热力系统检测与故障诊断

1、 第一章绪论§1.1系统监测与故障诊断技术的背景和意义一概述现代工程控制技术可划分为三个大的领域。既对象参数自动检测、运行自动控制和系统故障自诊断。工业设备与系统的故障诊断技术是一门与现代工业大生产密切相关的技术；是正在不断不断完善的交叉型学科；是系统工程领域的研究热点之一。状态监测与故障诊断技术所要解决的问题：1. 故障特征信息的提取和故障的分类，识别（辨识）的新理论和新方法研究；2. 复杂故障的产生机理及模型的深入研究；3. 故障诊断智能系统的研究，包括智能诊断专家系统和网络化远程诊断系。 学科的范畴与发展： 故障诊断与医学诊断的关系 工程领域 医学领域 工程诊断 -仿生学 -

2、医学诊断 故障诊断 疾病诊断 诊断对象-系统设备 诊断对象-人体 所涉及的学科领域：1. 系统领域技术（如热力系统、机械系统、电气系统)；2. 传感技术（各种测试设备）；3. 模式识别技术（故障识别、图像识别、声音识别）4. 信号处理技术；5. 人工智能技术；6. 电子技术；7. 计算机应用技术。 国内外的发展过程： 1967年由于航天技术和军工技术的不断发展，美国海军成立了专门的故障预防研究所，从事设备状态监测和故障诊断方面的研究工作。其后美国的西屋公司、CSI公司、丹麦的B&K公司等均成立相应的研究机构。 我国在1985年初在上海石化总厂召开了全国第一届设备诊断技术应用推广会议并于

3、1986年正式成立了故障诊断学会。2 基本概念和定义1.故障的定义：根据国标（GB3187-82）的定义，故障是指子分系统“丧失规定的功能”，或者说子分系统的输出与预期不相符合。在工程应用中通常把系统设备的状态分为正常状态、异常状态和故障状态三种。2. 系统监测与故障诊断的定义：1） 是识别系统设备运行状态的一门综合性应用科学和技术，它主要研究系统运行状态的变化在诊断信息中的反映；2） 通过测取系统设备的状态信号，结合其历史状况对所测信号进行处理分析、特征提取，从而定量诊断（识别）系统设备及其子系统的运行状态（正常、异常、故障），进一步预测系统运行未来的变化趋势，并最终确定出要采取的必要对策。

4、3） 主要内用包括监测、诊断（识别）和预测三个方面。状态监测可视为简单诊断，一般是通过检测系统的某些特征参数（如温度、压力、振动幅度等），并根据所测得的特征参数值与门限阈值的关系确定设备的运行状态。故障诊断也称为精密诊断，不仅要掌握系统的运行状态正常与否，而且要对故障的产生原因、故障的位置和故障的严重程度进行深入的分析和判断。趋势分析是通过对系统进行定期的或连续的状态监测与分析，获得有关系统状态变化的规律并据此预测系统运行的变化趋势。通常的系统故障检测和诊断设备投资占系统总费用的5%左右，随着系统自动化程度的不断提高，该部分费用呈上升趋势。3 故障检测与诊断系统的分类通常，故障检测与诊断系统可

5、分为离线监测、在线监测和远程监测三种。1. 离线监测系统离线监测系统也称为系统故障巡（点）检系统，通常由传感器、便携式数据采集系统和计算机软件组成。它采用定期巡回检测和离线分析的方式工作。适合于对现代工厂中分散的中小设备，尤其是那些尚无固定监测点的设备进行状态监测和故障诊断。2. 在线监测系统在线监测与诊断系统具有数据采集连续、快速，数据处理实时性好，分析诊断功能全面、丰富等特点。适用于具有连续监测点的大型连续运转的关键设备。在线监测系统常包含集中式单机监测系统、集散系统和分散系统三种。在现代大型热力发电厂，用得最多的是分散系统。所谓分散系统，其采用的是分布式结构，它针对现代工业大型化、规模化

6、、组成设备众多的特点，通过计算机网络把分布于各局部现场，独立完成特定功能的计算机和智能仪表连接起来，在一台主控计算机的控制下，构成分级管理模式，实现资源共、享功能分散、风险分散、协同工作，分散检测集中管理、监测的工作模式。分散式结构具有以下优点：1） 可靠性高系统个节点均能完成分散式的处理，各节点具有相对独立性。某一节点出现故障并不影响其他节点的工作，对关键节点可采用冗余式结构。2） 可扩展性和灵活性好由于采用网络化结构，监测和诊断设备可模块化，便于系统维护和扩展。3） 功能强、性价比高系统支持多用户、多任务，可承担较多的工作负荷。由于网络接口集成度高，网络设备可与生产管理系统、MIS系统共享

7、。节约系统成本。§1.2热力系统的运行状态监测与故障诊断能源工程是国民经济的基础产业，对经济持续快速发展和人民生活的改善发挥着十分重要的保障与促进作用。电力工业是能源工业的主要组成部分之，是国家经济发展战略中的重点和先行产业。电力是一种便于转换的二次能源，具有能高度集中和无限划分，淸洁干净和易于控制，可大规模生产和远距离输送等诸多优良特性，因此电力的使用已深入到社会经济、生活的各个领域，电力的发展和应用程度成了衡量社会现代化水平高低，以及物质文明和精神文明高低的重要标志之一。在我国电力能源结构中，火电设备容量占总装机的3/4左右，在相当长的时期内，这种状况难以改变。2020年预计火电

