汽包水位故障检测、预警及报警系统

发电机组的汽包水位控制是火力发电厂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火电厂整机的安全、稳定运行。由于电厂DCS系统运行的复杂性,故障检测、预警和报警是整个DCS控制系统不可缺少的组成部分。汽包水位的过高或过低,都会影响机组的发电量,甚至产生安全生产隐患。实现对汽包水位的监控、预警和报警是十分必要的。对故障的预警和报警而言,系统无需增加额外的硬件成本,通过现有DCS的实测数据分析,寻求优化、实用的数据处理和故障检测算法,用软件实现故障的预警和报警,在现有技术水平上是完全可行的。
  目前,大多数火电厂所采用的仅是报警系统,是对事故发生后的报警。例如在电厂应用的集散报警控制系统以及自动保护报警系统[1-3]。故障检测技术的研究与应用、报警系统的建立已越来越受到控制理论界和工业企业界重视[1-7]。为提高报警系统的可靠性,及时准确的将报警信号从众多实时数据中提取出来,各种智能技术被引入到故障检测系统之中,已成为故障检测研究的重要内容之一。状态空间法、数据统计、模拟,神经网络法、知识表达以及辅助决策等各种思想与方法被应用于故障诊断。然而,实际中故障的预报和预警更为重要,他可以提醒检修人员可能要进行检查和维护信息,避免故障的发生,做到故障前 的预报和预警。本文将针对电厂汽包水位控制系统的所有器件和设备,设计其故障检测、故障预报和故障预警系统,对所涉及的数据信息分类别提出不同的处理方式。

1 设计原理
   
汽包水位控制系统的工艺流程图,如图1所示。

  图中Lsi为第i台泵的注水流量,各台泵可同时运行也可选择性运行,且各泵的运行如何和输出流量受泵的给水阀控制,各泵输出水经汇总到主给水管道向汽包给水,在汽包内经加热将水变成蒸汽,蕞后蒸汽经出气管道输出到通常是通过控制汽包水位达到控制汽包输出蒸汽量的目的。因而,在汽包水位出现不稳定(或越限)时要判断是何处出现问题,即何处出现故障。本文的设计目的是:
  (1)在系统正常运行即维护水位稳定时,尽量能发现可能要出现的潜在故障,实现预警和预报。
    (2)在系统出现不正常运行时,找出故障同时给出报警。  
    通常汽包水位要设置2个水位限制:上限(H1)和下限(H2),所谓运行正常是指水位(H)维持在上下限之间,即H2≤H≤H1,故当出现H≥H1或H≤H2时,就表示系统出现了故障。影响系统出现故障的原因很多,如水泵故障、阀门故障、调节器故障、变送器故障等均会导致水位越限。为了实现设计的目的,采用数据融合技术和模糊控制思想,整个预报、预警系统结构如图2所示。由图2可见,将所有与本系统有联系的信号分成模拟信号与开关信号两类,对模拟信号进行滤波处理,以减少干扰的影响,同时故障检测又是为单信号与多信号分别进行处理,以保证故障定位的准确性;对开关信号只是作为该器件是否运行的依据,也是为故障定位服务的。所需的测点信号为:
    模拟量:汽包水位H1;汽包水位H2;给水流量Ls
            主气流量Lq;泵给水流量Lsi(i=1,2…n);  
            泵电流Ii(i=1,2…n)。
    开关量:泵启动/停转信号Ki i=(1,2…n);
            阀门动作信号Fi(i=1,2,…,n)。


2 预警系统的设计
  我们知道如何模拟信号,在使用时由于可能出现的干扰而不能直接使用,故对采样的模拟信号要首先经过预处理,处理方法很多包括信号滤波、补齐、剔除等。本系统涉及的信号预处理方法将另文给予说明,这里主要介绍故障检测与预警的主要设计思想与实现。以下所有的信号均假定是处理后的信号(即认为是准确反映现场的信号)。
2.1 单个信号预警与报警设计
  这一步骤是常规的单个信号的报警,也是蕞为普遍的报警形式,在预警和故障检测中是蕞基本的一步。在本系统中,如水位、泵的出水流量、蒸汽流出量等均属于单个信号。
  (1)显然,实际中每个模拟量信号在正常运行时都有自己的变化范围,超出其范围就可能意味着发生了故障,具体某个信号的上下限设置,则完全根据实际要求而设定,信号越限则发出单信号报警。每2个警报(上限报警、下限报警)对应一个信号。
  设X为某单个信号,上下限分别为Xmax,Xm in,则信号正常表示为Xmin≤X≤Xmax,否则给出的报警信号。


  (2)对于每一个信号,他都有自己的变化速度,变化可以慢,但是绝对不能太快,否则可判定系统不正常,给出信号变化过快预警。要求|Xt1-Xt2|≤a1,否则给出单个信号X的变化过快预警,其中Xt1是信号在t1时刻的值,Xt2是信号在t2时刻的值,t1-t2为信号X的采样周期,d1是给定值,根据信号X的具体实际情况而定。
2.2 组合信号预警
  这是预警系统的核心部分,通过观察各种信号之间的关系,在水位越限以前发现各个故障,发出预警信号。
  (1)当水泵启动后,进入了正常运转,Ki=1,泵电流和泵给水流量成正比。否则泵或者流量变送器可能出现故障,发出电流转速不匹配预警信号(AL1)。
 
