基于BP人工神经网络对汽轮机组凝汽系统做出故障诊断.doc

1、摘要 凝汽器运行的热力性能对汽轮机机组运行的安全性与经济性有很重要的影响，研究凝汽器故障诊断方法，实施故障诊断技术对提高讥组经济运行水平有着重要的理论意义和工程实用价值。本文论述了火电厂凝汽设备的运行特性，分析了凝汽系统的常见故障，重点分析了凝汽器真空恶化的原因及征兆;全面阐述了BP神经网络的基本理论和系统结构，设计了神经网络应用于故障诊断领域。以BP神经网络为基础建立凝汽器故障诊断专家系统，对网络进行训练，然后利用所学成的网络，对凝汽器故障数据进行处理，得到了凝汽器具体的故障情况。本文利用MATLAB6.5作为工具，利用神经网络的学习规则，采用自适应学习率BP算法完成故障知识库的组建;使用M

2、ATLAB6.5基于BP人工神经网络对汽轮机组凝汽系统做出故障诊断。关键词:凝汽器;故障诊断;神经网络;专家系统BSTRACTThe thermodynamic characteristic of condensing system has a heavy impaction on the security and economy of a running turbine. It is important that establishing the monitoring and optimization model for fault diagnosis and improving the o

3、peration level. In this paper, condensing system is performance is discussed and condensing system s common faults are analyzed and the cause and signs of condenser is vacuum falling are emphasized . The basic theory and system structure of Artificial Neural Network and Expert System are introduced

4、in this paper. It designs a new method which combines the Experts System with the Artificial Neural Network to make application for fault diagnosis field better. Combined with each situation in detail, condenser diagnosis Expert System based on BP Neural Network is constructed. Trains Network, and t

5、hen deals with diagnosis datum through making use of the learned Network. So it obtains diagnosis situation in detail. With MATLAB, making use of the Neural Network learning rules, the knowledge construction is completed; With MATLAB6.5, fault diagnosis application software for the condensing system

6、 was developed.Key words: condenser; fault; diagnosis; Neural Network; Expert System目 录摘要1ABSTRACT1第一章绪论41.1本课题研究的背景及意义41.2 国内外研究动态51.3 故障诊断技术概述61.3.1 故障诊断技术的历史61.3.2 故障诊断技术的现状61.3. 3现有智能化故障诊断系统存在的问题71.4本论文的主要内容7第二章 火电厂系统模型及故障诊断研究82.1 火电厂系统概述82.1.1 燃气轮机102.1.2 蒸汽轮机112.1.3 锅炉122.1.4 凝汽器122.1.5 给水系统13

7、2.2 故障与故障诊断概述142.2.1 故障分类与特征描述142.2.2 故障诊断与故障诊断过程142.3 大规模过程系统故障模型化研究152.3.1 传感器故障模型152.3.2 执行器故障模型162.3.3 系统状态故障模型162.3.4 渐进性与突发性故障模型162.4 本章小结17第三章凝汽系统常见故障及其原因分析183.1凝汽器简介183.2凝汽器低真空对机组性能的影响193.3凝汽器真空值的确定193.4凝汽器真空下降原因的综合分析213.4.1凝汽器真空急剧下降原因分析213.4.2凝汽器真空缓慢下降原因分析223.4.2.1真空系统223.4.2.2 抽气系统233.4.2.

8、3 循环水系统253.4.2.4 管侧脏污263.4.2.5 轴封系统273.5 凝结水的过冷度和含氧量273.6 凝汽系统的常见故障28本章小结29第 四 章 BP人工神经网络304.1人工神经网络概念304.1.1 人工神经网络应用304.1.2 人工神经网络结构314.2 人工神经网络的特点324. 2 BP 神经网络334.3 BP 神经网络改进学习算法374.4 神经网络的局限性374.5本章小结38第五章 凝汽器故障诊断研究3951 凝汽器典型故障和征兆395.2 实例分析41第六章 结论与展望42第一章绪论1.1本课题研究的背景及意义在现代大型凝汽式汽轮机组的热力循环中，凝汽器系

9、统起着冷源的作用，其主要任务是将汽轮机排汽凝结成水，并在汽轮机排汽口建立与维持一定的真空，从而使汽轮机焙降增大，提高输出功率和循环热效率。另一方面，又要把凝汽所排出的热量转移出去。凝汽系统布置分散，设备性能不同，设备之间相互影响较大，而且易受到外界环境的影响。由于设计、安装、检修、运行机制等方面的原因，在运行过程中时常会出现凝汽器真空偏低的现象。如果凝汽器真空过低，不仅会引起蒸汽在机组中的有效焓降减小，循环热效率下降，还会导致汽轮机排汽温度升高，排汽缸变形和轴承中心改变引起振动等故障。因此，凝汽设备的工作性能直接影响到整个汽轮机组的热经济性和安全性，是影响电厂经济性的最主要系统。国产机组真空下