8、装机在600GW左右，约需煤炭14亿吨，占计划煤炭生产量21亿吨的66%左右。如此巨大的不可再生能源消耗，对我国煤炭工业造成空前的压力。但是，我国人均能源拥有量仅为世界人均值的36%左右，而且能源利用率处于较低水平，火电机组年平均供电煤耗比国外先进水平高约6070g标煤/（kWh）。同时，环境保护对火电机组能耗也提出了更为严格的要求。因此，继续深入研究火电机组的安全、经济运行，提卨火电站运行效率，大力开展节能降耗工作对我国国民经济和社会可持续发展具有重要的战 略意义。我国电力体制改革的深入开展，“厂网分开，竞价上网”，使发电企业面临巨大的市场竞 争。大型火力发电机组是电力生产的主要设备，其运行

9、的安全性与经济性问题在这种竞争条 件下更显突出。由于人型发电设备结构的复杂性和运行环境的特殊性，机组出现性能的退化 其至故障不可避免。由于运行管理水平的制约，即使机组设备状态良好，也难以维持最佳经 济性。大型机组单机容量大、热力参数高，其性能退化与故障以及运行水平对安全性、经济 性的影响愈发严重。及时诊断、预防机组的故障，以及决策运行操作和故障维修，提高设备 的可用率，保障机组安全、经济地运行，仍然是发电企业提高经济效益、增强竞争力的有效 途径之一。因此在当前形势下，进一步开展机组性能监测、故障诊断及运行操作指导的研究 工作具有显著的现实意义。热力系统是火力发电机组进行能量转换的主要场所，其设

10、备及总 体运行状态的优劣将直接影响整个机组的发电效率，良好的热力系统运行状态是整个发电机 组安全、经济运行的保障，研究针对热力系统的故障诊断与运行操作指导，开发具有实际应 用价值的系统是目前急待深入的工作之一。 现代信息技术的发展，在整个社会的各个领域发挥着巨大作用。信息技术在电力行业的广泛应用，极大地提高了电力生产能力，带来了瞩目的社会效益。信息技术从20世纪60年代开始从生产过程自动化起步进入电力行业，至今天己经进一步发展到综合应用，由操作 层向管理层延伸，实现管理信息化，建立了各级企业的管理信息系统。集散控制系统 管理信息系统。已经逐步走向成熟,在现代化发电厂中已经具有相当的普及率。近年

11、来，我国提出厂级监控 信总系统的概念，并且已经在新建大型火电工程中普遍推广应用，已经投入运行的一些大型火电厂，也纷纷增配SIS系统和功能。电站SIS是主要为火电厂全厂实时生产过程综合优化服务的生产过程实时管理和监控的信息系统，是一个融电厂热能动力工程、计算机与信息工程、管理与决策科学、热工控制技术、人工智能技术等学科与技术于一体的集成信息系统。故障诊断与运行操作指导是SIS主要功能的重要组成部分，其完善与否直接关系到SIS的实际应用效果。信息技术在现代电厂的 广泛应用，一方面对故障诊断与运行操作指导提出了更高的要求，另一方面也为其提供了更 丰富的信息来源和更强大的信息处理手段，并极大促进了故障

12、诊断与操作指导与信息系统的 融合和发展。同时，各种数学理论与数学方法也不断渗透到电力生产中，模糊数学、神经网络、灰色系统理论、粗糙集理论、分形几何、混沌理论等在故障诊断领域的应用研究异常活跃，并取得可喜的成果。这为故障诊断与运行操作指导提供了强有力的数学工具。最早广泛应用于军事领域的信息融合技术，近年来在工业领域的应用研究层出不穷，尤其是在故障诊断方面发挥了不可低估的作用。信息融合是将多传感器或者多源信息进行综合处理，以获得更可靠、更准确结论的信息处理技术。电站DCS，MIS的广泛普及与SIS的不断发展，为多源信息获取提供了方便、快捷的方式，从而为信息融合的应用奠定了坚实的物质基础。现代监测技

13、术、诊断技术、信息技术在电站中的综合与应用，不但推动了电站故障诊断与运行操作指导的发展，而且代表了其今后的研究方向。一现代大型火电厂运行状态监测与设备的故障诊断现代大型火电厂运行监测是通过对电站设备及系统的参数进行在线测量和分析，以一定的安全性、经 济性指标对机组当前的运行状况做出评价，并对机组的运行与调整方案进行决策。热力系统 故障诊断与操作指导是电站性能监测的重要内容，与性能监测其它功能的关系如图1.1所示。图1.1机组运行决策系统功能结构图图1.1所示的功能结构表示用于机组运行的决策系统，共分为五个层次：过程对象、信号处理、性能分析、辅助决策和决策层。整个决策系统构成一个闭环控制系统，控

14、制着机组的运行状态。过对象就是运行的机组，是整个系统的根本，是所有功能模块信息的最初来源和最终的归宿；数据采集与数据处理通过各种传感器釆集信号，并进行一定形式的处理，得到系统的运行状态信息，为后续功能模块提供数据支持；分析诊断层需要完成性能指标计算、目标值优化、偏差分析以及故障诊断等监测任务，其中机组正常运行中的指标计算、目标值优化和偏差分析可归入经济性诊断范畴；操作指导部分根据性能监测各模块的结果进行推理判断，给出操作指导信息（严格意义上的辅助决策层还应该包括性能分析层和信号处理层，这里为讨论方便，特指操作指导层）；运行人员是决策系统的决策者，参考数据采集处理结果、分析诊断结果和操作指导信息

