摘要：首先介紹了火電廠熱工鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)以及現(xiàn)階段普遍采取的報(bào)警和故障檢測方法。針對(duì)一般方法的弊端，提出一種新穎的汽包水位預(yù)警的方法。該預(yù)警系統(tǒng)采用信號(hào)間的連鎖和模糊控制的思想，在故障發(fā)生以前提出預(yù)警，并且找出可能發(fā)生的故障。從而達(dá)到在水位越限以前進(jìn)行故障檢修，避免水位越限。
　　　　
　　發(fā)電機(jī)組的汽包水位控制是火力發(fā)電廠控制系統(tǒng)中十分重要的環(huán)節(jié)之一，汽包水位控制的好壞直接影響到火電廠整機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。由于電廠DCS系統(tǒng)運(yùn)行的復(fù)雜性，故障檢測、預(yù)警和報(bào)警是整個(gè)DCS控制系統(tǒng)*的組成部分。汽包水位的過高或過低，都會(huì)影響機(jī)組的發(fā)電量，甚至產(chǎn)生安全生產(chǎn)隱患。實(shí)現(xiàn)對(duì)汽包水位的監(jiān)控、預(yù)警和報(bào)警是十分必要的。對(duì)故障的預(yù)警和報(bào)警而言，系統(tǒng)無需增加額外的硬件成本，通過現(xiàn)有DCS的實(shí)測數(shù)據(jù)分析，尋求優(yōu)化、實(shí)用的數(shù)據(jù)處理和故障檢測算法，用軟件實(shí)現(xiàn)故障的預(yù)警和報(bào)警，在現(xiàn)有技術(shù)水平上是*可行的。
　　
　　目前，大多數(shù)火電廠所采用的僅是報(bào)警系統(tǒng)，是對(duì)事故發(fā)生后的報(bào)警。例如在電廠應(yīng)用的集散報(bào)警控制系統(tǒng)以及自動(dòng)保護(hù)報(bào)警系統(tǒng)[1-3]。故障檢測技術(shù)的研究與應(yīng)用、報(bào)警系統(tǒng)的建立已越來越受到控制理論界和工業(yè)企業(yè)界重視[1-7]。為提高報(bào)警系統(tǒng)的可靠性，及時(shí)準(zhǔn)確的將報(bào)警信號(hào)從眾多實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中提取出來，各種智能技術(shù)被引入到故障檢測系統(tǒng)之中，已成為故障檢測研究的重要內(nèi)容之一。狀態(tài)空間法、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、模擬，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、知識(shí)表達(dá)以及輔助決策等各種思想與方法被應(yīng)用于故障診斷。然而，實(shí)際中故障的預(yù)報(bào)和預(yù)警更為重要，他可以提醒檢修人員可能要進(jìn)行檢查和維護(hù)信息，避免故障的發(fā)生，做到故障前的預(yù)報(bào)和預(yù)警。本文將針對(duì)電廠汽包水位控制系統(tǒng)的所有器件和設(shè)備，設(shè)計(jì)其故障檢測、故障預(yù)報(bào)和故障預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)所涉及的數(shù)據(jù)信息分類別提出不同的處理方式。
　　
　　1、設(shè)計(jì)原理
　　
　　汽包水位控制系統(tǒng)的工藝流程圖，如圖1所示。
　　
　　圖中Lsi為第i臺(tái)泵的注水流量，各臺(tái)泵可同時(shí)運(yùn)行也可選擇性運(yùn)行，且各泵的運(yùn)行如何和輸出流量受泵的給水閥控制，各泵輸出水經(jīng)匯總到主給水管道向汽包給水，在汽包內(nèi)經(jīng)加熱將水變成蒸汽，zui后蒸汽經(jīng)出氣管道輸出到通常是通過控制汽包水位達(dá)到控制汽包輸出蒸汽量的目的。因而，在汽包水位出現(xiàn)不穩(wěn)定(或越限)時(shí)要判斷是何處出現(xiàn)問題，即何處出現(xiàn)故障。本文的設(shè)計(jì)目的是：
