發(fā)電設(shè)備故障遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的應(yīng)用探討

蔡寧寧

（浙能技術(shù)中心，杭州 310052）

隨著發(fā)電廠自動化水平的不斷提高，發(fā)電設(shè)備故障告警系統(tǒng)已由原模擬式聲光系統(tǒng)躍變?yōu)橛嬎銠C(jī)智能化的電子大屏幕故障告警系統(tǒng)，但是所達(dá)到的效果仍然是在設(shè)備發(fā)生故障或損壞后的事后告警，不能起到預(yù)知、預(yù)防作用。另一方面，在電力設(shè)備檢修管理上，大多是以計劃性定期檢修或當(dāng)運(yùn)行中出現(xiàn)問題后的臨時性搶修為主，存在著對設(shè)備的過修及欠修現(xiàn)象。針對上述問題，某電力集團(tuán)引進(jìn)、開發(fā)并應(yīng)用一個發(fā)電設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)（簡稱預(yù)警系統(tǒng)），該系統(tǒng)能有效地在設(shè)備故障發(fā)展的早期及時發(fā)現(xiàn)并給出告警信息，為運(yùn)行和檢修提供有價值的決策支持。

1 預(yù)警系統(tǒng)簡介

1.1 預(yù)警系統(tǒng)功能

預(yù)警系統(tǒng)具有實現(xiàn)對發(fā)電設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測及故障診斷的功能，與傳統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測工具不同，系統(tǒng)能為設(shè)備提供早期和可控的告警。通過不間斷地檢測設(shè)備相關(guān)測點(diǎn)信息和基本數(shù)據(jù)信息，自動分析所有過程數(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)，能較為準(zhǔn)確地診斷出發(fā)電機(jī)組中那些有可能影響安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的不良趨勢及可能發(fā)生的不同類型、不同程度的故障和異常情況，并提前發(fā)出告警信息。預(yù)警系統(tǒng)洞察到的問題涵蓋發(fā)電設(shè)備運(yùn)行工況的指標(biāo)偏差、設(shè)備性能的劣化、設(shè)備質(zhì)量隱患及設(shè)備故障等方面，如管道及容器的泄漏、軸承過熱、機(jī)械磨損及卡澀、電機(jī)振動及線圈發(fā)熱、管路結(jié)垢、堵塞、燃燒偏差、油氣品質(zhì)問題、電氣設(shè)備過載過熱、測量設(shè)備超差及損壞等故障。

1.2 預(yù)警系統(tǒng)關(guān)健技術(shù)

預(yù)警系統(tǒng)的核心軟件是設(shè)備故障預(yù)警軟件EPI*Center，該軟件采用獨(dú)特的相似原理建模技術(shù)（SBM），即為多變量無參數(shù)模式重構(gòu)技術(shù)，采用多變量相關(guān)分析，并考慮到環(huán)境變化和運(yùn)行模式因素，根據(jù)每臺設(shè)備獨(dú)有的數(shù)據(jù)建立相應(yīng)個性化模型，以動態(tài)帶作為報警閾值，通過預(yù)警引擎的判斷確定報警。相似原理建模的目標(biāo)是從多變量數(shù)據(jù)中排除正常變量，從而暴露異常運(yùn)行狀態(tài)。

基于相似原理的建模技術(shù)使用非參數(shù)方法，模型通過模式重構(gòu)完成，不會試圖把一個變量明確地同另一個變量聯(lián)系起來，是純粹基于選定的樣本數(shù)據(jù)產(chǎn)生估計值。將模型中的估計值和實際值進(jìn)行比較，偏差在一定值內(nèi)表明運(yùn)行是正常的。當(dāng)異常情況發(fā)生時，偏差超出設(shè)定范圍，預(yù)警信息產(chǎn)生，預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警信息產(chǎn)生過程見圖1。

圖1 預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警信息的產(chǎn)生

1.3 預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

預(yù)警系統(tǒng)硬件設(shè)備主要由故障預(yù)警計算服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、系統(tǒng)維護(hù)服務(wù)器、各發(fā)電企業(yè)生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)相關(guān)的信息系統(tǒng)（PI）或廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS）服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、光纖接口機(jī)、光纖傳輸通道等設(shè)備及相關(guān)連接回路組成。預(yù)警系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件主要包含：計算服務(wù)器端軟件、建模工具WorkBench、設(shè)備監(jiān)視界面Sentinel、權(quán)限管理Gatekeepe、客戶端安裝升級工具Clickonce以及使用SQL Server 2005和PI數(shù)據(jù)庫作為主要的數(shù)據(jù)平臺，預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