15、，进行综合考虑，制定机组运行调整决策，从而达到优化机组运行的目的。性能指标计算的内容是电站全厂及主要系统的性能参数，如效率、煤耗等，这些指标由现场釆集的压力、温度、流量等原始参数通过一定计算获得。其算法遵守一些试验规程，如美国机械工程师学会的电站性能试验规程以及国家汽机热力试验规程等。 由于试验规程对测量元件与现场测点等要求比较严格，最初的性能计算颇受局限，但随着测量技术、传感技术以及计算机技术的不断进步，目前己经能够在线完成全厂及主要系统的性能分析运行目标优化的目的是在机组正常带负荷运行阶段，调整机组参数，使机组达到或者接近运行优化目标值，提高机组经济性。运行优化目标值包括机组当前最优化运行

16、状况的各个 运行参数和性能指标的优化目标值，它为运行人员提供了机组在不同外部条件（负荷、环境、 燃料等)下的最佳运行方式和参数控制，它建立在现有设备基础上(包括热力系统结构、设 备的运行状态等)，主要通过运行调整实现，其目的就是使机组一直处于最优状态运行。偏差分析是对机组主要运行参数偏离其运行目标值而对机组热耗率（煤耗率）的影响进行定量分析，从而反映改善机组运行性能的主要因素，通过参数的偏差分析可以监督考核运行人员的运行水平，为运行人员提供优化运行指导。运行参数的偏差对机组的经济性影响与 机组负荷、运行环境和热力系统结构等因素有较大的关系，在偏差分析时必须根据机组运行的具休情况进行分折。故障诊

17、断是一项复杂的系统工程，涉及到的技术领域相当广泛，是一门学科交叉的边缘学科所谓故障，就是系统设备的性能退化到一定程度后，使得系统设备功能丧失或着超出系统的容限，是一个从量变到质变的过程。故障诊断的任务是通过获取足够的设备数据信息、过程系统动力学模型、系统结构知识以及过程异常变化的征兆与过程系统故障之间的内在眹系，对系统的运行状态进行分析和判断，查明故障发生的时间、位置、幅度、故障模式以及故障发展趋势。故障诊断可分为故障检测和故障分离两部分，前者解决故障是否发生 问题，后者解决发生故障类别的判断问题。 操作指导建立在分析诊断基础上，接受分析诊断层各模块的输出结果，根据己有的知识规则，进行判断和决

18、策，给出合理的运行调整方法、方案以及维修方案和计划等结果。操作指导的决策结果在目前还不能直接作用于机组运行，仅作为运行人员的参考。因此在决策系统框架下，操作指导属于辅助决策层，为决策层提供决策支持。运行人员是决策系统的最高层次，是决策的制定者，整个监控系统的信息全部对运行人 员提供决策支持。运行人员作出决策后，及时调整机组状态，达到机组运行优化的目的。以上分析了整个机组运行优化与故障诊断系统的功能关系，从中可以清晰地看到故障诊 断与操作指导的地位；故障诊断是性能监测的重要组成部分，用以判断机组是否发生故障并分析引起故障的原因，操作指导建立在所有分析诊断功能模块之上的辅助决策部分，以分析诊断结论

19、为依据，为运行人员提供决策支持。特别指出，以上讨论中性能监测包括了故障诊断与操作指导，可称为广义性能监测；而 当性能监测不包括故障诊断和操作指导时，可称为狭义性能监测，后续章节中提到的性能监测一般为狭义的性能监测。二故障诊断与运行优化指导的研究现状操作指导从实现途径上有两个主线，其一是经济性诊断操作指导，以经济性诊断为分析 手段，制定优化运行操作方案：其二是故障诊断操作指导，以故障诊断为分析手段，制定故障运行对策和维修对策。前者在正常运行中以提高机组经济性为目的，后者在发生故障时以降低损失和消除机组缺陷为目的。在实现方法上，两主线的分析方法属于不同研究领域，而操作指导则相对统一。经济性分析方法

20、中，性能指标分析遵循一定的试验规程，目标分析与 偏差分析目前己经有比较成熟的研究成果可供借鉴，本文不再继续研究。下面仅介绍故障诊断与操作指导的实现方法概貌。1.故障诊断方法概述设备故障诊断的方法很多，根据数学模型的使用情况，基本上可分为两类：基于数学模型的故障诊断方法和不依赖数学模型的故障诊断方法。1）基于数学模型的方法：基于数学模型的故障诊断技术的核心思想是用解析冗余取代硬件冗余。该方法实际上就 是利用被诊断过程的数学模型估计出系统输出，然后与实际过程的输出测量值进行比较，从 而获得故障信息。基于数学模型的故障诊断方法又有状态估计方法和参数估计方法。A) 状态估计方法实现分为两步，首先需要形

21、成残差，即采用观测器或者滤波器的方法由数 学模型的状态输出与实际系统测量输出的差值；然后进行残差评估，从残差中提取故障特征进而实现故障诊断。状态估计基本方法通常有观测器方法、滤波器方法和一致空间方法。B) 参数估计方法实现故障诊断的核心思想是由机理分析确定过程系统的模型参数和物理元部件之间的关系方程， 由实时辨识方法求得系统的实际模型参数，由和求解实际的物理元部件参数，将和的标称值进行比较，从而确定系统是否故障及故障的程度。基于数学模型的故障诊断方法具有较强的理论背景，在能够建立精确数学模型的情况 下，可得到可靠的诊断结论，但存在如下不足：A) 对模型精度要求高。基于数学模型的故障诊断方法关键

22、是建立较精确的数学模型，当系统复杂时，精确数学模型难以建立，从而限制了该方法的应用。B) 故障检测阀值确定问题。模型失配是不可避免的，即使系统工作正常，诊断算法的输 出也不为零，因此必须设置最优的故障检测阀值，使误诊率和漏诊率达到最佳平衡。而最优 阀值的确定一直是一个棘手的问题。C) 非线性系统故障诊断不成熟。实际系统都是本质非线性的，尤其是工作点变动的系统， 基于小偏差理论的局部线性化模型不适用。而基于数学模型的方法在非线性故障诊断领域尚 不成熟，缺乏有效的参数估计方法和状态依计器的设计方法。D) 计算量问题。当系统较大时，数学模型较为复杂，尤其是规模大的非线性模型，诊断计算量过大，可能造成