10、降对经济性影响的统计显示，真空每下降1%，发电煤耗增加约3.6-5.549/kwh。例如，一台ZOOMW机组，真空下降1%，引起热耗增加0.029%，少发电约58kw;对一台600MW机组，真空下降l%，热耗增加0.05%，少发电约306kw。国外对机组真空严密性的研究表明，真空系统漏气量一方面会造成真空降低，影响机组理想焓降，另一方面会造成冷凝水含氧量升高，导致机组金属材料的疲劳强度的降低，腐蚀加速。随着社会对电力能源需求增加和技术的进步，各种大容量、高参数的机组不断涌现，它们的正常运行可以为国家经济创造巨大的财富。反之，一旦事故发生，就会影响正常生产，甚至造成灾难性后果2，。凝汽器在整个电

11、力安全生产中起着举足轻重的作用。当凝汽器真空恶化时，汽轮机的排汽温度升高，使低压缸及低压轴承座等部件受热膨胀，引起转轴中心偏移，增大汽轮机的振幅;由于发生热膨胀和热变形，使汽封间隙减小，汽封容易被磨损，严重时会造成大轴弯曲;排汽温度升高过多，会使凝汽器管板胀口松弛，破坏凝汽器水侧的严密性，凝结水被污染，严重时会引起冷凝管振动损坏。有资料表明月，真空系统及循坏水、凝结水系统发生故障时的非计划停运时间占火电机组总的非计划停运时间的17.63%。汽轮机凝汽器是一个故障频发，并且故障复杂的设备。随着火电机组向着高参数、大容量方向的发展，凝汽器发生故障的危害程度将进一步增加。比如，国内许多电厂都发生过因

12、凝汽器管材质量不良，安装工艺不当及运行管理不完善引起的凝汽器频繁泄漏的事例，对机组安全运行带来很大影响。1994年某电厂30OMw机组采用海水作冷却水，运行中凝汽器铜管断裂，大量海水漏入系统，由于监测手段不完善、停机处理不及时，待停机解体检查时，汽轮机通流部分已严重积结盐垢，喷嘴及速度级叶片的积盐几乎堵满了通流断面。此外，有时运行中没有出现故障状态，但是其运行经济性指标比较低，呈现劣化的趋势，这些也是需要进一步优化的内容。凝汽器事故的诱因一般有两个:首先从设备制造方面来说，比如国内凝汽器一般采用铜管，这就容易导致铜管腐蚀、铜管破裂等故障，而国外近些年来普遍采用不锈钢管，取得了更好的效果。其次从

13、运行方面来说，首先要求有一支技术过硬、经验丰富的运行人员，但是随着高参数、大容量、自动化程度越来越高的机组出现，单单靠运行人员工作经验是难以实现机组安全、经济运行的。因此，为保证电站凝汽器的安全、可靠运行，必须对其故障进行研究并开发其故障诊断系统。1.2 国内外研究动态国外故障诊断技术的发展先于我国已有40年左右的历史。最早开展故障诊断技术研究的是美国，他们首先是针对航空航天系统从事故障机理、检测、诊断和预测的研究和开发，然后发展到电站设备状态监测与故障诊断。目前美国从事电站故障诊断技术开发与研究的机构主要有EPRI、西屋公司(WHEC)、Bently公司、IRD公司等。Bently、IRD公

14、司在旋转机械振动监测与诊断方面研究较为深入，开发的产品已被国内外很多电厂应用，具有良好声誉。EPRI和西屋公司在电站全方位监测与诊断方面研究开展较早，水平较高。EPRI作为美国和国际电力工业科学研究的权威机构，设有专门监测与诊断中心，对适用于电厂运行与维修的监测诊断技术进行研究、开发和示范。其监测诊断系统范围非常广，可包括锅炉、汽轮机、发电机、辅机、化学水等。并在中心设有运行和维修工作站，通过网络获取电站有关过程和设备信息，完成对系统及设备状态的评估以及对运行和维修的咨询。西屋公司早在1976年开始电站在线计算机诊断工作，1981年进行电站人工智能专家故障诊断系统的研究，逐步发展成大型电站在线

