基于神經(jīng)網(wǎng)絡的低氮燃氣鍋爐故障診斷研究

趙培慶

(北京北燃環(huán)能科技發(fā)展有限公司，北京 100011)

低氮燃氣鍋爐對鍋爐房系統(tǒng)來說，屬于重大關鍵設備，也是故障發(fā)生頻繁的部分[1]。正確監(jiān)測鍋爐的狀態(tài)，預測可能發(fā)生的故障，對維護人員及早發(fā)現(xiàn)故障，盡快處理故障有很大的幫助，并對鍋爐房重大設備的安全性、提高設備的利用率、減少非計劃停機的次數(shù)和時間等起到積極作用，還能有效降低檢修費用，提高鍋爐房的經(jīng)濟效益[2-3]。

根據(jù)低氮燃氣鍋爐的狀態(tài)參數(shù)歷史數(shù)據(jù)訓練BP神經(jīng)網(wǎng)絡，然后將此信息與當前測量的鍋爐運行參數(shù)數(shù)據(jù)進行比較，以確定相應的故障；充分利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡的自學習、非線性、并行計算和容錯的能力，提高了低氮燃氣鍋爐故障診斷的快速性和準確率[4]。

1 神經(jīng)網(wǎng)絡結構和算法

BP神經(jīng)網(wǎng)絡已廣泛應用于非線性建模、函數(shù)逼近、系統(tǒng)辨識和分類等方面,但對實際問題,其模型結構需由實驗確定。

1.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡的結構

BP神經(jīng)網(wǎng)絡是一種單向傳播的多層前向網(wǎng)絡，其結構如圖1所示。網(wǎng)絡由輸入層、一層或多層隱含層和輸出層組成。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡結構圖

1.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡的算法

在BP神經(jīng)網(wǎng)絡中輸入層得到刺激后，會把他傳給隱含層，至于隱含層，則會根據(jù)神經(jīng)元相互聯(lián)系的權重并根據(jù)規(guī)則把這個刺激傳給輸出層，輸出層對比結果，如果不對，則返回進行調(diào)整神經(jīng)元相互聯(lián)系的權值。這樣就可以進行訓練，最終學會。在 BP 學習算法中，輸入層，輸出層和隱含層權值調(diào)整方式都是一樣的。由三個條件決定，它們分別是：學習效率，輸入層，輸出層和隱含層的各層誤差信號和各層輸入信號X/Y。其中最為重要的是輸出層誤差信號，它直接意味著和實際期望結果的差異，代表著與預期結果的差距，而前面的各層的誤差都是從后往前傳遞計算的誤差。

2 算例和分析

2.1 訓練樣本

將低氮燃氣鍋爐出水和回水溫度、出水壓力、水位和燃氣壓力以及排煙溫度、煙氣NOx含量7個系統(tǒng)參數(shù)作為網(wǎng)絡的輸入向量X=(x1,x2,x3…,x7)，輸出向量為故障原因Y=(y1,y2,y3…,y5)，從而建立系統(tǒng)參數(shù)與故障原因之間的映射關系，如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)與故障原因映射關系表

網(wǎng)絡的樣本經(jīng)過數(shù)據(jù)變換處理、提取特征參數(shù)作為樣本集如表2所示，輸出為樣本對應故障原因Yi，如果對應編號的項取1，表示該故障原因發(fā)生，否則取0，表示該故障原因不發(fā)生，若輸出全為0，表示故障沒有發(fā)生。

表2 故障類型與樣本分析表

2.2 網(wǎng)絡的訓練和測試

將采集的鍋爐參數(shù)及相應的故障原因作為學習樣本。一般將數(shù)據(jù)分為兩部分，一部分作為網(wǎng)絡訓練，一部分作為測試。

為簡單起見，采用5級模糊算子對輸入?yún)?shù)進行處理，模糊算子特征值如表3所示。

表3 模糊算子特征值

根據(jù)各對應故障下的運行參數(shù)分別計算對應的模糊算子，根據(jù)最大隸屬度原則，選取5個隸屬度最大的一個作為該故障參數(shù)下的模糊算子，計算結果如表4所示。

表4 參數(shù)模糊化后的算子

網(wǎng)絡經(jīng)過訓練后便具備了診斷故障的能力。訓練樣本的測試結果如表5所示。從表5的診斷結果數(shù)據(jù)中可以看出,人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有很高的診斷精度。經(jīng)過更多組樣本的測試,診斷結果表明網(wǎng)絡同時也具有非常好的魯棒性。

表5 訓練測試結果

2.3 誤差分析

為了提高神經(jīng)網(wǎng)絡的收斂速度,防止出現(xiàn)局部極小點,通過在Matlab仿真平臺上進行反復訓練和比較后,發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡在學習速率為 0.7，動量常數(shù)為 0.2 時樣本訓練的結果可 達到很高的精度,故障平均誤差保持在0.01 以下。對訓練過程進行多次仿真，得出訓練次數(shù)與均方誤差的關系如圖2所示。

圖2 訓練次數(shù)與均方誤差關系圖

3 結 論

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡故障診斷的方法能有效地克服單一神經(jīng)網(wǎng)絡存在的結構龐大、樣本準備和網(wǎng)絡學習困難、可靠性和精度差等問題。通過Matlab仿真證實該方法對于低氮鍋爐系統(tǒng)故障診斷有較高的精度和實用性。