23、实时诊断困难。E) 应用条件的局限。除要求精确的数学模型外，状态估计的方法需要知道噪声的统计特 性并要求系统是可观的或者部分可观；参数估计方法要求有效的估计方法和被诊断系统的充分激励，这在很多的场合难以满足。2）不依赖数学模型的方法基于数学模型的诊断方法需要建立被诊断对象的数学模型，在模型建立比较困难的情况 下，受到一定的限制。而不依赖数学模型的故障诊断方法，无需建立对象数学模型，适用范围更为广泛。该方法主要是基于直接测量信号的方法和基于经验知识的方法。A) 基于直接测量信号的故障诊断方法系统在正常工作的情况下，其输出信号绝对值或者变化趋势必然在一个合理的范围内变化。如果超出了这个合理的范围，

24、那么系统必然处于非正常工作状态。因此可以根据直接测量的信号幅度及其变化趋势诊断过程故障，这是直接诊断的方法。系统的输出信号在幅 值、相位、频率及相关性上与故障源存在着某种关系，因此利用这种关系，即可从测量的输 出信号中确定系统的故障，这是信号处理的方法。信号处理方法在旋转机械振动故障诊断中 应用较多，如谱分析、FFT变换、小波变换等。B) 基于直接测量信号的故障诊断方法简单、实用、可靠，在工程中应用广泛。但是该方法 只有在故障发展到相当的程度并影响到外部特征时才有效，而且只能对故障的范围作出粗略的估计，大多数情况下不能直接定位故障。C) 基于智能技术的故障诊断方法工程实际中的复杂系统，其故障的

25、发生、发展与多种因索有关，故障的机理研究往往不 透彻，并且有些情况下非线性程度高、存在不确定性问题，精确的数学模型难以建立，因此 基于数学模型故障诊断技术的应用受到一定限制。基于经验知识的故障诊断方法，可利用历史经验知识，通过多种渠道获得故障信息，不受数学模型的限制，因此基于经验知识的故障诊断技术成为当前应用研究的重点。目前，较常见的方法有专家系统方法、神经网络方法、 模糊数学方法以及各种综合方法。D) 专家系统方法：专家系统是具有大量专门知识，并能运用这些知识解决特定领域中 实际问题的计算机程序。完整的专家系统包括四部分：知识库、推理机、知识获取模块和解 释界面。知识库存储和管理各种知识。这

26、些知识以事实和规则的形式存储起来。事实是短期信息，可以发生快速的变化。规则是长期信息，相对稳定。推理机是协调控制整个系统工.作的机构或规则解释机构，它根据知识库中的事实、规则，按一定的推理策略求解当前的问题。 知识获取模块解决如何将各种信息转化为计算机可用的知识。解释界面负责向用户说明系统 如何进行推理和如何得到结论的。专家系统具有故障定位迅速、显式知识表示意义明确、逻辑推理严密、推理结果可靠、 推理解释清晰等优点，在故障诊断领域应用广泛。但专家系统存在知识获取瓶颈、自适应能 力差、没有白学习能力、实时性差、逻辑推理组合爆炸等问题，从而限制了专家系统的实际 应用。E) 神经网络方法：人工神经网

27、络是由大量简单处理单元，以某种特殊拓扑方式相互连接而成的复杂的非线性动力学系统，它从微观上对人脑的智能行为进行描述。信息处理通过 各单元之间的大规模连接权值与作用函数的并行运算实现。信息存储表现为神经元之间分布 式权值联系，学习表现为神经元连接权值的动态调整。神经网络故障诊断的主要方式有基于征兆的诊断方式、基于测量信号的诊断方式、基于残差生成的诊断方式、基于自适应误差补偿的方式等。神经网络方法与传统信息处理方法相比在很多方面具有明显的优势，主要表现在具有很强的非线性表达能力，能够以任意精度逼近任意非线性函数、分布式信息存储与并行计算结构具有独特的容错性、强大的自适应学习能力增大了对环境变化的适

28、应能力，在故障诊断领域的应用研究一直是一个热点。但是其缺点也很明显，主要表现在：样本的获取困难。神经网络的学习建立在大量样本的基础之上的，如果样本匮乏且 分布不均，则神经网络很难有好的表现。而故障诊断领域的故障样本获取困难，而且分布不 均，严重影响了神经网络的诊断能力。经验知识利用不便。神经网络通过对样本的学习获取知识，对来自实践的宝贵经验难以利用。诊断过程解释困难。神经网络信息以权值形式存储，这种隐式的知识不易理解。其 诊断过程类似“黑箱”，缺乏推理的解释。神经网络设计没有统一标准。神经网络的设计分为结构设计和参数设计，结构设计 尚没有统一的标准，依赖于设计者的经验。F) 模糊理论方法：不确

29、定的、模糊的状态、特征等在实际系统中普遍存在，模糊集合理论具有对不确定性的表达能力，因此可以用模糊集合理论处理故障诊断中不确定的、模糊 的问题。常用方式是模糊推理、模糊聚类、模糊综合评判等。模糊推理一般用于建立模糊专 家系统，是模糊集理论与专家系统的综合应用，其知识用模糊隶属度表示、推理机釆用模糊 推理方法。模糊聚类可将模糊集分为不同水平的子集，由此判断故障最有可能属于的子集。 模糊综合评判就是根据模糊关系矩阵R建立被诊断对象的特征集上的模糊矢量A与故障状态集上的模糊矢量F之间的映射关系，即再根据判断准则大致判断有无故障。模糊推理符合人类的思维过程，便于处理定性的知识，可用于不确定知识的表示。

