发电厂炉水侵蚀状态在线监测与专家诊断系统

　　摘要：发电厂炉水的各种化学成分含量能体现锅炉和输水管道遭受侵蚀的状态。及时监测这些数据，可明确锅炉和输水管道的工作状况和寿命，实现状态预知维修，确保机组稳定安全运行。系统由在线数据巡检仪和系统管理软件组成。
　　
　　0引言
　　
　　随着我国电力工业发展，高参数、大容量火电机组相继投人运行，人们对锅炉水汽品质的重要性也有了进一步认识和重视。如果锅炉和输水管道出现腐蚀问题，机组可能发生降负荷和停机[1]。我国工业锅炉每年因炉水侵蚀性状况判断不明而导致受热面结垢、腐蚀，造成的经济损失极大。目前大部分电厂化学监督工作还停留在人工抄表、人工数据分析阶段。由于采集数据不连续和分析控制不及时，导致无法准确及时地反映锅炉水汽品质，难以做出趋势预测。因此建立完善的专家诊断系统，对水汽质量故障作出正确判断并及时处理，为机组状态检修提供准确的状态判据有十分重大的经济和社会效益。
　　
　　本文介绍的系统通过热力设备水汽取样系统、在线数据巡检仪和计算机管理的有关内容，对炉水的侵蚀性进行量化分析，确定腐蚀程度与监测指标的关系。并据此对锅炉受热面内表面遭受的腐蚀状态作出判断，为在机组大修时对热力设备腐蚀状况能有全面的了解，达到预知检修的目的；同时对机组化学监测数据进行监测，提高水质参数监测的实时性和可靠性。该系统为开放式专家诊断系统，除可对水汽取样系统运行状态进行监测外，还对出现的故障进行分析诊断，提出处理意见。
　　
　　1系统结构
　　
　　该系统具体的关系和规模如图1所示。系统从逻辑关系上分为数据采集层、分析监测层、管理层和交流传输层。利用自动采集的数据、化验站人工化验产生的数据和实验室周查产生的数据三者结合来作为数据源。数据巡检仪采集2台机组的pH值、电导率、溶解氧、电极电位值共24路。其它含氧量、碱度、磷酸根、氨含量、硅离子、钠离子、铁离子质量浓度、漏水率等数据需人工化验分析或经系统软件计算得出。其中，人工每2h化验的数据68项，每周化验的数据88项。以日期、时间、监测点、水样、监测指标作为数据的标识和启动条件，进行数据处理。分析监测层是对各路数据进行限值判断：高于量程上限和低于量程下限，高于合格指标上限和低于合格指标下限，高于注意值上限和低于注意值下限。同时进行数据趋势分析，适时数据和曲线显示，报警和事故追忆，并判断是否启动专家判据模块。管理层是对历史数据和适时数据的管理，数据和曲线的查询，报表打印，专家诊断，结果处理。交流传输层是对数据的网络管理功能。　　
　　数据巡检仪采集发电厂监督水样取样变送器出口数据。它应用12位A／D采集器、STD总线和分布式模块结构，保证采集精度和稳定性。上位机应用软件用VB6.0企业版调用SQL-SERVER数据库，实现图形用户界面，并可和MIS系统接口。
　　
　　2数据巡检仪
　　
　　发电厂一些化学量如炉水电导率、pH值及溶解氧等经采样器件送到变送器，变送器把信号变为4~20mA电流信号输送到仪表和巡检仪。变送器采用法国的ZELLWEGERANALYTICS公司生产的电导／电阻测量器件TRANSMITTER9125。其输出电缆zui大长度为100m，输出电阻为800Ω，精度为0.1mA。变送器来的信号须由巡检仪进行I／V变换，然后进行高精度A／D采集。数据巡检仪除完成以上所述功能外，还要暂时保存数据36h，计算平均值，形成数据帧，与上位机通信。数据巡检仪的硬件结构如图2所示。　　
　　该巡检仪使用的数据存储器是2片DALLAS公司生产的不易挥发RAM蕊片DS1644。它们是32kBx8的NVSRAM，并自带锂电池数据保护和时钟日历，*可以在不改变电路的情况下，代替62256。它的数据可保持10a不丢失。而时钟日历可通过编程来校准。还使用了MAXl232CPU监控芯片，具有电源监测、复位控制和WATCHDOG功能。通信方式采用RS-232串口通信。
　　
　　由于发电厂炉水腐蚀过程是一个渐变过程，所以不必要用特别快的速度去获取瞬时值。根据监测指标数目和巡检仪数据存储容量的大小，选择采样周期为2s。对每2min采集的60个数据取平均值，将24路平均结果和时间信息存在RAM中。经计算，巡检仪的RAM中共可保存38h数据。估计数据存储空间可用下式考虑：
　　
　　2x24x38x30+2x24x60=58kB
　　
　　即每一平均值数据占用2字节（12位A／D转换器），共24路数据，38h，每小时30个。在加上2s采集的用来计算平均值的瞬时数据共24路及时间标志：年、月、日、时、分占用5B（但不是每一个数据都要保存时间）。经上式计算总占用外部数据存储空间至少大约为58kB，故总数据存储空间为64kB足够。
　　
