基于人工智能的火電廠設備故障告警系統(tǒng)

國家電投集團內(nèi)蒙古白音華煤電有限公司坑口發(fā)電分公司 趙晉宇 李曉宇 李連杰 郭 健

設備檢修維護安全管理工作是保障發(fā)電設備安全生產(chǎn)的重要基礎設施工作，也是保證發(fā)電設備長期可靠運行的重要保障。因此，科學的檢修管理是促進現(xiàn)代火電設備企業(yè)安全生產(chǎn)的重要管理方式，也是火電企業(yè)不斷提高社會經(jīng)濟效益的一個重要途徑。我國在鍋爐設備故障預警方法的研究中，有學者提出了利用粒子群算法對經(jīng)典小波神經(jīng)網(wǎng)絡模型進行改進和優(yōu)化的鍋爐故障識別方法。該方法雖然在輕微泄漏模式和嚴重泄漏模式下對鍋爐故障進行了很好地模擬，但算法收斂速度較慢，有一定的誤差。

1 火電廠設備故障告警系統(tǒng)硬件設計

火電廠報警設備消防報警通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信技術特點之一是警報信息量大，需要較強的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集通信處理能力。對應的網(wǎng)絡接口和管理系統(tǒng)信息種類很多，即與作業(yè)機組內(nèi)的dcs安全控制管理系統(tǒng)、灰網(wǎng)、水網(wǎng)、煤網(wǎng)等各種輔助作業(yè)車輛安全監(jiān)控管理系統(tǒng)信息有關的接口。以太網(wǎng)（ethernet）因其無線組網(wǎng)的極高靈活性和使用便利性而逐漸成為現(xiàn)代網(wǎng)絡通信技術的一種主流[1]。SIS也可以視為采用以太網(wǎng)絡上的骨干寬度為1000Mb/s，骨干長度為100Mbfs的以太網(wǎng)。以太網(wǎng)可以采用多種拓撲結構。一般分為星型、環(huán)型、總線型三種?？偩€型主要用于早期的10Mb/s網(wǎng)絡，環(huán)型主要用于FDDI網(wǎng)絡。目前，大多數(shù)高速網(wǎng)絡廣泛應用于衛(wèi)星類型結構。對于一個具有工業(yè)專用設計內(nèi)核的工業(yè)實時響應數(shù)據(jù)庫，由于系統(tǒng)是為面向工業(yè)設計過程應用開發(fā)的專業(yè)產(chǎn)品，系統(tǒng)在實時響應速度、可靠性、容量以及對面向應用過程工業(yè)應用的技術支持等各個方面也都具有很大競爭優(yōu)勢[2]。系統(tǒng)訪問結構傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫一般采用C/S（客戶端/服務器）結構。隨著網(wǎng)絡技術的發(fā)展，未來的數(shù)據(jù)庫訪問方式必然會發(fā)展到B/S的三層結構（Web瀏覽器、Web服務器/實時數(shù)據(jù)庫）。操作系統(tǒng)通常是實時的，歷史數(shù)據(jù)庫一般基于dowindowsntnt平臺或基于unixnt平臺。從平臺運維系統(tǒng)管理的一個角度可以考慮，該平臺操作系統(tǒng)與目前全廠其他平臺服務器運行操作系統(tǒng)的基本一致性?？蛻舳丝梢宰鳛閭溆肧IS控制系統(tǒng)的一個終端控制設備，放置在一個備用生產(chǎn)部門，主要功能是備用生產(chǎn)過程管理控制部門和備用單元過程控制實驗室。客戶端商用計算機系統(tǒng)可以同時使用多種商用的wpc，主要功能用于自動訪問同時連接商用數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫的商用Web數(shù)據(jù)服務器，以監(jiān)控屏幕、趨勢圖等多種形式實時顯示工廠鍋爐、汽輪機、發(fā)電機和其他全廠熱力輔助發(fā)電系統(tǒng)的正常運行工作狀態(tài)。

2 火電廠設備故障告警系統(tǒng)軟件設計

2.1 基于人工智能算法計算設備熱效率數(shù)學模型

鍋爐效率的計算是機組性能和鍋爐側能量損失偏差分析的基礎。鍋爐熱效率的理論模型比較成熟，即基于鍋爐損失計算，包括排煙熱損失、機械不完全燃燒熱損失、化學不完全燃燒熱損失、鍋爐熱損失和爐渣物理熱損失。從回熱系統(tǒng)計算目的出發(fā)，將兩大類型回熱加熱器，進行能質(zhì)平衡計算，如公式1所示：

