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火電廠熱工控制系統的故障診斷研究
一、過熱汽溫控制系統的構成
過熱汽溫控制是熱工控制系統中一個十分重要的控制系統，其主要任務是維持過熱器出口溫度在允許
范圍內并且保護過熱器，使其壁溫不過允許溫度。過熱汽溫的暫時偏差不允許過±10℃，偏差不允許過±5℃。溫度過高會使過熱器和汽機高壓缸承 受過高的熱應力而損壞;溫度過低則會降低機組的熱效率，影響經濟運行[3]。過熱汽溫控制系統發生故障將會給整個電廠運行帶來嚴重的后果，因此，以過熱汽 溫控制系統為例進行故障診斷的研究具有代表性和實用性。
圖1為某火電廠300MW機組過熱汽溫控制系統結構。控制系統采用二級噴 水減溫方式，鍋爐汽包產生的蒸汽經頂棚過熱器加熱，在立式低溫過熱器出口聯箱后匯合成一根管道，經噴水減溫，分A、B側進入屏式過熱器，在后屏出口聯 箱后分左、右兩根管道經左右二級噴水減溫，后進入末級過熱器[4]。
根據過熱汽溫控制系統故障診斷的需要，整理出了過熱汽溫控制系統包含的重要傳感器和執行器，其中傳感器有:過熱器前、后左和后右溫度傳感器，二級過 熱器前左、前右、后左和后右溫度傳感器，末級過熱器左、右溫度傳感器，減溫水流量傳感器，左二級、右二級減溫水流量傳感器等;執行器有:噴水減溫 閥、左二級和右二級噴水減溫閥、主減溫水截止閥。
二、故障診斷研究的內容
一個典型的控制系統結構如圖2 所示。根據控制系統各部分的劃分，故障診斷的對象包括:（1）控制對象，即設備本體;（2）控制系統傳感器;（3）控制系統執行器;（4）因控制系統狀態 變化而引起的故障[5]。因設備本體的故障診斷是單獨研究的，所以本文研究的控制系統故障診斷僅包含傳感器故障診斷、執行器故障診斷和運行狀態診斷。
結合過熱汽溫控制系統的結構特點，將故障診斷的研究內容歸納為:（1）研究過熱汽溫控制系統中重要傳感器的故障診斷，其中包括監測各溫度傳感器、減溫水 流量傳感器是否工作正常，若存在故障，則進行報警顯示并分離故障傳感器；（2）研究過熱汽溫控制系統中重要執行器的故障診斷，其中包括監測各噴水減溫調節 閥和各截止閥的運行狀況，發現故障及時報警并分離出故障執行器;（3）研究過熱汽溫控制系統狀態變化所帶來的系統故障的診斷，診斷出導致故障的原因并給出 操作指導。
三、過熱汽溫控制系統常見故障
3.1傳感器故障
過熱汽溫控制系統中常見的傳感器故障包括：增益、偏差、速、脈沖故障等。
（1）傳感器恒增益故障可表示為:
式中:uin（t）,uout（t）分別為傳感器的輸入、輸出信號;ai為恒增益變化的比例系數。
（2）傳感器恒偏差故障可表示為:
式中:△i為傳感器的零點偏差。
（3）傳感器斷線故障可表示為:
式（3）表示傳感器無信號輸出。
（4）傳感器速故障可表示為:
式中:uout（t）為傳感器輸出信號的變化速率;δmax為傳感器允許大變化速率。
（5）傳感器脈沖故障可表示為:
式中δ為傳感器輸出信號上疊加的脈沖信號。
3.2執行器故障
過熱汽溫控制系統中常見的執行器故障包括:增益、偏差、卡死、滯環、粘滯-滑動、漏流故障等，其中增益和偏差故障的描述同上，其它故障特征簡述如下。
（1）執行器卡死故障可表示為:
式中ai為常數。即執行器輸出不隨輸入變化，而是穩定在一個固定位置。
（2）執行器滯環故障可表示為:
式中:Qk表示執行器開行程時的流量;Qg表示執行器關行程時的流量；uout,k、uout,g分別為開行程和關行程時對應的執行器輸出；λ為兩流量的差值。滯環故障即在執行器上下行程開度相同時對應的流量不同。