15、监测诊断系统(A工D)，并建立了沃伦多故障运行中心(DOC)，可以看到分布在全美20多个电厂的数据信息(其中有两个核电站)。在欧洲也有不少公司从事故障诊断技术的研究、产品的开发及应用。如瑞士ABB公司、丹麦的B&K公司、法国电气研究与发展部埠。日本也很重视汽轮机故障诊断技术的研究，从事这方面研究的机构主要有东芝电气、日立电气、三菱重工等。我国在故障诊断技术方面的研究起步较晚，是在引进国外先进技术基础上进行消化、吸收发展起来的。一般说来，经历了两八阶段:第一阶段是从20世纪70年代末到80年代初，在这个阶段内主要是吸收国外先进技术，并对一些故障机理和诊断方法展开研究;第二阶段是从80年代初期到现

16、在，在这一阶段，全方位开展了机械设备的故障诊断研究，引入人工智能等先进技术，大大推动了诊断系统的研制和实施，取得了丰硕的研究成果。1983年春，中国机械工程学会设备维修分会在南京召开了首次“设备故障诊断和状态监测研讨会”，标志着我国诊断技术的研究进入了一个新的发展阶段，随后又成立了一些行业协会和学术团体。这期间国际国内学术交流频繁，对于基础理论和故障机理的研究十分活跃，并研制出了我国自己的在线监测与故障诊断装置，“八五”期间又进行了大容量火电机组监测诊断系统的研究，各种先进技术得到应用，研究步伐加快，缩小了与世界先进水平的差距，同时也形成了具有我国特点的故障诊断理论。1.3 故障诊断技术概述1

17、.3.1 故障诊断技术的历史故障诊断技术起源于19世纪产业革命时期。综观其发展的历史过程，可以将它按以下4个阶段划分:(1)原始诊断阶段:19世纪末至20世纪初，是故障诊断技术的产生阶段。在此阶段，个体专家依靠感官获取设备的状态信息，并凭借其经验作出直接判断。(2)基于材料寿命分析与估计的诊断阶段:20世纪初至20世纪60年代，依靠事先对材料寿命的分析与估计以及对设备材料性能的部分检测来完成诊断任务。(3)基于传感器与计算机技术的诊断阶段:这一阶段开始于20世纪60年代中期。目前广泛应用于电力、钢铁、船舶、核设番等许多领域。(4)智能化诊断阶段:人工智能技术的发展，特别是专家系统在故障诊断领域

18、中的应用，为设备故障诊断的智能化提供了可能性，也使诊断技术进入了新的发展阶段。1.3.2 故障诊断技术的现状故障诊断技术应用于工程实际，一个必须解决的问题是故障诊断算法的鲁棒性，即故障诊断系统对故障具有高度敏感的同时，具有对噪声、干扰及建模误差的不敏感性。目前故障诊断的敏感性及鲁棒性问题的研究己经成为故障诊断领域的一个前沿课题。在我国，经过专家学者们近十多年的努力，目前有许多研究成果得到了国际同行的首肯，基于人工智能的方法主要有如下四种:(1)基于神经网络的方法:神经网络具有处理复杂多模式及进行联想、推理和记忆的功能。当输入的故障征兆信息出现残缺时，能够恢复和联想。基于神经网络的故障诊断技术分

19、为离线和在线两种方法。(2)基于图论的模型推理方法:基于图论方法的实质上是根据一个个实际系统中各个元件之间所存在的非常普遍的故障传播关系构成故障诊断网络，利用搜索和测试技术进行故障定位。(3)基于专家系统的方法:基于专家系统方法的故障诊断技术是目前国内最活跃的研究领域。(4)组合智能故障诊断方法:专家系统的知识处理模拟的是人的逻辑思维，神经网络的知识处理模拟的则是人的经验思维(即模式类比，也叫形象思维)机制，因此将专家系统与神经网络结合组成的故障李断方法能够更有效地对系统进行诊断。1.3. 3现有智能化故障诊断系统存在的问题(1)知识库庞大:目前故障智能诊断系统大多采用产生式规则来表示专家的经

20、验知识，为了使诊断系统达到高效、实用的目标，必然需要大量的专家经验知识组成庞大的知识规则库。(2)解决问题能力的局限性:由于受到系统中知识的限制，大多数诊断系统只能解决狭窄的专家知识领域以内的问题，而对一其它领域的知识通常是一无所知的。这使它的解决问题的能力受到很大的限制。(3)深、浅知识结合能力差:在具体故障智能诊断系统中，系统在实现某领域的基本原理和专家知识相结合时表现出较差的能力。(4)自动获取知识能力差:目前多数故障智能诊断系统在自动获取知识方面表现的能力还比较差，这限制了系统的自我完善、发展和提高。目前人工神经网络技术应用于各类故障智能诊断系统中，一个重要目的就是提高系统的学习能力。