公式1中：ai、ji分別表示回熱加熱設備的抽汽份額；afi、jfi分別表示焓值以及輔助汽量。由上公式計算抽汽量，可得公式2：

公式2中：γi表示出口主流水量基準；βi表示出口水量比值；αli表示被引入的加熱器效率。以整臺運行機組作為研究對象?；痣姀S機組某一經(jīng)濟性指標（如機組煤耗、發(fā)電效率等）可以下式表示：

公式3中：ci，c2，…，cn表示運行參數(shù)。因為一般只知道排水泵混合點前主流水的焓值，但是混合點后主流水的焓值未知。為了計算它，我們可以先假設混合點之后的主流水焓[3]。水的焓值（例如，等于混合點前主流水的焓值），得到抽汽量和排水量，再對混合點后主流水的焓值進行修正。經(jīng)過多次迭代修正，達到一定精度后，即完成集體蓄熱式加熱器的計算，在上述模型庫完成后，只要所需的參數(shù)已知的情況下，即可完成火電廠整臺機組的性能計算。

2.2 設置設備狀態(tài)監(jiān)測模塊

火力發(fā)電廠機械設備企業(yè)智能安全診斷系統(tǒng)就是圍繞火力發(fā)電機組企業(yè)的安全管理發(fā)展目標，以經(jīng)濟性和運行可靠性要求為技術導向，以能夠?qū)崿F(xiàn)各種多維度的機組設備運行參數(shù)監(jiān)測管理功能為技術驅(qū)動，在我國電廠物業(yè)管理發(fā)展過程中，在電廠管理技術標準的制定基礎上還可建立機組設備運行狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測管理模塊。該模塊下有健康狀態(tài)列表、報警參數(shù)列表、數(shù)據(jù)趨勢分析三個子功能，幫助用戶提前發(fā)現(xiàn)設備異常，事后進行故障分析。首先在健康狀態(tài)列表中，用戶可以看到型號、設備、設備組或系統(tǒng)和單元的實時狀態(tài)；其次在報警參數(shù)列表中，用戶可以看到實時報警參數(shù)和歷史報警參數(shù)；最后在數(shù)據(jù)趨勢分析中，用戶可以看到參數(shù)的變化趨勢和偏離正常值的程度[4]?；鹆Πl(fā)電廠設備智能診斷系統(tǒng)具有設備故障提示和引導功能，可以針對電子設備的一些重要典型技術缺陷或重要故障預先重新定義保障規(guī)則。一旦不能滿足這些操作規(guī)則，就可能意味著相對明顯的硬件缺陷或系統(tǒng)故障，而不是簡單地自動報警。當設備出現(xiàn)系統(tǒng)缺陷或關鍵故障時，系統(tǒng)人員可自動識別列舉當前設備內(nèi)部可能正在出現(xiàn)的關鍵故障和提供操作人員維護技術建議，同時自動發(fā)出報警信息提示，為設備操作維護人員使用提供技術參考?；痣姀S設備智能診斷系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測報告模塊包括機組監(jiān)測報告和設備監(jiān)測報告。船員監(jiān)控報告針對船員，顯示所有監(jiān)控設備的狀態(tài)信息，具有船員管理的監(jiān)控系統(tǒng)或設備的概覽功能，主要面向管理人員。在機組監(jiān)控報告中，除了可以看到巡檢人員監(jiān)督下的設備運行狀態(tài)外，還可以看到巡檢人員對系統(tǒng)的使用情況以及對問題的處理情況；設備監(jiān)控報告以設備為基礎，顯示在線數(shù)據(jù)和離線數(shù)據(jù)的報警狀態(tài)，主要面向巡檢人員和操作人員。設備監(jiān)測報告給出了每個監(jiān)測參數(shù)的詳細報警信息，包括報警開始、結束時間和持續(xù)時間。發(fā)電機的主要工作故障有電機油膜振動振蕩。主要故障原因之一是渦輪發(fā)電機每個轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速過低，三軸箱和楔形齒輪襯套傳動穩(wěn)定性差。當驅(qū)動負載溫度降低時，不穩(wěn)定的加速度變低。定子管的線圈兩端絕緣不良。主要原因是磨損、老化、污染和介質(zhì)腐蝕，使導體絕緣功能失效，引起絕緣局部匝間放電和溫升，絕緣材料層因冷熱結合能力不足、冷卻水層因泄漏、疲勞層因磨損而發(fā)生損壞，導致絕緣線材放電移位和絕緣匝間放電短路。

