火电厂热工控制系统的故障诊断研究

　　
　　一、过热汽温控制系统的构成
　　
　　过热汽温控制是热工控制系统中一个十分重要的控制系统，其主要任务是维持过热器出口温度在允许
　　
　 　范围内并且保护过热器，使其壁温不过允许温度。过热汽温的暂时偏差不允许过±10℃，偏差不允许过±5℃。温度过高会使过热器和汽机高压缸承 受过高的热应力而损坏;温度过低则会降低机组的热效率，影响经济运行[3]。过热汽温控制系统发生故障将会给整个电厂运行带来严重的后果，因此，以过热汽 温控制系统为例进行故障诊断的研究具有代表性和实用性。
　　
　　图1为某火电厂300MW机组过热汽温控制系统结构。控制系统采用二级喷 水减温方式，锅炉汽包产生的蒸汽经顶棚过热器加热，在立式低温过热器出口联箱后汇合成一根管道，经喷水减温，分A、B侧进入屏式过热器，在后屏出口联 箱后分左、右两根管道经左右二级喷水减温，后进入末级过热器[4]。

　　
　 　根据过热汽温控制系统故障诊断的需要，整理出了过热汽温控制系统包含的重要传感器和执行器，其中传感器有:过热器前、后左和后右温度传感器，二级过 热器前左、前右、后左和后右温度传感器，末级过热器左、右温度传感器，减温水流量传感器，左二级、右二级减温水流量传感器等;执行器有:喷水减温 阀、左二级和右二级喷水减温阀、主减温水截止阀。
　　
　　二、故障诊断研究的内容
　　
　　一个典型的控制系统结构如图2 所示。根据控制系统各部分的划分，故障诊断的对象包括:（1）控制对象，即设备本体;（2）控制系统传感器;（3）控制系统执行器;（4）因控制系统状态 变化而引起的故障[5]。因设备本体的故障诊断是单独研究的，所以本文研究的控制系统故障诊断仅包含传感器故障诊断、执行器故障诊断和运行状态诊断。

　　
　 　结合过热汽温控制系统的结构特点，将故障诊断的研究内容归纳为:（1）研究过热汽温控制系统中重要传感器的故障诊断，其中包括监测各温度传感器、减温水 流量传感器是否工作正常，若存在故障，则进行报警显示并分离故障传感器；（2）研究过热汽温控制系统中重要执行器的故障诊断，其中包括监测各喷水减温调节 阀和各截止阀的运行状况，发现故障及时报警并分离出故障执行器;（3）研究过热汽温控制系统状态变化所带来的系统故障的诊断，诊断出导致故障的原因并给出 操作指导。
　　
　　三、过热汽温控制系统常见故障
　　
　　3.1传感器故障
　　
　　过热汽温控制系统中常见的传感器故障包括：增益、偏差、速、脉冲故障等。
　　
　　（1）传感器恒增益故障可表示为:

　　
　　式中:uin（t）,uout（t）分别为传感器的输入、输出信号;ai为恒增益变化的比例系数。
　　
　　（2）传感器恒偏差故障可表示为:

　　式中:△i为传感器的零点偏差。
　　
　　（3）传感器断线故障可表示为:

　　
　　式（3）表示传感器无信号输出。
　　
　　（4）传感器速故障可表示为:

　　式中:uout（t）为传感器输出信号的变化速率;δmax为传感器允许大变化速率。
　　
　　（5）传感器脉冲故障可表示为:

　　
　　式中δ为传感器输出信号上叠加的脉冲信号。
　　
　　3.2执行器故障
　　
　　过热汽温控制系统中常见的执行器故障包括:增益、偏差、卡死、滞环、粘滞-滑动、漏流故障等，其中增益和偏差故障的描述同上，其它故障特征简述如下。
　　
　　（1）执行器卡死故障可表示为:

　　
　　式中ai为常数。即执行器输出不随输入变化，而是稳定在一个固定位置。
　　
　　（2）执行器滞环故障可表示为:

　　式中:Qk表示执行器开行程时的流量;Qg表示执行器关行程时的流量；uout,k、uout,g分别为开行程和关行程时对应的执行器输出；λ为两流量的差值。滞环故障即在执行器上下行程开度相同时对应的流量不同。
　　
　　（3）正常情况下，阀杆是平滑运动的，但当粘滞-滑动故障发生时，阀杆的动作则为"动-停-动"运动，这对阀门来说是一种损害，其故障现象如图3所示[6]。