30、模糊系统本身是非线性系统，具有强的非线性映射能力。模糊诊断方法适用于测量量较少且无法 获得精确模型的系统。模糊方法最大的问题是模糊隶属度的确定比较困难，同时，输入量较 多时规则过多，造成模糊方法的计算量太大。 G) 综合性方法：目前较为常见的是模糊专家系统和模糊神经网络，是模糊数学同专家 系统和神经网络相结合的产物。应用于故障诊断领域中的各种诊断方法和技术都有各自的优 点，但是任何单一的诊断方法都有其局限性，必须合理综合多种诊断方法，保留优点，突破 局限，才能取得比任何单一方法更好的诊断效果。2.热力系统故障诊断研究现状与存在问题热力系统故障诊断的研究是故障诊断技术在热力系统中的具体应用研究，

31、借鉴多种故障诊断技术的研究成果，以解决实际中的热力系统故障诊断问题。热力系统是一个复杂的系统，其非线性程度高，不确定性问题普遍存在，系统故障与多种原因有关，其故障诊断问题 目前巳有较多研究，但是仍存在较多难点。工程应用中，热力系统故障诊断仍然存在一些问题，离实际的要求还有一定的距离，在以下几方面还需要继续深入研究：1机理研究和知识积累问题。故障机理的研究和知识的积累是一项长期的基础工作，透 彻的故障机理和丰富而高质的知识对故障诊断的准确性具有决定性的作用，是建立和完善故障诊断系统的有效途径。故障机理本质上是深层知识的获取，也属于知识积累的重要内容。 2）诊断系统可靠性问题。诊断系统的可靠性问题

32、直接影响诊断系统的实际应用。故障诊 断的可靠性包括数据采集的可靠性、诊断方法的可靠性、计算机系统的可靠性。其中引起诊 断失效的最主要的原因是数据采集的可靠性问题，其次是诊断方法，而计算机系统的可靠性 在工业应用中相对最高。数据釆集不可靠会引起输入数据的错误，从而导致诊断失效或者错误。解决问题的途径之一是对数据进行检验和恢复，之二是构造容错的鲁棒诊断策略，这也 是本文的研究内容之一。3)多诊断方法的综合利用。故障诊断方法颇多，各种方法具有不同的优点和缺点。对于复杂的热力系统故障诊断，任何单一的故障诊断方法如果不结合其它方法的优点，将在诊断 能力和诊断效果上受到局限。而采用多种方法综合的混合故障诊

33、断技术，则可形成优势互补， 达到提高诊断能力的效果。这一问题可以借助于信息融合技术来解决。4）系统集成问题。现代电站自动化、信息化程度较高，一般都配备较先进的电站信息系 统，尤其是电站厂级监控信息系统（SIS）的建设，可为故障诊断提供丰富的实时数据和历史数据支持，而故障诊断也是SIS的重要功能之一。釆用何种方式将故障诊断功能同电站性 能监测的其它功能有机组织起来，与整个信息系统形成一个统一的整体，这就是诊断系统集 成问题。其中包括数据的集成、方法的集成、软件的集成、硬件的集成等方面的内界。3优化运行指导问题从图1.1的结构可以看出，操作指导部分接收分析诊断层的所有信息，根据这些信息进行推理判断

34、，从而给出指导意见，操作指导的实现方案中，采用专家系统的方法比较常见，建立操作指导专家系统的关键问题是建立操作指导知识库。操作指导信息的来源有领域专 家、运行规程、理论分析和仿真试验。领域专家是指具有领域专门知识和丰富运行经验的人， 通过各种交流方式获取专家的经验知识，将以语言方式的专家知识釆用一定的表示方式保存 于操作指导知识库，供推理时使用。运行规程是运行人员进行运行操作的依据，涉及内容广 泛.所有的运行操作必须符合运行规程的规定。运行规程记载的内容是操作指导知识库的重 要来源，可直接将运行规程的内容按照需要编码后存于操作指导知识库。理论分析是从系统 的基本原理出发，采用解析的方式进行分析

35、论证，从而获得操作指导信息。仿真方法可以作 为操作指导信息的另一种来源，这是以机组的仿真模型为基础的操作指导信息获取方法，依 赖于仿真模型的正确性。操作指导作为性能分析、故障诊断的上层应用，一般不独立存在，而是与性能监测、故障诊断系统相集成，成为性能监测、故障系统的功能模块。加拿Alberta大学基于实时智能多媒体系统INTEMOR实现操作指导，采用基于规则的推理以及案例推理，应用于锅炉系 统在线操作指导；日本Hitachi开发用于燃煤电站机組优化启停的模糊专家系统操作指导 系统；东南大学机组性能运行优化系统(UPOSS)具有操作指导功能；山东电力科学研究院开发的600MW机组运行操作指导系统

36、，包括经济性分析、故障诊断、启停操作指导等 方面的内容；华北电力大学开发机组经济性在线监测与操作指导系统；重庆大学釆用专家系统和神经网络相结合的方法开发了火电机组运行指导系统。 第二章 热力系统故障测试与信号处理§2.1 热力系统的信号检测本节主要讨论大型火电厂热力系统中所涉及的信号检测。一温度检测温度测量仪表按测温方式可分为接触式和非接触式两大类。通常来说接触式测温仪表测温仪表比较简单、可靠，测量精度较高；但因测温元件与被测介质需要进行充分的热交，故需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在测温的延迟现象，同时受耐高温材料的限制，不能应用于很高的温度测量。非接触式仪表测温是通过热辐射原