2.3 設計數(shù)據(jù)準確性甄別模塊

數(shù)據(jù)準確性甄別模塊需要具有完善的報警機制，以此實現(xiàn)對測點告警信息的統(tǒng)計分析和管理。數(shù)據(jù)分析準確性高的篩選分析方法基于目前經(jīng)典的各種動態(tài)數(shù)據(jù)測試和數(shù)據(jù)處理分析方法。同時還引入熱水器生產(chǎn)的測量經(jīng)驗數(shù)據(jù)來幫助判斷統(tǒng)計數(shù)據(jù)的測量準確性。使判斷分析結果可靠。數(shù)據(jù)測量精度評估篩選數(shù)據(jù)判斷異常數(shù)據(jù)測量測試點，將不會再參與數(shù)據(jù)參數(shù)精度評估測試過程。數(shù)據(jù)精度篩選的統(tǒng)計信息可以調(diào)動火電廠對自身測點維護的積極性，同時幫助電廠進行熱計量的相關檢查。變壓器主要短路故障有：繞組元件斷線，短路或部分熔化。主要事故原因可能是不銹鋼鐵芯或其他不銹鋼螺絲的外殼絕緣層被損壞。

故障鑒別處理：有的是金屬片間因使用鑄鐵片發(fā)生短路，片間元件絕緣嚴重發(fā)生損壞，接地保護方法不正確形成了大電流輸出回路。分子連接器與開關接觸不良，接觸面容易熔化的主要造成原因之一，是主體結構件的裝配過程存在諸多缺陷。鍋爐的主要過熱故障及原因診斷解決方法，首先主要鍋爐故障原因有，第一：鍋爐過熱器的空氣泄漏點和爆破損壞區(qū)域主要集中在家用高溫鍋爐過熱器下部和彎頭的兩個火側。主要停工原因之一是爐高太低，使地方過熱[5]。同時還存在焊接選材材料余量明顯不足和所用焊接材料質(zhì)量過低問題。第二：如果省煤器出現(xiàn)漏水，其主要漏水原因可能是排水粉煤灰涂層磨損從而造成排水管壁增厚變薄，特別是壁管、爐壁和彎頭。第三：高溫水冷壁表層滲漏，主要形成原因可能是水冷局部高溫過熱和表層腐蝕。局部高溫過熱腐蝕是由于燃燒管道內(nèi)部的水循環(huán)系統(tǒng)破壞和積水結垢，燃燒管道區(qū)域的火焰快速偏轉(zhuǎn)或管道煙溫過快升高會直接導致管道水冷壁在局部高溫下發(fā)生腐蝕。第四：除塵器出現(xiàn)故障，主要事故原因可能是由于煙氣露點流速過快，灰粒粒徑大，粉塵露點濃度大，排煙露點溫度遠低于煙氣露點排煙溫度。診斷技術方法在傳統(tǒng)鍋爐過熱故障技術診斷中，物理故障診斷技術方法主要包括：紅外射線測溫診斷技術，具體到其應用領域范圍主要包括了對鍋爐燃燒火焰和煙氣燃燒產(chǎn)生狀態(tài)的準確識別與分析控制、熱力設備疲勞燃燒損傷、熱力設備和機械溫度特性變化規(guī)律、熱力設備系統(tǒng)鍋爐漏熱保溫、鍋爐熱染物污染溫度控制等技術診斷與故障評價；超聲波故障診斷評價方法，可以應用于實時監(jiān)測整個爐膛及其上部過熱區(qū)域的鍋爐煙氣燃燒溫度，確定何時可以進行鍋爐吹灰排煙操作，保持整個鍋爐良好的運行燃氣性能，監(jiān)測到在爐膛內(nèi)每次冒煙燃燒的鍋爐煙道燃氣溫度和在燃燒器過熱區(qū)域附近的鍋爐燃氣溫度，有助于準確識別和及時消除因鍋爐燃燒器過熱故障原因引起的異常鍋爐燃燒產(chǎn)生情況，同時它還可以通過優(yōu)化對鍋爐污染物燃燒產(chǎn)生性能有重要不良影響的鍋爐溫度控制，實現(xiàn)清潔煤的燃燒。