集團(tuán)側(cè)PI系統(tǒng)服務(wù)器采集下屬發(fā)電企業(yè)各機(jī)組集散控制系統(tǒng)（DCS）內(nèi)相關(guān)信息數(shù)據(jù)，故障預(yù)警服務(wù)器從集團(tuán)的PI或IH（iHistorian）數(shù)據(jù)庫讀取需要的實時數(shù)據(jù)送到計算服務(wù)器進(jìn)行分析，分析結(jié)果通過預(yù)警信息服務(wù)器發(fā)布至各瀏覽器。

2 預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用情況及成功案例

圖2 預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

某電力集團(tuán)于2009年開始引進(jìn)并開發(fā)預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用項目，至2011年8月，集團(tuán)下屬已有5家發(fā)電企業(yè)的19臺大型發(fā)電機(jī)組（17臺600 MW，2臺300 MW）安裝了故障預(yù)警設(shè)備，并均已投入運(yùn)行。

預(yù)警系統(tǒng)選擇汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、制粉系統(tǒng)、風(fēng)煙系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、鍋爐汽水系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)等七大生產(chǎn)主線系統(tǒng)作為監(jiān)測對象，每臺機(jī)組分別采集約800～1 500點(diǎn)不等的反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的各類測點(diǎn)信息作為預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

預(yù)警系統(tǒng)自2010年4月開始陸續(xù)上線運(yùn)行，在短短的一年多時間里，累計被監(jiān)測設(shè)備的預(yù)警事件有近千余條，這些預(yù)警事件中有較大一部分是現(xiàn)場運(yùn)行人員不易發(fā)現(xiàn)或未注意到的隱患問題，這類潛在異常問題的及時預(yù)知，為設(shè)備運(yùn)行計劃管理贏得了時間，為機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行贏得了保障。實踐證明，預(yù)警系統(tǒng)作為機(jī)組設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的補(bǔ)充，正發(fā)揮著特有的作用。

案例1：發(fā)電機(jī)定子線棒層間溫度高預(yù)警，預(yù)警信息見圖3。圖3顯示，某發(fā)電機(jī)定子33號槽上下層間線圈溫度實測值（曲線1）逐漸偏離模型預(yù)估值（曲線2），最終發(fā)出高預(yù)警信息（曲線3）。查看發(fā)電機(jī)相關(guān)參數(shù)如負(fù)荷、定冷水進(jìn)水溫度等均正常，比較該發(fā)電機(jī)其他定子線圈溫度測點(diǎn)曲線均較33號槽相應(yīng)溫度低，而查看33號槽相應(yīng)下層出水溫度也有明顯升高現(xiàn)象，發(fā)電機(jī)線圈及出水溫差均有所升高，判斷33號槽線棒下層存在冷卻水回路散熱不暢現(xiàn)象（可能管內(nèi)堵塞或氣阻），后經(jīng)查實系管路結(jié)垢引起。

該案例表明預(yù)警系統(tǒng)能準(zhǔn)確及時地反映發(fā)電機(jī)線棒層間溫度測點(diǎn)出現(xiàn)的異常現(xiàn)象。在常規(guī)運(yùn)行監(jiān)控中，由于發(fā)電機(jī)線圈溫度并未出現(xiàn)特別大的波動，其絕對值遠(yuǎn)未達(dá)到常規(guī)形式的故障報警設(shè)定值，不容易引起監(jiān)控人員的注意，而實際上卻已潛伏著故障危機(jī)。通過預(yù)警信息，運(yùn)行人員及時作出應(yīng)對措施，從而有效預(yù)防可能引起的絕緣損壞事故，將安全隱患消滅在萌芽中。