　　（4）执行器漏流故障可表示为:
　　
　　Q=λ（uout=0）（8）
　　
　　式中:Q为执行器控制的流量；λ为一常量。即当执行器阀门*关闭时，仍然有流量信号。
　　
　　四、故障诊断理论和方法
　　
　 　故障诊断理论和方法虽然有多种多样，但总的来说可以归纳为两类[4，7]:（1）基于数学模型的诊断理论和方法，例如故障检测滤波器法、等价空间方程 法、故障检测观测器法等;（2）基于非模型的诊断理论和方法，例如多元统计法、神经网络法、系统法或数据分析法等[7]。
　　
　　根据笔者的研究并结合热工控制系统的特点，下面所述的诊断方法在热工控制系统的故障诊断中有着
　　
　　较高的实用价值。
　　
　　（1）对于热工控制系统中一些简单的无相关性的故障，可以采用简单易行、有针对性的方法，如信号分析、冗余分析方法。这些方法虽然简单，但容易实现并能对此类故障进行行之有效的诊断。
　　
　 　（2）对于存在相关性的较为复杂的故障，需要使用相对复杂的诊断方法。由于热工控制系统不易建立的数学模型，所以采用基于数学模型的方法难以在应用 中取得好的诊断效果;而基于统计的方法不依赖数学模型，它能在的历史实时数据中找出故障特征和故障信息，因此是一种适合在热工控制系统中应用的故障诊 断方法。
　　
　　（3）由于统计方法的不性和自身局限性，造成故障诊断的精度不高，故障分离困难。所以，建立一种以统计方法为基础，以数学模型方法为补充的综合诊断方法来实现热工控制系统故障诊断，是一种的解决方案。
　　
　　五、诊断实例
　　
　　针对火电厂过热汽温控制系统中传感器的断线、增益、偏差、速等故障和执行器的卡死、滞环、粘滞-滑动等故障进行了诊断试验。故障诊断所使用的诊断方法均为针对该类故障的简单诊断方法。这些方法使用简单、可靠并有着较高的诊断精度，经过现场测试取得了较好的诊断效果。
　　
　　5.1二级过热器后左温度传感器（K型热电偶）断线故障
　　
　　（1）故障现象如图4所示，该温度信号突然从463.49℃跳变到25.45℃（热电偶冷端补偿温度），其变化速率远远过了该传感器正常变化速率。从图中很容易看出二级过热器后左温度传感器发生了断线故障。

　　（2）诊断方法通过计算温度传感器信号的变化速率和变化方向来判断传感器是否发生了故障。这是
　　
　　因为当传感器断线时，温度信号从正常值瞬间负向变化到一个比较小的值（热电偶冷端补偿温度），且变化速率很大。所以如果计算出来在某一个时刻温度信号负向变化速率很大，过传感器自身大变化速率，即证明有断线故障的发生[8]。
　　
　　（3）诊断结果在故障前一个时刻的值为463.49℃，故障时刻的值为25.45℃，诊断周期为1s。所以
　　
　　该时刻温度信号的变化速率为438.04℃/s，远远出该温度传感器的大允许变化速率，从而诊断出在该
　　
　　时刻二级过热器后左温度传感器发生了断线故障。
　　
　　5.2喷水减温阀粘滞-滑动故障
　　
　　（1）故障现象从图5可明显看出，指令信号变化平滑，而反馈信号有阶梯型变化，所以该减温阀有粘滞-滑动故障产生。

　　（2）诊断方法根据阀杆在粘滞-滑动过程中速度变化事件发生的频率分布，可以实现粘滞-滑动故障的诊断。当阀杆运动平滑时，阀杆速度的均值和方均根比较接近;当发生故障时这两个值的差值比较大。所以可以用速度均值和方均根之间的关系来诊断这种粘滞-滑动故障。

　　（3）诊断结果从图6可以看出，指令信号的速度均值和方均根的比值大约为1，两者比较接近;而反馈信号的速度均值与方均根的比值大约为3，表明两者相差比较大，从而诊断出喷水减温阀存在粘滞-滑动故障。
　　
　　六、结语