2.4 設定系統(tǒng)功能結構

設備狀態(tài)在線監(jiān)測預警系統(tǒng)是對火電廠設備運行全過程進行實時監(jiān)測、分析和預警的綜合監(jiān)測平臺。系統(tǒng)首先使用ERP設備管理系統(tǒng)，對火電廠設備一些基本信息進行存儲，其中包括火電廠設備的名稱、類型、使用時間、規(guī)格、型號等信息，并針對每一種設備建立相應的設備檔案，供用戶查閱，配置火電廠設備相關的控制參數(shù)信息；然后，利用火電廠設備故障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對已經(jīng)投入使用的設備運行狀態(tài)信號進行采集，在此基礎上對采集到的設備運行狀態(tài)信號中的無效數(shù)據(jù)和重復數(shù)據(jù)進行剔除，并且對數(shù)據(jù)進行整合、分類處理；最后，以采集到的設備運行狀態(tài)信號作為訓練樣本，利用相關算法或者模型對數(shù)據(jù)進行分析，識別到火電廠設備故障特征目標，根據(jù)識別結果判斷火電廠設備是否存在故障，以及顯示分析結果，如果分析到火電廠設備運行狀態(tài)為故障狀態(tài)，則觸發(fā)系統(tǒng)報警裝置發(fā)出警報。此次設計的系統(tǒng)需要具備以上三個功能，包括信號采集、故障特征分析、故障告警，以此才能滿足火電廠設備故障告警需求，具體流程如下。

步驟一：接收到事故信號或告警信息；

步驟二：讀取電流信息保護信息告警信息等；

步驟三：信息預處理服務；

步驟四：專家系統(tǒng)推理判斷服務；

步驟五：告警與建議展示。

此次系統(tǒng)設計了以上幾個功能模塊，但是由于火電廠設備種類比較多，且每種設備還分為不同的型號，因此采集的數(shù)據(jù)也不太一致，所以此次設計系統(tǒng)還需要根據(jù)火電廠設備現(xiàn)場實際情況配置設備的特性參數(shù)，以此保證火電廠設備故障告警精度。

3 應用與分析

3.1 實驗準備

獲取B火電廠1臺350MW鍋爐過熱器，對該鍋爐最近一次發(fā)生的故障記錄點前后800組監(jiān)測數(shù)據(jù)利用文中系統(tǒng)展開研究。為了方便挖掘數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)規(guī)則，利用最大隸屬度原則將數(shù)據(jù)標記為最大隸屬度所屬的模糊等級，最終得到的待挖掘數(shù)據(jù)庫如表1所示。

表1 待挖掘數(shù)據(jù)庫

采用最小模糊支持度，對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行預處理，火電廠設備在運行過程中各個參數(shù)屬性之間的關聯(lián)關系都有與其相對應的關聯(lián)規(guī)則，以此反映出該火電廠設備運行狀態(tài)。

3.2 結果分析

為了進一步驗證文中基于人工智能的火電廠設備故障告警系統(tǒng)的優(yōu)勢，將實驗中采集到的設備數(shù)據(jù)作為樣本，其中有一部分數(shù)據(jù)為火電廠設備初始故障數(shù)據(jù)。為了更好地衡量文中系統(tǒng)優(yōu)勢，提取一種基于FARM的預警系統(tǒng)，測試兩種告警系統(tǒng)在不同數(shù)據(jù)量下識別所用時間，具體實驗結果對比如圖1所示。

圖1 兩種告警系統(tǒng)識別數(shù)據(jù)時間

圖1測試結果中，為了方便表達將基于FARM的預警系統(tǒng)，表示為傳統(tǒng)系統(tǒng)。觀察測試結果可以看出，在系統(tǒng)分析的數(shù)據(jù)量不斷增加時，兩種系統(tǒng)所消耗的執(zhí)行時間都處于上升趨勢。文中基于人工智能的告警系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)量3000時，運行時間在50s，而傳統(tǒng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)量3000時，運行時間則達到80s，因此，得出文中系統(tǒng)運行時所耗費的時間明顯少于傳統(tǒng)的FARM系統(tǒng)。

4 結語

火電廠設備故障告警系統(tǒng)作為火電廠生產(chǎn)運營中的關鍵技術，對火電廠保持正常生產(chǎn)效率和質(zhì)量具有重要作用，此次在傳統(tǒng)系統(tǒng)基礎上應用了人工智能技術，實現(xiàn)了對傳統(tǒng)系統(tǒng)硬件和軟件創(chuàng)新和優(yōu)化，經(jīng)過應用分析此次設計系統(tǒng)在設備故障告警速率方面具有較大的提升，證明了人工智能技術在火電廠設備故障告警中具有良好的應用價值。此次研究對解決火電廠設備故障問題具有一定的現(xiàn)實意義。