其中:Ii为泵电机电流;Lsi为泵出水流量;ki为比例系数,由其电机特性决定;d2为给定值。
  (2)多个泵的流量总和应等于总给水流量。否则一定是变送器或者水泵、阀门有问题,发出给水量不匹配预警信号(AL2),提示水流量不等。
 
其中:Ls为汽包给水流量;d3为定值;Lsi是单泵给水流量;0≤Pi≤1为融合系数,一般定为1,泵停止工作时,即Ki=0时,Pi定为0。
  汽包水位的2个测点相差不能太大。否则有一个以上变送器有故障。发出测点信号不匹配预警信号(AL3)。
   
其中H1,H2为汽包水位的2个水位测点信号;d4为给定值。  
    (3)在汽包水位控制系统中,为了保证水位的稳定,进水量与出气量大致相当,而且与水位高低有关。水位过高,进水量要小于出汽量,水位过低,进水量要求大于出汽量。但是这种小于或者大于并不是绝对的。因为水位并不是绝对不允许波动的。当水位过高时,进水量不一定要时时刻刻都小于出气量,否则预警系统会在没有任何故障的情况下时时刻刻报警。为此提出公式(4)。
     |Ls-Lq|≤A              (4)
其中:Ls为进水量;Lq为出气量;A为给定值。然而,A又不是一个在系统运行过程中始终不变的定值,在不同的汽包水位值,其大小应是一个受水位高低影响的模糊控制变量。设水位H=H1s1+H2s2,s1,s2为融合系数,s1+s2=1。为了提高预警的精确性,把水位视为一个模糊量,给出一种模糊划分。
  记所要求的汽包理想水位值为0水位,一般而言,理想水位(即0水位)附近一段要求的范围较大(即此时A的值要选的大一些),离0水位点越远,范围越小,因为水位偏离正常水位越远,预警精度要求越高,模糊量的划分就越细。我们的具体做法为:
  首先对所测得的水位进行模糊化,写出水位的论域,相应的语言变量取值为
  H={VS(很低),S(低),MS(较低),M(中),ML(较高),L(高),VL(很高)},在各个语言变量论域上用于描述模糊子集的隶属函数采用梯形隶属函数。
    对于水位变量的隶属关系采用的梯形隶属函数如下:

其中:i=-3,-2,-1,0,1,2,3;j=1,2,3,4,aij根据每个厂的具体情况有所不同,隶属度函数梯形图如图4所示。


    对水位进行模糊划分以后,在给定目标之下,提出用 下列公式进行模糊推理,当水位高于0水位时:

  来描述一定水位阶段系统工作是否正常的判断,其中:Lq是平均出气量;Ls是平均进水量。当式(6)和式(7)不成立,则说明水位变化出现不正常,给出预警(AL4)信号,此时可能出现了调节器故障,变送器故障或者阀门故障等或存在安全隐患,要求给予注意。但此时水位仍在安全工作范围之内。根据火电厂实际经验,每一段A的值都将有所不同,所以式(8)是一个分段函数。
  其中:Ai>0(i=-3,-2,-1,0,1,2,3)为常数,其取值原则可根据不同电厂的实际而有所不同,通常应满足:当i≥0,时,Ai-1>Ai;当i<0时,Ai>Ai-1,水位越高或越低,A的取值越小,A3,A-3可取为0。
 
根据上述的模糊推理规则,很容易推理出不同论域所对应的A值。但是这并不是真正的输出值,而真正的A的值要进行反模糊化才能得出。模糊推理后出来的结果是具有隶属度的,是一个模糊的量,蕞后的工作就是要得到一个清晰的量,必须对结果进行反模糊化,也就是清晰化的计算。本设计采用加权平均法进行清晰化的计算,此方法也称为
重心法。公式如下:

  由于采用软件实现这一过程,信号是采用离散的信号,不是连续的信号,所以上面的公式并不适用,我们采用的是离散的重心法公式,如下:
 
其中:H是实际的水位;i=-3,-2,-1,0,1,2,3;Ai是对应于式(8)的经验值;μi(H)是实际水位H所对应的隶属函数。
  整个算法主要是用以上3个步骤来实现,在具体运用中,首先根据对所测定的汽包水位进行模糊化,通过式(5),算出当水位在各个论域(VS,S,MS,L,ML,VL)中的隶属度。然后通过式(10),用每一个论域中的经验值乘以对应的隶属度,相加后再除以所有隶属度之和,便得出输出的具体A值,从而进行预警处理。
  对平均进水量Ls,由于当任何一个阀门动作(开或者关)时,即Fi=1,给水量将有大幅度的变化,所以这里平均进水量的含义不同于其平均滤波。为减少出现误预警现象,如图5所示,当给水量有大幅度变化时,要求对Ls重新累计取平均数,以达到精确预警的目的。


3 结语
  本文针对火电厂锅炉汽包水位控制系统,进行预警,通过各种信号间的关系变化,经过各自的信号融合,能够在水位超限以前提出预警,找出故障。在很大程度上减少水位越限,对于保证机组的安全运行具有很大的意义。本设计方案正在同火电厂其他系统的预警方案一起采取软件实现,制作软件包,很快将运用到火电厂。


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