37、理来测量温度的，测温元件不需与被测介质接触，测温范围广，不受测温上限的限制，也不会破坏被测物体的温度场，反应速度一般也比较快；但受到物体的发射率、测量距离、烟尘和水气等外界因素的影响，热工系统常用的温度检测仪表的分类如表2-1所示。 表2-1常用测温仪表种类及优缺点测温方式 温度计种类常用测温范围，优点缺点非接触式测温仪表辐射式辐射式4002000测温时，不破坏被测温度场低温段测量不准，环境条件会影响测温准确度光学式7003200比色式9001700红外线热敏探测-503200测温时，不能破坏被测温度场，响应快，测温范围大，适于测温度分布易受外界干扰，标定困难光电探测03500热电探测2002

38、000接触式测温仪表膨胀式玻璃液体-50600结构简单，使用方便，测量准确，价格低廉测量上限和精度受玻璃质量的限制，易碎，不能记录和远传双金属-80600结构紧凑，牢固可靠精度低，量程和使用范围有限压力式液体-30600耐震，坚固，防爆，价格低廉精度低，测温距离短，滞后大气体-20350蒸汽0250热电偶铂铑-铂01600测温范围广，精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制需冷端温度补偿,在低温段测量精度较低镍铬-镍铝0900镍铬-考铜0600热电阻铂-200500测温精度高，便于远距离、多点、集中测量和自动控制不能测高温,须注意环境温度的影响铜-50150热敏电阻-50300二压力检测压

39、力测量原理可分为液柱式、弹性式、电阻式、电容式、电感式和振频式等等。压力计测量压力范围宽广可以从超真空如133×10-13Pa直到超高压280MPa。压力计的品种繁多。因此根据被测压力对象很好地选用压力计就显得十分重要。（1）就地压力指示当压力在2.6Kpa时,可采用膜片式压力表、波纹管压力表和波登管压力表。如接近大气压的低压检测时，可用膜片式压力表或波纹管式压力表。（2）远距离压力显示若需要进行远距离压力显示时，一般用气动或电动压力变压器，也可用电气压力传感器。当压力范围为140280MPa时，则应采用高压压力传感受器。当高真空测量时可采用热电真空计。（3)多点压力测量进行多点压力

40、测量时，可采用巡回压力检测仪。若被测压力达到极限值需报警的，则应选用附带报警装置的各类压力计。正确选择压力计除上述几点考虑外，还需考虑以下几点。1）量程的选择 根据被测压力的大小确定仪表量程。对于弹性式压力表，在测稳定压力时，最大压力值应不超过满量程的3/4；测波动压力时，最大压力值应不超过满量程的2/3。最低测量压力值应不低于全量程的1/3。2）精度选择 根据生产允许的最大测量误差，以经济、实惠的原则确定仪表的精度级。一般工业用压力表1.5级或2.5级已足够,科研或精密测量用0.5级或0.35级的精密压力计或标准压力表。3）使用环境及介质性能的考虑 环境条件恶劣，如高温、腐蚀、潮湿、振动等，

41、被测介质的性能，如温度的高低、腐蚀性、易结晶、易燃、易爆等等，以此来确定压力表的种类和型号。4）压力表外形尺寸的选择 现场就地指示的压力表一般表面直径为100mm，在标准较高或照明条件关差的场合用表面直径为200250mm的，盘装压力表直径为150mm，或用矩形压力表。三流量检测流量计是指测量流体流量的仪表，它能指示和记录某瞬时流体的流量值；计量表（总量表）是指测量流体总量的仪表，它能累计某段时间间隔内流体的总量，即各瞬时流量的累加和，如水表、煤气表等等。工业上常用的流量仪表可分为两大类。（1）速度式流量计 以测量流全在管道中的流速作为测量依据来计算流量的仪表。如差压式流量计、变面积流量计、电

42、磁流量计、漩涡流量计、冲量式流量计、激光流量计、堰式流量计和叶轮水表等。（2）容积式流量计 它以单位时间内所排出的流体固定容积的数目作为测量依据，如椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、乔板式流量计和活塞式流量计等。通常容积式流量计具有较高的测量精度。四物位检测在热力系统测试中，常遇到大量的液体物料和固体物料，它们占有一定的体积，堆成一定的高度，把生产过程中罐、塔、槽等容器中存放的液体表面位置称为液位；把料斗、堆场仓库等储存的固体块，颗粒、粉粒等的堆积高度和表面位置称为料位；两种互不相溶的物质的界面位置叫作界位。液位、料位以及相界面总称为物位。对物位进行测量的仪表被称为物位检测仪表。物位测量的主要目的有

43、两个：一是通过物位测量来确定容器中的原料，产品或半成品的数量，以保证连续供应生产中各个五一节所需的物料或进行经济核算；另一个是通过物位测量，了解物位是否在规定的范围内，以便使生产过程政党进行，保证产品的质量、产量和生产安全。物位测量仪表的种类很多，如果按液位、料位、界面可分为：（1）测量液位的仪表：玻璃管（板）式、称重式、浮力式（浮筒、浮球、浮标）、静压式（压力式、差压式）电容式、电阻式、超声波式、放射性式、激光式及微波式等（2）测量界面的仪表：浮力式、差压式、电极式和超声波式等；（3）测量料位的仪表：重锤探测式、音叉式、超声波式、激光式、放射性式等。五煤量测试GM-BSC21型系列称重式计量