21、1.4本论文的主要内容凝汽器及其系统是电厂生产过程中重要的轴助设备，对凝汽器进行监测和诊断是电厂性能监测和故障诊断的重要组成部分。本文在大量收集国内外相关资料的基础上，论文首先论述了火电厂凝汽设备的运行特性，明确并区分了一些基本概念，提出了相对清洁系数的概念及其计算公式，对于凝汽器的运行有一定的指导作用;论述了凝汽器的几种过渡工况的瞬间特性;分析了凝汽设备常见故障，重点分析了凝汽器真空恶化的原因及征兆。由于引起凝汽器故障的原因很多，且其征兆往往有一定的模糊性，判断起来不太容易，本文采用比较先进的BP神经网络来进行凝汽器的故障诊断。先介绍了模糊逻辑理论和神经网络基础，接着引出了BP神经网络。对B

22、P网络进行训练后，得到模糊BP网络的知识库结构。在此基础上对一个凝汽器实际故障进行了诊断，得出了令人满意的结果。最后提出了一个凝汽器在线监测与诊断系统的设想。通过全面具体的归纳得到凝汽系统的常见故障及其征兆，然后通过软件设计将凝汽系统的监测和故障诊断实现可视化，主要内容有:1、研究总结凝汽器故障机理，结合有关理论知识、专家知识分析凝汽器的故障与征兆之间的关系，建立凝汽器故障诊断知识库。2、对BP神经网络以及专家系统基本理论进行重点阐述，阐明了神经网络的基本理论，并建立基于BP神经网络狗凝汽器故障诊断模型。3、利用凝汽器典型故障样本，对神经网络进行训练，确定BP网络知识库，通过对不同算法的收敛速

23、度进行比对，不仅要使BP神经网络在学习速率上有了很大的提高，而且使其有更好的容错性和稳定性。第二章 火电厂系统模型及故障诊断研究MATLAB 是mathworks公司于 1982 年推出的一种以矩阵为基本运算单位的高效数值计算软件，带有功能强大的数学函数库，并开发有多种学科领域的工具箱函数库，广泛地应用于科学研究与工程计算。基于电力系统计算的复杂性的考虑，本章使用 MATLAB 作为电厂系统仿真的计算工具，利用MATLAB工具搭建并调试了整个电厂的数学模型。2.1 火电厂系统概述在介绍火电厂(Skegton)系统之前，先介绍一下组合循环和热动循环原理。组合循环是一种以能量为对象的循环系统，主要

24、是把蒸汽轮机和燃气轮机应用于发电。轮机使热流或气流形式的能量在轮机中传输。轮机之间最常见的连接方式是：燃气轮机排出的气体为蒸汽发生器提供必要的热量，见图 2-1。热动循环系统可以同时生成电和热，这时电能由蒸汽轮机或燃气轮机产生，电输出和热输出之间的比例取决于系统最终的要求，并且影响着系统结构配置和元件大小的选择。最常见的配置由一个蒸汽轮机环路构成，其中一部分由蒸汽轮机产生的蒸汽用于提供热量，见图 2-2。图 2-1 组合系统结构图图2-2 热动循环系统结构图组合系统和热动循环系统主要解决的是废气中热能的利用。组合系统主要是利用由燃气机或者过程中其他节点排出的废气中的热量可以用来发更多的电。而

25、CHP 系统主要是把废弃的热能生产其它热能产品或用于地区供热和工业目的。2.1.1 蒸汽轮机蒸汽轮机，即 Steam turbine，在火电厂中它的主要功能是发电。蒸汽轮机的主要结构如图 2-5 所示。图中是典型的三压蒸汽轮机：它包括低压 LP (Low pressure)，中压和高压 HP(High Pressure)三部分，并且它们在同一个轴上工作。顾名思义，高压部分的入口蒸汽是高压蒸汽，相似的，低压部分的入口蒸汽是低压蒸汽。蒸汽轮机与锅炉的过热器和再热器相连，过热蒸汽进入轮机高压部分，高压出口蒸汽再进入再热器，并在常压下加热，加热后的再热蒸汽进入低压部分，出口蒸汽再进入凝汽器。图 2-5