　　
　　(1)在系統(tǒng)正常運(yùn)行即維護(hù)水位穩(wěn)定時(shí)，盡量能發(fā)現(xiàn)可能要出現(xiàn)的潛在故障，實(shí)現(xiàn)預(yù)警和預(yù)報(bào)。
　　
　　(2)在系統(tǒng)出現(xiàn)不正常運(yùn)行時(shí)，找出故障同時(shí)給出報(bào)警。
　　
　　通常汽包水位要設(shè)置2個(gè)水位限制：上限(H1)和下限(H2)，所謂運(yùn)行正常是指水位(H)維持在上下限之間，即H2≤H≤H1，故當(dāng)出現(xiàn)H≥H1或H≤H2時(shí)，就表示系統(tǒng)出現(xiàn)了故障。影響系統(tǒng)出現(xiàn)故障的原因很多，如水泵故障、閥門故障、調(diào)節(jié)器故障、變送器故障等均會(huì)導(dǎo)致水位越限。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的目的，采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)和模糊控制思想，整個(gè)預(yù)報(bào)、預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可見，將所有與本系統(tǒng)有的信號(hào)分成模擬信號(hào)與開關(guān)信號(hào)兩類，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波處理，以減少干擾的影響，同時(shí)故障檢測又是為單信號(hào)與多信號(hào)分別進(jìn)行處理，以保證故障定位的準(zhǔn)確性；對(duì)開關(guān)信號(hào)只是作為該器件是否運(yùn)行的依據(jù)，也是為故障定位服務(wù)的。所需的測點(diǎn)信號(hào)為：
　　
　　模擬量：汽包水位H1；汽包水位H2；給水流量Ls；
　　
　　主氣流量Lq；泵給水流量Lsi(i＝1，2…n)；
　　
　　泵電流Ii(i＝1，2…n)。
　　
　　開關(guān)量：泵啟動(dòng)/停轉(zhuǎn)信號(hào)Kii＝(1，2…n)；
　　
　　閥門動(dòng)作信號(hào)Fi(i＝1，2，…，n)。
　　
　　2、預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
　　
　　我們知道如何模擬信號(hào)，在使用時(shí)由于可能出現(xiàn)的干擾而不能直接使用，故對(duì)采樣的模擬信號(hào)要首先經(jīng)過預(yù)處理，處理方法很多包括信號(hào)濾波、補(bǔ)齊、剔除等。本系統(tǒng)涉及的信號(hào)預(yù)處理方法將另文給予說明，這里主要介紹故障檢測與預(yù)警的主要設(shè)計(jì)思想與實(shí)現(xiàn)。以下所有的信號(hào)均假定是處理后的信號(hào)(即認(rèn)為是準(zhǔn)確反映現(xiàn)場的信號(hào))。
　　
　　2.1單個(gè)信號(hào)預(yù)警與報(bào)警設(shè)計(jì)
　　
　　這一步驟是常規(guī)的單個(gè)信號(hào)的報(bào)警，也是zui為普遍的報(bào)警形式，在預(yù)警和故障檢測中是zui基本的一步。在本系統(tǒng)中，如水位、泵的出水流量、蒸汽流出量等均屬于單個(gè)信號(hào)。
　　
　　(1)顯然，實(shí)際中每個(gè)模擬量信號(hào)在正常運(yùn)行時(shí)都有自己的變化范圍，超出其范圍就可能意味著發(fā)生了故障，具體某個(gè)信號(hào)的上下限設(shè)置，則*根據(jù)實(shí)際要求而設(shè)定，信號(hào)越限則發(fā)出單信號(hào)報(bào)警。每2個(gè)警報(bào)(上限報(bào)警、下限報(bào)警)對(duì)應(yīng)一個(gè)信號(hào)。
　　
