国家电投集团内蒙古白音华煤电有限公司坑口发电分公司 赵晋宇 李晓宇 李连杰 郭 健

设备检修维护安全管理工作是保障发电设备安全生产的重要基础设施工作，也是保证发电设备长期可靠运行的重要保障。因此，科学的检修管理是促进现代火电设备企业安全生产的重要管理方式，也是火电企业不断提高社会经济效益的一个重要途径。我国在锅炉设备故障预警方法的研究中，有学者提出了利用粒子群算法对经典小波神经网络模型进行改进和优化的锅炉故障识别方法。该方法虽然在轻微泄漏模式和严重泄漏模式下对锅炉故障进行了很好地模拟，但算法收敛速度较慢，有一定的误差。

1 火电厂设备故障告警系统硬件设计

火电厂报警设备消防报警通信系统的网络通信技术特点之一是警报信息量大，需要较强的网络数据采集通信处理能力。对应的网络接口和管理系统信息种类很多，即与作业机组内的dcs安全控制管理系统、灰网、水网、煤网等各种辅助作业车辆安全监控管理系统信息有关的接口。以太网（ethernet）因其无线组网的极高灵活性和使用便利性而逐渐成为现代网络通信技术的一种主流[1]。SIS也可以视为采用以太网络上的骨干宽度为1000Mb/s，骨干长度为100Mbfs的以太网。以太网可以采用多种拓扑结构。一般分为星型、环型、总线型三种。总线型主要用于早期的10Mb/s网络，环型主要用于FDDI网络。目前，大多数高速网络广泛应用于卫星类型结构。对于一个具有工业专用设计内核的工业实时响应数据库，由于系统是为面向工业设计过程应用开发的专业产品，系统在实时响应速度、可靠性、容量以及对面向应用过程工业应用的技术支持等各个方面也都具有很大竞争优势[2]。系统访问结构传统数据库一般采用C/S（客户端/服务器）结构。随着网络技术的发展，未来的数据库访问方式必然会发展到B/S的三层结构（Web浏览器、Web服务器/实时数据库）。操作系统通常是实时的，历史数据库一般基于dowindowsntnt平台或基于unixnt平台。从平台运维系统管理的一个角度可以考虑，该平台操作系统与目前全厂其他平台服务器运行操作系统的基本一致性。客户端可以作为备用SIS控制系统的一个终端控制设备，放置在一个备用生产部门，主要功能是备用生产过程管理控制部门和备用单元过程控制实验室。客户端商用计算机系统可以同时使用多种商用的wpc，主要功能用于自动访问同时连接商用数据库和数据库的商用Web数据服务器，以监控屏幕、趋势图等多种形式实时显示工厂锅炉、汽轮机、发电机和其他全厂热力辅助发电系统的正常运行工作状态。

2 火电厂设备故障告警系统软件设计

2.1 基于人工智能算法计算设备热效率数学模型

锅炉效率的计算是机组性能和锅炉侧能量损失偏差分析的基础。锅炉热效率的理论模型比较成熟，即基于锅炉损失计算，包括排烟热损失、机械不完全燃烧热损失、化学不完全燃烧热损失、锅炉热损失和炉渣物理热损失。从回热系统计算目的出发，将两大类型回热加热器，进行能质平衡计算，如公式1所示：

公式1中：ai、ji分别表示回热加热设备的抽汽份额；afi、jfi分别表示焓值以及辅助汽量。由上公式计算抽汽量，可得公式2：

公式2中：γi表示出口主流水量基准；βi表示出口水量比值；αli表示被引入的加热器效率。以整台运行机组作为研究对象。火电厂机组某一经济性指标（如机组煤耗、发电效率等）可以下式表示：

公式3中：ci，c2，…，cn表示运行参数。因为一般只知道排水泵混合点前主流水的焓值，但是混合点后主流水的焓值未知。为了计算它，我们可以先假设混合点之后的主流水焓[3]。水的焓值（例如，等于混合点前主流水的焓值），得到抽汽量和排水量，再对混合点后主流水的焓值进行修正。经过多次迭代修正，达到一定精度后，即完成集体蓄热式加热器的计算，在上述模型库完成后，只要所需的参数已知的情况下，即可完成火电厂整台机组的性能计算。