26、 蒸汽轮机结构图蒸汽轮机的典型蒸汽参数值为：高压部分： 输入压力：50160bar，输入温度：550中压部分： 输入压力：3040bar，输入温度：550低压部分： 输入压力：48bar，输入温度：250输出压力：95mbar(与凝汽器相连时)蒸汽轮机主要有三种变量：入口和出口处的蒸汽参数(如温度，压力等)，发电机的电参数和一些这部分所特有的安全运行条件。其中发电机的电参数主要是电机输出功率(相当于负荷)和输出频率(相当于轮机的旋转速度)。而安全条件要考虑轮机转动部分的震动以及发电机定子周围的温度扩散。更重要的是蒸汽压力不能太大，超出限定范围，会带来电厂事故。2.1.2锅炉锅炉，即 Boile

27、r，它是火电厂中 最 核心的部分。它包括一下几个部分：燃烧室(Combustion chamber)、汽包(Drum)、上升器(Riser)、过热器( Superheater )、再热器(Reheater)和节约装置(Economizer)。它的工作过程为：给水系统为汽包供水，在汽包中一部分水会蒸发，还有一部分水通过冷水壁进入上升器，在上升器中燃烧室产生的热量为水加热最后使水蒸发。也就是说，在汽包、冷水壁以及上升器中存在水、蒸汽和水蒸汽混合物的循环。在上升器中产生的蒸汽经由汽包，过热器流入蒸汽轮机的高压部分。之后轮机高压部分出口的蒸汽又再次流入锅炉的再热器，使其在常压下加热，使蒸汽能量增加。喷

28、水减温器的喷水量用来控制过热器的蒸汽温度。上升器吸收炉内燃烧放出的热量，同时燃烧时剩余的燃气可以将热量传入过热器、再热器，最后传入节约装置。2.1.3 凝汽器凝汽器，即 Condenser，位于蒸汽轮机低压部分的出口处。它的结构图如图 2-7 所示。凝汽器是让蒸汽通过装有冷却水的管道，以达到降温凝结的作用。也就是说外部流过的冷却水在此过程中带走了蒸汽的热量。冷凝泵可以使冷凝后产生的液体流入给水系统的脱氧器中。通常凝汽器为管道型的，即一系列的微型管道封闭在一个管道外壳中，微型管道内流有冷却水，外壳中流有饱和蒸汽，并且这两者的流通方向是相反的。此时发生的是非直接的热交换。蒸汽为热源，而冷却水为热接

29、收器。在蒸汽流入凝汽器时，大约有一半的蒸汽能量被带走。此时冷却水温度急剧增加 5 到 10，冷凝蒸汽温度为 27 到 33，绝对压力约为 50mbar。图 2-7 冷凝器结构图2.1.4给水系统给水系统，即 Feed water system，它的结构图如 2-8 所示。给水系统主要包括：脱氧器、水泵、节约装置、给水阀和减温阀。它与锅炉和凝汽器相连，特别是与锅炉有密切联系。图 2-8 给水系统结构图首先，蒸汽轮机提取过压蒸汽直接输入脱气器给水加热以达到饱和。脱氧器的类型有两种。第一种是真空脱氧器。真空脱氧器工作在大气压力下，饱和温度为 82oC，水的溶氧量为 0.02mg/l。但这需要花费额外

30、的费用维持真空。第二种为常压脱氧器。它工作在大气压力以上，水的溶氧量可降至 0.02mg/l。要求饱和温度在 105o C 以上。可见，在饱和状态下，脱氧器中的溶气量很低。这样没有凝结的气体就可以与给水分离，最终排入空气中。与此同时，脱氧器内的水和蒸汽达到平衡，既没有凝结也没有蒸发。2.2 故障与故障诊断概述2.2.1 故障分类与特征描述动态系统的状态可以用一组状态变量来描述，它们是时间的函数。故障是系统由于某个部分功能的降低或结构的破坏所造成的一种系统状态。系统故障可看成是与正常状态相偏离的一种状态。从广义上讲，故障可理解为任何异常现象，是系统表现出的所不希望的特性。实际系统可能发生的故障是

31、各种各样的，研究故障诊断需要对故障做出适当的分类，这种分类可以从多个不同的方面进行。从故障发生的部位来看，可以分为仪表故障(常称为传感器故障)、执行器故障和元部件故障；根据故障的性质，可以分为突变型故障和缓变型故障；从故障建模角度出发，可以分为乘性故障和加性故障；从故障的关系分为相关故障与非相关故障；从故障的性质分为自然故障与人为故障等等。 一般来说，系统的故障具有如下特性：(1) 层次性：故障的纵向特性，由系统本身的层次性决定，故障一般分为系统级、 子系统级、部件级、元件级等多个层次。高层次的故障可以由低层次的故障引起，而低层次的故障必定引起高层次的故障。故障诊断时可以采用层次诊断模型和层次

