高水位运行时，凝汽器下部的冷却水管失去冷却作用，造成排汽与冷却水之间的热交换面积小，凝汽器的真空急剧下降，端差增大，凝结水过冷度增加，抽气口抽出的空气温度与冷却水进口温度之差增加22。凝汽器满水主要专家系统征兆表现为：1.真空急剧下降；2.凝汽器端差增大(A侧)；3.凝汽器端差增大(B侧)；4.凝结水过冷度增大(A侧)； 5.凝结水过冷度增大(B侧)；6.凝结水泵出口母管压力增加； 7.循环水温升减小(A侧)；8.循环水温升减小(B侧)；9.真空泵抽出的空气温度与冷却水进口温度之差增大。2.4.9 凝结水泵工作不正常凝结水泵的作用是将凝结水加压，以足够的压力顺利的经过低压加热器，然后进入除氧器。如果凝结水泵工作不正常，凝结水泵出口压力降低，其电机电流减小，而且凝结水泵工作不正常，凝结水的流量减少，凝汽器内的凝结水逐渐增多，使得凝汽器的水位提高，其他症状与凝汽器满水事故所引起的症状相似：凝汽器的真空度降低，传热端差及凝汽器的过冷度都会相应的升高22。凝结水泵工作不正常主要专家系统征兆表现为：1.热井水位升高(A侧)；2.热井水位升高(B侧)；3.凝结水泵电机电流异常。第三章 凝汽器性能诊断系统研究任何一个系统从某种意义上来说都是一个故障发生器，无论采用多先进的设计和多严密的操作规范都无法杜绝故障的发生23。而任何故障发生的前期都会有其特定的故障征兆，而这些征兆又会在一定程度上影响整个大系统的安全性、经济性和稳定性。随着现代火电厂规模的不断扩大，自动化水平不断提高，各个设备之间的联系也越来越大。一个故障的出现可能会导致整个火电厂发电出现问题。因此，尽快发现故障和解决故障是有重要意义的。由于在很多领域我们对故障机理的研究还处于很浅的阶段，而设备运行中可供监测的信号往往不是很丰富，因此实际生产中往往依靠现场操作人员的丰富的经验来解决，而这种经验除了学习丰富的理论知识外还必须经过长时间的工程实际的磨练才能够得到，因此如何积累专家的宝贵智慧并达到缩短知识传承和专家养成时间，就目前日益提高的人力成本而言，成为一个非常重要的课题23。3.1 故障诊断的主要理论和方法凝汽器性能诊断系统有多种研究方法，例如故障诊断神经网络方法、故障诊断模糊诊断方法和故障诊断专家系统诊断方法等技术。各种诊断方法都有其自身的优点和不足的故障诊断方法，本文主要讨论以下三种诊断方法。3.1.1 故障诊断神经网络理论和方法神经网络应用于故障诊断是其最成功的应用之一。它不包括任何规则(相对于专家系统)，它是通过训练，使网络中的权值变化，最后达到某一稳定状态，并用训练好的网络对故障类别进行判断。由于神经网络具有原则上容错、结构拓扑鲁棒、联想、推测、记忆、自适应、自学习、并行和处理复杂模式的功能，使其在工程实际存在着大量的多故障、多过程、突发性故障、庞大复杂机器和系统的监测及诊断中发挥较大作用。神经网络技术非常适用于从大量的故障事例中，学会判断故障，即要用大量故障事例训练网络。神经网络法用于预测有较高的精度。但是也有其不可避免的缺点：a.网络的选取很难，一般要靠经验。若隐结点过多，则网络过于“死板”，缺少灵活性，只对训练事例联想性能好，而对非训练事例误差较大；隐结点数过少，则过于“灵活”，不易收敛。b.脱机训练过程中，训练时间很长。3.1.2 故障诊断模糊诊断理论和方法模糊诊断方法是根据模糊集合论征兆空间与故障状态空间的某种映射关系，由征兆来诊断故障的方法。模糊诊断的一般过程为：根据已知信息建立故障与征兆参数间的模糊关系矩阵，即隶属度矩阵，建立征兆参数隶属度向量，求解模糊关系方程，即得到向量。为机械设备状态对故障模式的隶属度矩阵，由此，基本可知机械设备处于何种状态，其中关键是建立隶属度矩阵。 模糊诊断原理图如图3-1：求解模糊关系方程X=YRX诊断结论RY经验、统计、实脸数据现场侧取数据图3-1 模糊诊断原理图模糊诊断不需要建立精确的数学模型，只需适当运用隶属函