（3）正常情況下，閥桿是平滑運動的，但當粘滯-滑動故障發生時，閥桿的動作則為"動-停-動"運動，這對閥門來說是一種損害，其故障現象如圖3所示[6]。
（4）執行器漏流故障可表示為:
Q=λ（uout=0）（8）
式中:Q為執行器控制的流量；λ為一常量。即當執行器閥門*關閉時，仍然有流量信號。
四、故障診斷理論和方法
故障診斷理論和方法雖然有多種多樣，但總的來說可以歸納為兩類[4，7]:（1）基于數學模型的診斷理論和方法，例如故障檢測濾波器法、等價空間方程 法、故障檢測觀測器法等;（2）基于非模型的診斷理論和方法，例如多元統計法、神經網絡法、系統法或數據分析法等[7]。
根據筆者的研究并結合熱工控制系統的特點，下面所述的診斷方法在熱工控制系統的故障診斷中有著
較高的實用價值。
（1）對于熱工控制系統中一些簡單的無相關性的故障，可以采用簡單易行、有針對性的方法，如信號分析、冗余分析方法。這些方法雖然簡單，但容易實現并能對此類故障進行行之有效的診斷。
（2）對于存在相關性的較為復雜的故障，需要使用相對復雜的診斷方法。由于熱工控制系統不易建立的數學模型，所以采用基于數學模型的方法難以在應用 中取得好的診斷效果;而基于統計的方法不依賴數學模型，它能在的歷史實時數據中找出故障特征和故障信息，因此是一種適合在熱工控制系統中應用的故障診 斷方法。
（3）由于統計方法的不性和自身局限性，造成故障診斷的精度不高，故障分離困難。所以，建立一種以統計方法為基礎，以數學模型方法為補充的綜合診斷方法來實現熱工控制系統故障診斷，是一種的解決方案。
五、診斷實例
針對火電廠過熱汽溫控制系統中傳感器的斷線、增益、偏差、速等故障和執行器的卡死、滯環、粘滯-滑動等故障進行了診斷試驗。故障診斷所使用的診斷方法均為針對該類故障的簡單診斷方法。這些方法使用簡單、可靠并有著較高的診斷精度，經過現場測試取得了較好的診斷效果。
5.1二級過熱器后左溫度傳感器（K型熱電偶）斷線故障
（1）故障現象如圖4所示，該溫度信號突然從463.49℃跳變到25.45℃（熱電偶冷端補償溫度），其變化速率遠遠過了該傳感器正常變化速率。從圖中很容易看出二級過熱器后左溫度傳感器發生了斷線故障。
（2）診斷方法通過計算溫度傳感器信號的變化速率和變化方向來判斷傳感器是否發生了故障。這是
因為當傳感器斷線時，溫度信號從正常值瞬間負向變化到一個比較小的值（熱電偶冷端補償溫度），且變化速率很大。所以如果計算出來在某一個時刻溫度信號負向變化速率很大，過傳感器自身大變化速率，即證明有斷線故障的發生[8]。
（3）診斷結果在故障前一個時刻的值為463.49℃，故障時刻的值為25.45℃，診斷周期為1s。所以
該時刻溫度信號的變化速率為438.04℃/s，遠遠出該溫度傳感器的大允許變化速率，從而診斷出在該
時刻二級過熱器后左溫度傳感器發生了斷線故障。
5.2噴水減溫閥粘滯-滑動故障
（1）故障現象從圖5可明顯看出，指令信號變化平滑，而反饋信號有階梯型變化，所以該減溫閥有粘滯-滑動故障產生。
（2）診斷方法根據閥桿在粘滯-滑動過程中速度變化事件發生的頻率分布，可以實現粘滯-滑動故障的診斷。當閥桿運動平滑時，閥桿速度的均值和方均根比較接近;當發生故障時這兩個值的差值比較大。所以可以用速度均值和方均根之間的關系來診斷這種粘滯-滑動故障。
（3）診斷結果從圖6可以看出，指令信號的速度均值和方均根的比值大約為1，兩者比較接近;而反饋信號的速度均值與方均根的比值大約為3，表明兩者相差比較大，從而診斷出噴水減溫閥存在粘滯-滑動故障。
六、結語