32、诊断策略。(2) 相关性：故障的横向特性，它由系统各元件间的联系所决定，某一元件发生故障后，通常会导致与其相联的元件或者元件间的联系发生故障，形成了同一层次系统中多个故障并存的结果，多故障同时诊断也是机械设备诊断中的一个关键问题。(3) 延时性：从原发性故障发展到系统故障都有一定的时间性，故障的发生发展是一个量变到质变的过程，因此故障可以预测，可以早期诊断。根据事先获得的故障信号变化规律，可以在待检模式的特征信号尚未超限时就做出关于系统、元件与与元件之间的联系的目前状态、状态趋势和未来状态的判断。(4) 可预测性：设备大部分故障在出现之前通常有一定先兆，只要及时捕捉这些征兆信息，就可以对故障进

33、行预测和防范。2.2.2 故障诊断与故障诊断过程故障诊断是指系统在一定的工作环境下查明导致某种功能失效的原因或性质，判断劣化状态发生的部位或部件，以及预测状态劣化的发展趋势等。诊断是指由现象判断本质，由当前预测未来，由局部推测整体的过程。在工程技术领域，也需要根据设备各种可测量的物理现象和可以检测的技术参数来判断设备是否正常运转，判断发生故障的原因和部件，预测潜在故障的发生等。设备故障诊断过程就是鉴别机器的状态是否正常，发现和确定故障的部位和性质，预报故障趋势并提出相应的对策。故障诊断的实施过程可分为以下步骤：(1) 信号采集。设备在运行过程中必然会有力、热、振动及能量等各种量的变化，由此会产

34、生各种不同信息。根据不同的诊断需要，选择能表征设备工作状态的不同信号，如振动、压力、温度等是十分必要的。这些信号一般是用不同的传感器来拾取的。(2) 信号的处理变换及特征提取分析。就是从状态信号中提取与设备故障有关的特征信息。当特征信号为静态信号时，特征信号既是征兆。对征兆的取值进行检验，看其是否在允许范围，然后作 出决策。当特征信号为动态信号时，首先要根据情况选择既能反映动态功能指标，又便于测取的特征信号组；其次是通过对特征信号分析提取便于决策的征兆；最后根据征兆、标准模式和某种判别准则，识别系统故障。(3) 设备的状态识别及故障定位。将经过信号处理后获得的设备特征参数与规定的允许参数或辨别

35、参数进行比较、对比以确定设备所处的状态，是否存在故障及故障的类型和性质等。为此应正确指定相应的判别准则和诊断策略。该步目前主要有数学分析、控制论、系统辨识、人工智能和模式识别多种方法。(4) 做出诊断决策和趋势预测，干预设备及其工作过程。状态监测的任务是使系统不偏离正常功能，并预防功能失效，在监视的基础上进行诊断。当系统一旦偏离正常功能，则必须进一步分析故障产生的原因，这时的工作可理解为故障诊断。如果事先已对机器可能发生的故障模式进行分类，那么诊断问题就化为把机器的现行工作状态归入哪一类的问题。因此，故障诊断实质上是一类模式分类问题。2.3 本章小结本章首先是在熟悉 Skegton 系统的组成

36、结构和工作流程的基础上，利用Simulink 建立锅炉、燃汽轮机、蒸汽轮机、冷凝器、给水系统等模块的模型，然后将各个功能模块连接起来构成整个电厂的模型。并对电厂的故障以及故障模型进行了分析研究。第三章凝汽系统常见故障及其原因分析3.1凝汽器简介在现代大型电站凝汽式汽轮机组的热力循坏中，凝汽设备是起了一种热力学中“冷源”的作用，降低冷源的温度就能提高循环的热效率。因此，凝汽设备的主要任务是在汽轮机的排汽口建立并保持高度真空，使进入汽轮机的蒸汽能膨胀到尽可能低的压力，从而增大机组的理想比烙降，提高其热经济性。凝汽设备主要包括凝汽器、循环水泵、凝结水泵及抽气器，如图2-1所示，其中凝汽器是最主要的组