44、给煤机在工作时，煤从储煤仓通过进煤口煤闸门进入给煤机，由计量输送胶带送到给煤机出煤口，经过出煤口煤闸门进入磨煤机，在计量输送胶带的下面装有尺寸控制精确的称重托辊，构成称重计量跨距，在称重计量跨距中间安装有一个与一对防爆称重传感器相连接的计量托辊。当被输送的煤通过该称重计量跨时，称重传感器便产生一个与胶带上的煤重量成正比的电信号，同时在主驱动电机轴端装有速度器检测器，将胶带的速度以脉冲信号的形式送给演算调节器。煤的重量信号经放大及A/D变换后，以数字形式送给演算调节器，这两个信号经过演算调节器处理，即可显示出称重式计量给煤机的瞬时给煤量和累计给煤量，其公式如下： W = d t = V (t)

45、d t式中：W (t)累计给煤量t / h ； q (t) 瞬时单位长度胶带上煤的重量t / h ； V (t) 瞬时胶带输送速度m / s 。ICS系列电子皮带秤通过称重传感器支承的桥架和称重托辊检测皮带上的物料重量，产生一个正比于皮带载荷的电输出信号；同时速度传感器直接联在主动滚筒或大直径的测速滚筒上，产生一系列脉冲信号，每个脉冲代表一个皮带长度，脉冲的长度正比于皮带速度，积算器将这两种信号用积分方法，把皮带速度和皮带负荷（kg/m×m/s）进行积算，并转换成选定的工程单位，在显示器上分别显示出瞬时流量和累计重量六汽机本体安全监视系统（TSI及MTSI）（1）电涡流测量探头TSI

46、(MTSI)采用电涡流传感器测量信号的有：转速测量、轴向位移测量、胀差测量、轴振测量、偏心测量、键相测量，其测量原理如下：前置器接受监测模件的-24VDC电压，由前置放大器的振荡器产生一个高频电流(频率为1MHZ)，当高频电流通过探头顶端的线圈时，就产生了高频电磁场，当探头接近金属表面时，便在金属表面上产生了感应电流，即电涡流。根据楞次定律，电涡流也产生一个交变磁场，其方向与原磁场方向相反，这两个磁场迭加后就改变了原线圈的电抗，线圈电抗的变化与线圈到金属导体的距离有关。当探头和所测金属表面之间的距离发生变化时，前置放大器将线圈电抗的变化转换为电压的变化。此电压为直流电压，且在一定范围内和距离成

47、线性关系（L=f(d)）。由于前置放大器供给传感器的是高频电流，工作频率高，所以探头和前置放大器连接电缆的长度不能超过一定数值(如9m)，因为连接电缆长度过长将产生较大的高频衰减，降低测量的灵敏度。同时连接的高频电缆是测量回路的一部分，高频电缆的阻抗也有严格的要求。（2）速度传感器TSI采用速度传感器测量信号的有瓦振测量，其工作原理如下：传感器由一个地震块和一个由弹簧片支持的测量线圈组成。测量元件可在一个圆形永久磁铁的磁场中移动。传感器的固有频率在4-13Hz之间，取决于不同的传感器型号。传感器外壳振动，会产生一个与振动速度成正比的电压信号。此信号即是测量信号。 （3）LVDT线性位移传感器T

48、SI系统采用LVDT测LVDT线性位移传感器即差动变压器，其作用是把油动机活塞的位移（同时也是阀门的开度）转换成电压信号，反馈到伺服卡（HSS03，与控制器来的信号作比较,其差值经伺服卡转换成电流信号，驱动电液伺服阀、油动机直至主汽阀。当主汽阀开度满足了控制器的输出后，伺服卡输出为零，于是主汽阀处于新的稳定位置。 LVDT是由一铁芯杆与外壳组成，在外壳中有三个绕组，一个是初级线圈，由伺服卡（HSS03）提供约1.08-9VPP /1kHz的交流激励电源，在中心点的两侧各有两个次级线圈且反向连接，当铁芯在线圈内移动时，改变了空间的磁场分布，从而改变了初次级线圈之间的互感量M，当初级线圈供给一定频

49、率的交变电压时，次级线圈就产生感应电动势，随着铁芯的位置不同，次级产生的感应电动势也不同，这样，就将铁芯的位移量变成了电压信号输出。为了提高传感器灵敏度改善线性度，实际工作时是将两个次级线圈反串接，故两个次级线圈电压极性相反，于是 传感器的输出是两个次级线圈电压之差，其电压差值（约1010V）与位移量成线性关系。当铁芯杆处于中间位置时，两个次级线圈的感应电动势相等，则输出为零，当铁芯与线圈有相对位移，则两个两个线圈感应电动势不等，则有信号输出。实际装置中，外壳固定不动，铁芯通过杠杆与油动机活塞连杆相连，这样输出信号可代表油动机的位移，也就是阀门的开度。LVDT的输出信号具有凸轮特性，当油动机活

50、塞移动到某一定的位置后，再将调节信号增大后，油动机活塞的位移和阀门开度增加较小，使进汽量增加也小，正如凸轮旋转到靠近圆弧段一样，只需在LVDT端单位长度中增加绕组数实现，这样设计成的LVDT产生的位移信号不再是线性的，不再正比于油动机位移，因此，当油动机进入凸轮效应影响范围时，其反馈信号增加相对减小，使得DEH控制器来的信号与反馈信号比较时不为零，即伺服卡一直有输出，使得油动机继续位移，知道极限位置，凸轮开始位置可调，也即油动机极限位置可调。LVDT线性位移传感器也用在汽轮机的绝对膨胀测量上，其工作原理如下：由MMS6410模件给就地传感器提供4VDC的电源，此电压通过就地传感器内的振荡器振荡