　　設(shè)X為某單個(gè)信號(hào)，上下限分別為Xmax，Xmin，則信號(hào)正常表示為Xmin≤X≤Xmax，否則給出的報(bào)警信號(hào)。
　　
　　(2)對(duì)于每一個(gè)信號(hào)，他都有自己的變化速度，變化可以慢，但是不能太快，否則可判定系統(tǒng)不正常，給出信號(hào)變化過快預(yù)警。要求｜Xt1－Xt2｜≤a1，否則給出單個(gè)信號(hào)X的變化過快預(yù)警，其中Xt1是信號(hào)在t1時(shí)刻的值，Xt2是信號(hào)在t2時(shí)刻的值，t1－t2為信號(hào)X的采樣周期，d1是給定值，根據(jù)信號(hào)X的具體實(shí)際情況而定。
　　
　　2.2組合信號(hào)預(yù)警
　　
　　這是預(yù)警系統(tǒng)的核心部分，通過觀察各種信號(hào)之間的關(guān)系，在水位越限以前發(fā)現(xiàn)各個(gè)故障，發(fā)出預(yù)警信號(hào)。
　　
　　(1)當(dāng)水泵啟動(dòng)后，進(jìn)入了正常運(yùn)轉(zhuǎn)，Ki＝1，泵電流和泵給水流量成正比。否則泵或者流量變送器可能出現(xiàn)故障，發(fā)出電流轉(zhuǎn)速不匹配預(yù)警信號(hào)(AL1)。
　　
　　其中：Ii為泵電機(jī)電流；Lsi為泵出水流量；ki為比例系數(shù)，由其電機(jī)特性決定；d2為給定值。
　　
　　(2)多個(gè)泵的流量總和應(yīng)等于總給水流量。否則一定是變送器或者水泵、閥門有問題，發(fā)出給水量不匹配預(yù)警信號(hào)(AL2)，提示水流量不等。
　　
　　其中：Ls為汽包給水流量；d3為定值；Lsi是單泵給水流量；0≤Pi≤1為融合系數(shù)，一般定為1，泵停止工作時(shí)，即Ki＝0時(shí)，Pi定為0。
　　
　　汽包水位的2個(gè)測點(diǎn)相差不能太大。否則有一個(gè)以上變送器有故障。發(fā)出測點(diǎn)信號(hào)不匹配預(yù)警信號(hào)(AL3)。
　　
　　其中H1，H2為汽包水位的2個(gè)水位測點(diǎn)信號(hào)；d4為給定值。
　　
　　(3)在汽包水位控制系統(tǒng)中，為了保證水位的穩(wěn)定，進(jìn)水量與出氣量大致相當(dāng)，而且與水位高低有關(guān)。水位過高，進(jìn)水量要小于出汽量，水位過低，進(jìn)水量要求大于出汽量。但是這種小于或者大于并不是的。因?yàn)樗徊⒉皇遣辉试S波動(dòng)的。當(dāng)水位過高時(shí)，進(jìn)水量不一定要時(shí)時(shí)刻刻都小于出氣量，否則預(yù)警系統(tǒng)會(huì)在沒有任何故障的情況下時(shí)時(shí)刻刻報(bào)警。為此提出公式(4)。
　　
　　｜Ls－Lq｜≤A(4)
　　
　　其中：Ls為進(jìn)水量；Lq為出氣量；A為給定值。然而，A又不是一個(gè)在系統(tǒng)運(yùn)行過程中始終不變的定值，在不同的汽包水位值，其大小應(yīng)是一個(gè)受水位高低影響的模糊控制變量。設(shè)水位H＝H1s1＋H2s2，s1，s2為融合系數(shù)，s1＋s2＝1。為了提高預(yù)警的性，把水位視為一個(gè)模糊量，給出一種模糊劃分。
　　
　　記所要求的汽包理想水位值為0水位，一般而言，理想水位(即0水位)附近一段要求的范圍較大(即此時(shí)A的值要選的大一些)，離0水位點(diǎn)越遠(yuǎn)，范圍越小，因?yàn)樗黄x正常水位越遠(yuǎn)，預(yù)警精度要求越高，模糊量的劃分就越細(xì)。我們的具體做法為：
　　
　　首先對(duì)所測得的水位進(jìn)行模糊化，寫出水位的論域，相應(yīng)的語言變量取值為
　　
　　H＝｛VS(很低)，S(低)，MS(較低)，M(中)，ML(較高)，L(高)，VL(很高)｝，在各個(gè)語言變量論域上用于描述模糊子集的隸屬函數(shù)采用梯形隸屬函數(shù)。
　　
　　對(duì)于水位變量的隸屬關(guān)系采用的梯形隸屬函數(shù)如下：
　　