案例2：1號高加正常疏水閥位置反饋高預(yù)警，預(yù)警信息見圖4。預(yù)警信息顯示，高加疏水閥位置（曲線2）偏離模型預(yù)估值（曲線1），1號高加正常疏水閥位置反饋出現(xiàn)高預(yù)警信息（曲線3）。查看相關(guān)參數(shù)曲線，除了高加水位變化對端差有點(diǎn)影響，其他運(yùn)行參數(shù)均未發(fā)現(xiàn)異常，判斷為閥門結(jié)垢或疏水回路出現(xiàn)堵塞造成反饋偏差。后經(jīng)查實，系1號高加正常疏水閥被氧化物堵塞引起。案例表明：當(dāng)閥門堵塞問題引起其開度逐漸偏離運(yùn)行應(yīng)有范圍時，因其變化趨勢非常緩慢，且該閥位信息又非運(yùn)行人員日常關(guān)注參數(shù)，故較難被發(fā)現(xiàn)。預(yù)警系統(tǒng)及時捕捉到這種異?，F(xiàn)象，避免了因此而可能引起的高加水位調(diào)節(jié)不穩(wěn)導(dǎo)致的機(jī)組安全事故。

案例3：2號爐D磨煤機(jī)電機(jī)軸承溫度低預(yù)警，預(yù)警信息見圖5。預(yù)警信息顯示，D磨煤機(jī)電機(jī)軸承溫度（曲線1）低于預(yù)估值（曲線2）約10℃而發(fā)出預(yù)警信息（曲線3）。查閱電機(jī)相關(guān)參數(shù)測點(diǎn)曲線及其他磨煤機(jī)電機(jī)相應(yīng)溫度曲線，分析判斷為該溫度測量裝置不正常。后經(jīng)現(xiàn)場檢查確認(rèn)為測溫元件絕緣性能下降引起，更換測溫元件后恢復(fù)正常。該案例表明：當(dāng)測量裝置故障時，會出現(xiàn)偏差不大的反故障趨勢信號（如上述溫度測點(diǎn)信號偏低），而常規(guī)報警設(shè)定是溫度高報警，被監(jiān)測設(shè)備失去正常的監(jiān)護(hù)，預(yù)警系統(tǒng)能消除這類安全隱患。

3 預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗

3.1 預(yù)警模型的正確建立

模型的正確建立是影響故障預(yù)警判斷的關(guān)健因素，預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確判斷除了其特有的分析計算程序外，還需要有大量健全準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息支撐。要求精選發(fā)電設(shè)備正常運(yùn)行下的所有參數(shù)，模型數(shù)據(jù)越齊全、正確率越高，模型預(yù)估準(zhǔn)確度也就越高，從而預(yù)警系統(tǒng)判斷的準(zhǔn)確性和可靠性也越高。

圖3 發(fā)電機(jī)定子線圈溫度

圖4 疏水閥開度位置

圖5 磨煤機(jī)電機(jī)軸承溫度

一年多的運(yùn)行證明，在所有的預(yù)警事件中，相當(dāng)一部分是因歷史數(shù)據(jù)仍存在較多的虛假或缺失等因素引起的誤發(fā)拒發(fā)現(xiàn)象，但通過對預(yù)警模型的不斷優(yōu)化，目前已大為減少。因此，預(yù)警數(shù)據(jù)模型的正確訓(xùn)練至關(guān)重要。在安裝數(shù)據(jù)庫建立預(yù)警模型時，必須去除因檢測設(shè)備故障、數(shù)據(jù)質(zhì)量問題、人為干擾因素等造成的異常數(shù)據(jù)信息，同時盡量使數(shù)據(jù)庫中具備至少一年以上的合格歷史數(shù)據(jù)。另外，由于預(yù)警模型的自學(xué)習(xí)功能并不能區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的好壞，因而在運(yùn)行過程中，需要人工定期對系統(tǒng)模型進(jìn)行訓(xùn)練。

3.2 預(yù)警模型閾值的設(shè)定

預(yù)警系統(tǒng)對模型預(yù)估值與實際測量值的偏差進(jìn)行比較，當(dāng)超出預(yù)先設(shè)定的值時，預(yù)警信息產(chǎn)生。預(yù)警值類似傳統(tǒng)保護(hù)中的定值，其值的大小影響著預(yù)警的靈敏性和可靠性。根據(jù)機(jī)組特性及運(yùn)行理念習(xí)慣的不同，在各發(fā)電企業(yè)有著不同的預(yù)警條件需求，目前在設(shè)置上還存在過于靈敏或過于遲鈍現(xiàn)象而影響其性能的正常發(fā)揮。為此，需針對被監(jiān)測對象在生產(chǎn)中的性能特點(diǎn)，設(shè)定一個合理的值，這也是提高預(yù)警系統(tǒng)可信度的關(guān)鍵。