2.2 设置设备状态监测模块

火力发电厂机械设备企业智能安全诊断系统就是围绕火力发电机组企业的安全管理发展目标，以经济性和运行可靠性要求为技术导向，以能够实现各种多维度的机组设备运行参数监测管理功能为技术驱动，在我国电厂物业管理发展过程中，在电厂管理技术标准的制定基础上还可建立机组设备运行状态参数监测管理模块。该模块下有健康状态列表、报警参数列表、数据趋势分析三个子功能，帮助用户提前发现设备异常，事后进行故障分析。首先在健康状态列表中，用户可以看到型号、设备、设备组或系统和单元的实时状态；其次在报警参数列表中，用户可以看到实时报警参数和历史报警参数；最后在数据趋势分析中，用户可以看到参数的变化趋势和偏离正常值的程度[4]。火力发电厂设备智能诊断系统具有设备故障提示和引导功能，可以针对电子设备的一些重要典型技术缺陷或重要故障预先重新定义保障规则。一旦不能满足这些操作规则，就可能意味着相对明显的硬件缺陷或系统故障，而不是简单地自动报警。当设备出现系统缺陷或关键故障时，系统人员可自动识别列举当前设备内部可能正在出现的关键故障和提供操作人员维护技术建议，同时自动发出报警信息提示，为设备操作维护人员使用提供技术参考。火电厂设备智能诊断系统状态监测报告模块包括机组监测报告和设备监测报告。船员监控报告针对船员，显示所有监控设备的状态信息，具有船员管理的监控系统或设备的概览功能，主要面向管理人员。在机组监控报告中，除了可以看到巡检人员监督下的设备运行状态外，还可以看到巡检人员对系统的使用情况以及对问题的处理情况；设备监控报告以设备为基础，显示在线数据和离线数据的报警状态，主要面向巡检人员和操作人员。设备监测报告给出了每个监测参数的详细报警信息，包括报警开始、结束时间和持续时间。发电机的主要工作故障有电机油膜振动振荡。主要故障原因之一是涡轮发电机每个转子一阶临界转速过低，三轴箱和楔形齿轮衬套传动稳定性差。当驱动负载温度降低时，不稳定的加速度变低。定子管的线圈两端绝缘不良。主要原因是磨损、老化、污染和介质腐蚀，使导体绝缘功能失效，引起绝缘局部匝间放电和温升，绝缘材料层因冷热结合能力不足、冷却水层因泄漏、疲劳层因磨损而发生损坏，导致绝缘线材放电移位和绝缘匝间放电短路。

2.3 设计数据准确性甄别模块

数据准确性甄别模块需要具有完善的报警机制，以此实现对测点告警信息的统计分析和管理。数据分析准确性高的筛选分析方法基于目前经典的各种动态数据测试和数据处理分析方法。同时还引入热水器生产的测量经验数据来帮助判断统计数据的测量准确性。使判断分析结果可靠。数据测量精度评估筛选数据判断异常数据测量测试点，将不会再参与数据参数精度评估测试过程。数据精度筛选的统计信息可以调动火电厂对自身测点维护的积极性，同时帮助电厂进行热计量的相关检查。变压器主要短路故障有：绕组元件断线，短路或部分熔化。主要事故原因可能是不锈钢铁芯或其他不锈钢螺丝的外壳绝缘层被损坏。

故障鉴别处理：有的是金属片间因使用铸铁片发生短路，片间元件绝缘严重发生损坏，接地保护方法不正确形成了大电流输出回路。分子连接器与开关接触不良，接触面容易熔化的主要造成原因之一，是主体结构件的装配过程存在诸多缺陷。锅炉的主要过热故障及原因诊断解决方法，首先主要锅炉故障原因有，第一：锅炉过热器的空气泄漏点和爆破损坏区域主要集中在家用高温锅炉过热器下部和弯头的两个火侧。主要停工原因之一是炉高太低，使地方过热[5]。同时还存在焊接选材材料余量明显不足和所用焊接材料质量过低问题。第二：如果省煤器出现漏水，其主要漏水原因可能是排水粉煤灰涂层磨损从而造成排水管壁增厚变薄，特别是壁管、炉壁和弯头。第三：高温水冷壁表层渗漏，主要形成原因可能是水冷局部高温过热和表层腐蚀。局部高温过热腐蚀是由于燃烧管道内部的水循环系统破坏和积水结垢，燃烧管道区域的火焰快速偏转或管道烟温过快升高会直接导致管道水冷壁在局部高温下发生腐蚀。第四：除尘器出现故障，主要事故原因可能是由于烟气露点流速过快，灰粒粒径大，粉尘露点浓度大，排烟露点温度远低于烟气露点排烟温度。诊断技术方法在传统锅炉过热故障技术诊断中，物理故障诊断技术方法主要包括：红外射线测温诊断技术，具体到其应用领域范围主要包括了对锅炉燃烧火焰和烟气燃烧产生状态的准确识别与分析控制、热力设备疲劳燃烧损伤、热力设备和机械温度特性变化规律、热力设备系统锅炉漏热保温、锅炉热染物污染温度控制等技术诊断与故障评价；超声波故障诊断评价方法，可以应用于实时监测整个炉膛及其上部过热区域的锅炉烟气燃烧温度，确定何时可以进行锅炉吹灰排烟操作，保持整个锅炉良好的运行燃气性能，监测到在炉膛内每次冒烟燃烧的锅炉烟道燃气温度和在燃烧器过热区域附近的锅炉燃气温度，有助于准确识别和及时消除因锅炉燃烧器过热故障原因引起的异常锅炉燃烧产生情况，同时它还可以通过优化对锅炉污染物燃烧产生性能有重要不良影响的锅炉温度控制，实现清洁煤的燃烧。