51、为一高频电压信号施加给LVDT初级线圈，当绝对膨胀值改变时，LVDT铁芯与线圈之间有相对位移，则LVDT次级线圈的电压值也发生改变，此电压值也是一高频电压，通过传感器内的解调器解调成0-2.5VDC的电压值送回MMS6410模件。七飞灰含炭量测量装置装置采用工业标准的动态取样器，自动等速地将烟道中的灰样收集到微波测试箱取样管中并自动判别收集灰位的高低。当收集到足够的灰样时，系统通过微波谐振技术，根据飞灰中未燃尽的碳和其它微粒物质对微波不同的吸收特性，分析确定飞灰中碳的含量，其测量的信号经过现场预处理后传送到电控单元，再经主机单元作进一步处理，存储、显示含碳量的参数曲线。已分析完的灰样根据主机程

52、序中的设置命令，可以自动排放回烟道或存放到收灰容器以便实验室化验，然后进行下一次飞灰含碳量的测量。八氧量测量氧化锆氧量分析仪。其检测器可直接插入烟道内，不用抽气泵和参比气。变送器采用单片微机作核心，进行炉温控制和数据处理，用三位数码管显示被测烟气的氧含量，用液晶显示器和键盘实现人机对话功能，并能输出标准电流信号。烟气中的富氧量是考察燃烧系统运行状态的重要参数。九炉管泄漏测量利用安装在每台锅炉炉膛水冷壁、过热器、再热器、水平烟道、尾部竖井及锅炉大包内的多个传感器采集炉内各种声音信号，并转换为电信号，经快速傅立叶变换技术分析得到炉内声信号频谱，并以棒形图显示；通过对噪音强度、频谱特征及持续时间的计

53、算分析，判定炉管是否泄漏及泄漏的程度。测量系统功能：（1）锅炉炉管泄漏自动报警系统在所供机柜上进行集中监视，并能通过锅炉炉管泄漏自动报警系统与SIS通讯，将有关重要信息在SIS站显示和报警；（2）锅炉炉管泄漏自动报警系统应能对锅炉受热面、管道泄漏进行监视，在显示器上应能以棒状图、频谱图、模拟图等形式，显示各点传感器的信号和在炉本体上的分布。并能以不同的颜色实时显示各点的正常运行、报警、故障的状态。通过对检测到的声音强度、频率和持续时间的分析及判断，发现、定位和显示锅炉的泄漏点，根据趋势图监视其发展和变化；（3）系统应能记录泄漏点至少90天发展趋势，单点瞬时采样时间为1s，为运行人员判断锅炉运行

54、状态提供依据。§2.3 信号的数字滤波技术及其它处理方法1 一般信号的定义与分类1. 信号的定义信息（INFORMATIOM)，信息定义为事物运行的状态和方式；信号(SIGNAL)，信号定义为信息的载体。2. 信号的分类根据信号发生的过程（时间历程）的特征，可分为确定性信号和随机信号（非确定性信号）。 表1常见信号的分类与处理方法确定性信号随机信号信号周期信号非周期信平稳随机信号非平稳随机信号正弦周期信号复杂周期信号。准周期信号瞬变信号各态遍历非各态遍历有效的信号处理技术谱分析，FFT、时间序列法谱分析，FFT、时间序列法谱分析，FFT、时间序列法短时FFT、GABOR、小波分析谱分

55、析、时间序列法、FFT短时FFT、GABOE变换、小波分析2 信号的非线性补偿技术在设计、制造和使用检测系统设备时，总是希望系统的输入和输出量是线性关系，这样得到的刻度方程是线性方程。均匀的刻度不但使读数看起来清楚、方便，而且使系统在整个刻度范围内灵敏度一致，尤其是工业生产过程用的是电动单元组合式系统，由于单元之间用标准信号联系，要求单元系统的输入输出特征必须是线性的。但是，实际上在汽轮机系统检测装置中的组合环节中，往往存在非线性环节，特别是传感器的输出量与被测物理量之间的关系，绝大部分是非线性的。造成非线性原因主要有二个方面：一是由于许多传感器的转换原理并非线性，如在温度测量中，热电阻及热电

56、偶与温度的关系是非线性关系；二是由于所采用的测量电路的非线性，例如：测量热电阻用四臂电桥，电阻的变化引起电桥失去平衡，出现的输出电压与电阻之间的关系为非线性。对于这类问题的解决，在模拟指示系统中一般采用下述三种方法： 减小测量范围，即取非线性中的一段，以近似值指示； 指示系统采用非线性刻度； 增加非线性补偿环节，亦称线性化器，常用的线性化器有：1) 采用模拟电路，如二级管阵列式开方器、各种对数、指数、三角函数、运算放大器等，这种方法用得最久，但实现高精度校准难度较大；2) 采用数字电路。如数字控制分段校正，非线性 A/D 转换器等，能获得较高的精度；3) 利用微型机运算功能。前两者补偿属硬件补

57、偿，不但成本高，电路也复杂，而且有些补偿极为困难甚至不可能的。在微机化的系统中，用软件方法实现，不必增加特殊的硬件结构，通过程序便可进行传感器信号的线性化处理。1. 开环式非线性补偿法所谓开环式非线性补偿就是把一个适当的补偿环节（即线性化器）串接到测量电路中，从而使整个汽轮机诊断系统的输入与输出特性获得线性关系。被测量 x 经传感器变换成电量 U1，一般是非线性关系，U1经线性放大器放大，U2与 x 仍为非线性关系。若在放大器后引入线性化器，利用线性化器本身的非线性特性来对传感器的非线性特性进行补偿，从而使整个系统的输出量 Usc与输入量x 之间具有线性关系。2.线性插值法实现线性化 线性插值法原理假设某传感器特性 y=f（x）为非线性曲线。因此，当已知某一输入值 xi，求出相应的输出 yi并非容易之事，为使问题简化起见，可把该曲线按一定的精度要