　　其中：i＝－3，－2，－1，0，1，2，3；j＝1，2，3，4，aij根據(jù)每個(gè)廠的具體情況有所不同，隸屬度函數(shù)梯形圖如圖4所示。
　　
　　對(duì)水位進(jìn)行模糊劃分以后，在給定目標(biāo)之下，提出用下列公式進(jìn)行模糊推理，當(dāng)水位高于0水位時(shí)：
　　
　　來描述一定水位階段系統(tǒng)工作是否正常的判斷，其中：Lq是平均出氣量；Ls是平均進(jìn)水量。當(dāng)式(6)和式(7)不成立，則說明水位變化出現(xiàn)不正常，給出預(yù)警(AL4)信號(hào)，此時(shí)可能出現(xiàn)了調(diào)節(jié)器故障，變送器故障或者閥門故障等或存在安全隱患，要求給予注意。但此時(shí)水位仍在安全工作范圍之內(nèi)。根據(jù)火電廠實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，每一段A的值都將有所不同，所以式(8)是一個(gè)分段函數(shù)。
　　
　　其中：Ai＞0(i＝－3，－2，－1，0，1，2，3)為常數(shù)，其取值原則可根據(jù)不同電廠的實(shí)際而有所不同，通常應(yīng)滿足：當(dāng)i≥0，時(shí)，Ai－1＞Ai；當(dāng)i＜0時(shí)，Ai＞Ai－1，水位越高或越低，A的取值越小，A3，A－3可取為0。
　　
　　根據(jù)上述的模糊推理規(guī)則，很容易推理出不同論域所對(duì)應(yīng)的A值。但是這并不是真正的輸出值，而真正的A的值要進(jìn)行反模糊化才能得出。模糊推理后出來的結(jié)果是具有隸屬度的，是一個(gè)模糊的量，zui后的工作就是要得到一個(gè)清晰的量，必須對(duì)結(jié)果進(jìn)行反模糊化，也就是清晰化的計(jì)算。本設(shè)計(jì)采用加權(quán)平均法進(jìn)行清晰化的計(jì)算，此方法也稱為重心法。公式如下：
　　
　　由于采用軟件實(shí)現(xiàn)這一過程，信號(hào)是采用離散的信號(hào)，不是連續(xù)的信號(hào)，所以上面的公式并不適用，我們采用的是離散的重心法公式，如下：
　　
　　其中：H是實(shí)際的水位；i＝－3，－2，－1，0，1，2，3；Ai是對(duì)應(yīng)于式(8)的經(jīng)驗(yàn)值；μi(H)是實(shí)際水位H所對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)。
　　
　　整個(gè)算法主要是用以上3個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)，在具體運(yùn)用中，首先根據(jù)對(duì)所測定的汽包水位進(jìn)行模糊化，通過式(5)，算出當(dāng)水位在各個(gè)論域(VS，S，MS，L，ML，VL)中的隸屬度。然后通過式(10)，用每一個(gè)論域中的經(jīng)驗(yàn)值乘以對(duì)應(yīng)的隸屬度，相加后再除以所有隸屬度之和，便得出輸出的具體A值，從而進(jìn)行預(yù)警處理。
　　
　　對(duì)平均進(jìn)水量Ls,由于當(dāng)任何一個(gè)閥門動(dòng)作(開或者關(guān))時(shí)，即Fi＝1，給水量將有大幅度的變化，所以這里平均進(jìn)水量的含義不同于其平均濾波。為減少出現(xiàn)誤預(yù)警現(xiàn)象，如圖5所示，當(dāng)給水量有大幅度變化時(shí)，要求對(duì)Ls重新累計(jì)取平均數(shù)，以達(dá)到預(yù)警的目的。
　　
　　3、結(jié)語
　　
　　本文針對(duì)火電廠鍋爐汽包水位控制系統(tǒng)，進(jìn)行預(yù)警，通過各種信號(hào)間的關(guān)系變化，經(jīng)過各自的信號(hào)融合，能夠在水位超限以前提出預(yù)警，找出故障。在很大程度上減少水位越限，對(duì)于保證機(jī)組的安全運(yùn)行具有很大的意義。本設(shè)計(jì)方案正在同火電廠其他系統(tǒng)的預(yù)警方案一起采取軟件實(shí)現(xiàn)，制作軟件包，很快將運(yùn)用到火電廠。