2.4 设定系统功能结构

设备状态在线监测预警系统是对火电厂设备运行全过程进行实时监测、分析和预警的综合监测平台。系统首先使用ERP设备管理系统，对火电厂设备一些基本信息进行存储，其中包括火电厂设备的名称、类型、使用时间、规格、型号等信息，并针对每一种设备建立相应的设备档案，供用户查阅，配置火电厂设备相关的控制参数信息；然后，利用火电厂设备故障数据采集系统对已经投入使用的设备运行状态信号进行采集，在此基础上对采集到的设备运行状态信号中的无效数据和重复数据进行剔除，并且对数据进行整合、分类处理；最后，以采集到的设备运行状态信号作为训练样本，利用相关算法或者模型对数据进行分析，识别到火电厂设备故障特征目标，根据识别结果判断火电厂设备是否存在故障，以及显示分析结果，如果分析到火电厂设备运行状态为故障状态，则触发系统报警装置发出警报。此次设计的系统需要具备以上三个功能，包括信号采集、故障特征分析、故障告警，以此才能满足火电厂设备故障告警需求，具体流程如下。

步骤一：接收到事故信号或告警信息；

步骤二：读取电流信息保护信息告警信息等；

步骤三：信息预处理服务；

步骤四：专家系统推理判断服务；

步骤五：告警与建议展示。

此次系统设计了以上几个功能模块，但是由于火电厂设备种类比较多，且每种设备还分为不同的型号，因此采集的数据也不太一致，所以此次设计系统还需要根据火电厂设备现场实际情况配置设备的特性参数，以此保证火电厂设备故障告警精度。

3 应用与分析

3.1 实验准备

获取B火电厂1台350MW锅炉过热器，对该锅炉最近一次发生的故障记录点前后800组监测数据利用文中系统展开研究。为了方便挖掘数据之间的关联规则，利用最大隶属度原则将数据标记为最大隶属度所属的模糊等级，最终得到的待挖掘数据库如表1所示。

表1 待挖掘数据库

采用最小模糊支持度，对数据库的数据进行预处理，火电厂设备在运行过程中各个参数属性之间的关联关系都有与其相对应的关联规则，以此反映出该火电厂设备运行状态。

3.2 结果分析

为了进一步验证文中基于人工智能的火电厂设备故障告警系统的优势，将实验中采集到的设备数据作为样本，其中有一部分数据为火电厂设备初始故障数据。为了更好地衡量文中系统优势，提取一种基于FARM的预警系统，测试两种告警系统在不同数据量下识别所用时间，具体实验结果对比如图1所示。

图1 两种告警系统识别数据时间

图1测试结果中，为了方便表达将基于FARM的预警系统，表示为传统系统。观察测试结果可以看出，在系统分析的数据量不断增加时，两种系统所消耗的执行时间都处于上升趋势。文中基于人工智能的告警系统，在数据量3000时，运行时间在50s，而传统系统数据量3000时，运行时间则达到80s，因此，得出文中系统运行时所耗费的时间明显少于传统的FARM系统。

4 结语

火电厂设备故障告警系统作为火电厂生产运营中的关键技术，对火电厂保持正常生产效率和质量具有重要作用，此次在传统系统基础上应用了人工智能技术，实现了对传统系统硬件和软件创新和优化，经过应用分析此次设计系统在设备故障告警速率方面具有较大的提升，证明了人工智能技术在火电厂设备故障告警中具有良好的应用价值。此次研究对解决火电厂设备故障问题具有一定的现实意义。