3.3 預(yù)警中算法和邏輯操作選擇

預(yù)警算法邏輯操作規(guī)則包括實際值高預(yù)警、實際值低預(yù)警、偏差值高預(yù)警、偏差值低預(yù)警4類，根據(jù)設(shè)備在系統(tǒng)運(yùn)行中的工藝特點(diǎn)，選擇適合設(shè)備測量信號性質(zhì)的具有預(yù)警意義的一種或多種類型組合進(jìn)行邏輯判斷。系統(tǒng)應(yīng)用中大多為偏差預(yù)警設(shè)置，有部分偏差預(yù)警的測點(diǎn)信號因其設(shè)備長期運(yùn)行在邊緣工況，存在超限額運(yùn)行而系統(tǒng)卻無法告警的可能性，為此需增設(shè)實際值輔助預(yù)警。另外有部分測點(diǎn)，其實際運(yùn)行點(diǎn)位數(shù)值較小且與限值相距很遠(yuǎn)，在運(yùn)行中出現(xiàn)波動產(chǎn)生偏差時無需預(yù)警，此時如增設(shè)絕對值條件判據(jù)進(jìn)行預(yù)警較為科學(xué)。

3.4 預(yù)警信息的分析及處理

預(yù)警系統(tǒng)目前還未能實現(xiàn)完全的智能化自動判斷功能。預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)生的預(yù)警信息只是給出被監(jiān)測設(shè)備某項參數(shù)值出現(xiàn)了異常，而異常的根本原因還需專業(yè)人員進(jìn)一步分析判斷，再作決策方案并落實處理。系統(tǒng)、高效、科學(xué)、正確的二次分析及處理工作也是預(yù)警系統(tǒng)功效發(fā)揮的基礎(chǔ)保障。預(yù)警事件分析工作要求：

（1）具備有較高專業(yè)理論基礎(chǔ)、熟悉現(xiàn)場設(shè)備并有豐富的運(yùn)行實踐經(jīng)驗、能夠熟練掌握預(yù)警系統(tǒng)機(jī)理及應(yīng)用操作技術(shù)的專業(yè)分析人員。

（2）擁有正確的實時數(shù)據(jù)采集信息，完整的各發(fā)電機(jī)組設(shè)備圖紙資料及現(xiàn)場情況信息渠道。

（3）建立一套科學(xué)合理的分析管理工作流程。

3.5 預(yù)警系統(tǒng)功能的完善

（1）預(yù)警系統(tǒng)自動分析判斷功能應(yīng)進(jìn)一步開發(fā)完善，實現(xiàn)當(dāng)預(yù)警事件出現(xiàn)后，系統(tǒng)能進(jìn)一步區(qū)分出導(dǎo)致該預(yù)警產(chǎn)生的原因，或模型數(shù)據(jù)、設(shè)備、測量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐栴}。

（2）預(yù)警系統(tǒng)內(nèi)部應(yīng)建立完善的預(yù)警事件分析、確認(rèn)、處理、完畢等的閉環(huán)管理流程，實現(xiàn)在線分析、審核及管理。

（3）在系統(tǒng)中應(yīng)鏈接相應(yīng)設(shè)備系統(tǒng)圖，可直觀反映系統(tǒng)模擬圖上測點(diǎn)部位及相關(guān)聯(lián)工藝流程，實時了解被監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行工況。

4 結(jié)語

預(yù)警系統(tǒng)的作用已是毋庸置疑，預(yù)警系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用已使發(fā)電設(shè)備的故障管理正在向性能劣化超前預(yù)警與故障實時告警相結(jié)合的方向邁進(jìn)，發(fā)電設(shè)備的檢修維護(hù)由計劃定期走向狀態(tài)檢修成為可能，設(shè)備突發(fā)故障將大為降低。相信通過科學(xué)合理地開發(fā)與應(yīng)用預(yù)警系統(tǒng)，必將給發(fā)電企業(yè)帶來巨大的安全及經(jīng)濟(jì)效益。

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