37、成部分，大多数凝汽器是管壳式结构的换热器。冷却水经循环水泵流入凝汽器的冷却水管，把蒸汽凝结成水时放出的热量带走，蒸汽被凝结成凝结水，而凝结水在凝汽器底部热井通过凝结水泵抽出，送往锅炉。在凝汽器开始工作前，必须利用抽气器将壳侧空气抽出以建立真空，在凝汽器正常工作时，也必须利用抽气器将从真空系统不严密处漏入的空气以及夹带在汽轮机排汽中的空气不断地抽出，以维持真空。汽轮机凝汽设备的冷却方式主要有开式冷却系统(直流供水)和闭式冷却系统(循环供水)两种。以江、河、湖、海等水作为冷却水的供水系统是开式冷却系统;采用专门的冷却塔，冷却水在凝汽器与冷却塔之间进行循环的冷却水方式是闭式冷却系统。图3-1凝汽器系

38、统原件组成凝汽器在热力发电厂中占有很重要的地位，但是由于设计、安装、检修等原因，凝汽器在运行过程中常常出现一些故障。如低真空运行、冷却管泄漏、凝结水过冷、凝结水含氧量高等。其中最常见的是凝汽器低真空运行，对此我们将作重点分析。凝结水的过冷，使凝结水含氧量增加，而导致管道、设备腐蚀。因此凝结水的过冷度及含氧量也是评价凝汽器运行热力性能的主要指标，需要加以监视。3.2凝汽器低真空对机组性能的影响当凝汽器的真空度过低时，不仅汽轮机的效率降低，而且由于汽轮机的排汽温度提高，会使汽轮机的排汽口和凝汽器壳体产生过量的热变形，这可能引起汽轮机振动，或者破坏凝汽器水侧的严密性。当凝汽器真空度降低时，为保证机组

39、出力不变，必须增加蒸汽流量，而蒸汽流量的增加又将导致轴向推力的增大，使推力轴承过负荷，这将影响汽轮机组的安全运行。正是由于这些严重后果，所以有必要对凝汽器进行系统分析，根据故障状态的表现，尽可能早地查出故障原因，采取相应措施，提高机组运行的安全性和经济性。a.经济性方面的影响(1)真空降低，使汽轮机热耗增加。对于高压汽轮机，真空每降低1%，使机组热耗增加4.9%。(2)真空降低，使凝结水过冷度增加。对于高压汽轮机，凝结水每过冷1，使机组热耗增加0.15%。b.安全性方面的影响(1)真空度降低，为保证机组出力不变，必须增加蒸汽流量，而蒸汽流量的增加又将导致轴向推力的增大，严重时有烧毁推力轴承的危

40、险，甚至使汽轮机动静部分相碰造成恶性事故。此外，由于真空降低，汽轮机低压缸的尾部温度也相应升高，可能导致位于低压缸轴瓦上的转子轴头也随着被抬离，这样就破坏了中压转子与低压转子靠背轮的对中性。(2)由于真空降低，凝结水中含氧量增加，凝结水系统的设备和管道被腐蚀产生的氧化铁进入锅炉，腐蚀炉膛的水冷壁、过热器等。(3)其他方面的影响。在实际运行中凝汽器真空降低还存在许多缓慢的危害，如凝结水管道被腐蚀，低压加热器铜管被腐蚀，除氧器淋水盘被腐蚀等。因此，为了确保机组的安全、经济运行，应使其在设计真空值附近运行。否则，必须查明真空下降的原因，采取措施，消除隐患，保证机组在最佳状态下运行。3.3凝汽器真空值

41、的确定真空是指在给定空间内低于标准大气压的气体状态，表示处于真空状态下气(汽)体稀薄程度的量值。凝汽器在热力系统“冷端”的主要功能是保证汽轮机排汽凝结，并维持其一定的负压。凝汽器中蒸汽与冷却水的热交换流动型式可近似地看成逆流。图3-2所示是蒸汽和冷却水的温度沿冷却面积变化规律。沿冷却面积冷却水的温度由进口气，上升到出口气2。汽轮机排汽进入凝汽器，在管束的进口处蒸汽中空气的相对含量很小，凝汽器压力Pc即等于蒸汽的分压力Ps，进口处的蒸汽温度等于凝汽器压力Pc相对应的饱和温度Ts。如果忽略凝汽器的汽阻，凝汽器压力沿冷却面积不变，相对应的饱和温度也不变。图3-2蒸汽和冷却水的温度沿冷却面积变化规律如

42、图3-2所示，与凝汽器压力Pc。相对应的饱和蒸汽温度可表示为：ts = tw1+t +t （31）式中: 一一凝汽器压力对应的饱和温度();一一冷却水入口水温();t一一冷却水温升();t-凝汽器端差()当忽略进入凝汽器的其他热量时，蒸汽的翻结放热量等于冷却水的吸热量，用下式表示: （32）式中:Dc一一进入凝汽器的蒸汽量(/h);一一排汽及凝结水的焓();一一冷却水的流量(心/h):一一进入和离开凝汽器冷却水的焓值();C一一冷却水的比热，对于淡水，那么，冷却水温升可以表示成下式:t= （33）式中:m一一冷却倍率 式(3-3)中焓差h=表示凝结1于蒸汽所放出的热量。对于电站凝汽式汽轮机，在

43、数值上变化不大。例如初参数为9.0-16.OMPa的亚临界机组焓差为2200-2250。初参数为23.5MPa的超临界机组焓差为2300-2350kJ/kg。于是公式(2-3)可以写成: （34）凝汽器的传热端差可表示为:t= （35）式中：一一循环水的流量();一一凝汽器的冷却面积();K一一凝汽器的传热系数(kg/);那么，由式(3-1)、(3-3)、(3-4)就可确定出凝汽器压力所对应的饱和温度。由（3-5）式或查水蒸汽表，可确定出凝汽器的压力: （36）式中:Pc一一凝汽器压力(Pa)3.4凝汽器真空下降原因的综合分析凝汽器真空下降，可分为急剧下降和缓慢下降两种情况。3.4.1凝汽器真

44、空急剧下降原因分析凝汽器真空急剧下降又称为凝汽器事故性破坏，引起急剧下降的原因很多，一般有以下一些原因:(l)循环水泵故障停机，导致真空急剧下降循环水泵电机电流为零，出口压力下降为零;(2)轴封供汽中断，导致真空急剧下降，过冷度变大，传热端差变大，循环水温升变小，负胀差;(3)凝汽器水位调节失灵，使热井水位发生变化，导致真空急剧下降，传热端差变大，过冷度增大，凝结水泵出口压力增加;(4)冷却水管路破裂，导致真空急剧下降，传热端差变大，过冷度增加。由上可见，凝汽器真空急剧下降时现象比较明显，易于发现并采取措施及时补救。急剧下降发生几率小，但是危害大，是故障诊断系统重点防范监测的对象。3.4.2凝

45、汽器真空缓慢下降原因分析根据对电厂实际情况的调查及相关资料的查阅，本文主要从真空系统、抽气系统、循环水系统、管侧脏污、轴封系统等方面分析凝汽器真空缓慢下降的原因。3.4.2.1真空系统凝汽器真空系统是指凝汽设备中所有处于低于大气压力运行的设备、管道和阀门等。真空系统不严密处，可能导致空气漏入系统。由于空气漏入凝汽器，凝汽器压力pk、应该是汽气棍合物的总压力，即: (3-7)式中:Ps一一蒸汽分压力;Pa一一空气分压力若空气大量漏入凝汽器，将会使凝汽器的传热恶化，因而引起不良的后果。首先是进入凝汽器容积的空气明显地使凝结蒸汽对凝汽器管壁的放热系数变差，使凝汽器内总的传热系数变小。大量空气的渗漏，

46、引起空气排除装置的过负荷，并因而使真空变坏。凝汽器内的空气分压力增加使得凝汽器的压一力增加。假设凝汽器内的漏气量(kg/h)，汽机排汽干度x，凝汽器内蒸汽流量Lk(kg/h)，将理想气体状态方程式用到凝汽器中不会有大的误差。对混合物中的蒸汽有： （3-8）式中: 一一干饱和蒸汽的比容一一水蒸气的气体常数一一蒸汽绝对温度 K对混合物中的空气有: （39）式中: 一一空气的比容一一空气的气体常数一一漏入空气的绝对温度 K对于一个封闭容器，其中充满干饱和的汽、气混合物则有: （310） （311）式中:V、Vs、Va混合物、干饱和蒸汽、空气的容积 T、Ts、Ta一一混合物、干饱和蒸汽、空气的绝对温度 K水蒸汽气体常数 =462.1，空气气体常数=287.14。将上述数据代入式(3-7)和(3-8)中则得蒸汽的分压力为：空气的分压力为:从上两式可以看出，若干度x很大，总是很小时，蒸汽的分压等于凝汽器的压力，但是随着蒸汽的进一步凝结，干度减小，此时如果漏入较多的空气，空气就会严重影响凝汽器的压力，使凝汽器的压力增高，同时使抽气设备过载，凝结水过冷度及含氧量急剧增加，使凝汽器的真空度降低。3