　　采用中断方式处理上位机的通信请求，根据上位机发出的不同命令执行时钟校准、地址复位和数据传送操作。整个巡检仪的工作状态由WATCHDOG进行监控，当巡检仪由于干扰等原因死机时可自动重新启动巡检仪系统，并可回到死机前的运行状态点继续运行。对目前可以想象到的故障进行模拟，包括通信线路受到电磁信号干扰造成的数据丢失、误码、误接收；巡检仪重启动、掉电，通信电缆断开造成的通信过程中断等，并检测了巡检仪由于各种原因死机时的WATCHDOG功能。调试结果是：在以上各种故障条件下上位机和巡检仪都可以可靠地完成通信，在系统无法自恢复的故障条件下，上位机可判断故障类型。在实际测试中，当上位机和巡检仪进行一次长达几分钟的数据通信过程时，巡检仪被人为地反复重启动，但结果通信过程一直继续直至顺利完成。连续运行的实验结果表明，巡检仪和上位机的通信模块完成了系统要求达到的功能，通信可靠，运行稳定。
　　
　　响应上位机通信请求的协议格式为：响应头、长度、响应码、数据、校验字节。　　
　　主程序流程图如图3。如果接收到上位机来的通信信号，通信端口将向CPU申请中断。中断服务程序接收命令码，并判断命令码的正确性。如命令码正确则调用执行命令子程序。该流程图见图4。　　
　　3上位机应用软件
　　
　　上位机应用软件是该系统的核心。从概念上分为初始化部分、前台界面程序和后台数据处理。用VB调用SQL-SERVER数据库来实现。数据库的分类框图见图5。
　　
　　后台数据库用来存储数据和管理诊断所需要的各种信息。完备的数据及灵活的数据管理是进行有效诊断的前提。实时数据库实际是一组内存数组变量，可灵活载入内存和从内存释放。它的映象保留到后台数据库。参数设置库存放在线数据巡检仪的180路指标的参数，其字段为：索引号，监测点，水样，监测指标，指标单位，注意值上下限，合格值上下限，仪表量程，变送器输出量程，是否有效。
　　
　　历史数据库和备份数据库存放当前时刻之前的数据。实时数据库、历史数据库和备份数据库的字段为：索引号、各路指标对应的参数设置库的监测点值、水样值、监测指标值的合并（即：参数设置库.Recordset（“监测点”）&参数设置库.Recordset（“水样”）&参数设置库.Recordset（“监测指标”）、日期、时间、注意值标记、正常标记、合格标记、有效标记。维修建议和结论库为索引号、监测点、水样、监测指标、故障持续时间要求、故障原因、规则索引、推理解释索引、知识索引、结论、备注。
　　
　　整个系统的信息流程可鸟瞰系统全貌和工作情况。见图6。　　
　　上位机软件流程概括为图7。启动软件系统时，首先读取系统配置文件，以便继承上一次的操作。然后进行数据库和变量的初始化，并对巡检仪进行时钟校对、数据读取。如系统出错或数据越限，报警并启动专家诊断系统。在正常工作时，则进行一维和二维合格率统计计算，打印报表。并利用现有数据来分析运行发展趋势。因为系统故障有一个发生和发展过程，故障征兆也随时间进展而逐步暴露。趋势分析和预测功能，可跟踪状态变化，对故障进行早期预报，有利于及时发现和排除故障，避免更严重的故障扩展。系统首先采用时间推移和数据压缩技术，存储趋势数据，反映参数的历史变化趋向，然后建立混合回归模型，预测参数的未来取值。
　　
　　4专家诊断模块
　　
　　本模块是基于事例（CASE-BASED）的故障诊断系统[2]，即从故障事例的统计规律来认识故障特征．实现故障类型识别。工作原理是用数据库中的征兆和知识库中的专家知识经系列推理得出的诊断结果，是整个系统的主要部分。
　　
　　进入系统的数据经域值检测来判断是否调用专家模块。该模块任务是通过故障征兆解释出现的化学问题，提供相关的化学监督知识，提出可行的消除或预防措施。
　　
　　判据的索引库结构为：故障名称，显示特性，参量数据，根节点，父故障名称，子故障个数，子故障集合，故障原因，推理解释，维修建议。
　　
　　故障推理的层次安排为：根节点（监测点）→父故障（水样）一子故障（监测指标）。
　　
　　“根节点”、“父故障名称”、“子故障个数”和“子故障集合”构成了“树”状链表。表明了故障之间的层次与结构之间的关系。根节点为1、2号机组名称。父故障的结构为：父故障名称，机组类别，给水，炉水，饱和蒸汽，过热蒸汽，再热蒸汽，凝结水，热网水，除氧水，内冷水，疏水，除盐水。作为子故障之一的炉水的结构为：子故障名称，炉水，电导率，pH值，电极电位值，Si02，P03-4，甲基橙碱度，*碱度，硬度，R值，外状。
　　
　　现举一例。表1数据为1999年10月16日7个小时炉水的3个指标数据。　　
　　炉水R值在11：00，炉水磷酸盐在12：10，炉水pH值在11：40分别出现低于注意值的情况。并且，炉水R值在11：40，炉水磷酸盐在15：16，炉水pH值在12：40分别开始出现持续报警。专家诊断系统启动。诊断结果如表2所示。　　
　　5系统实施
　　
　　5．1静电屏蔽与接地
　　
　　统计资料表明，60％以上的电子器件损坏是来源于静电的冲击[3]，系统硬件连接要注意静电屏蔽。各种机箱采用金属外壳。电路板的周围和板中间的空白处填充地线可有效地抑制干扰。电路板之间应保持一定距离，防止板与板之间的电磁干扰。机箱的外壳要与大地相联，将外壳与大地等电位。大地地线不能与电源的零线相联，因为发电厂大地的电势较高，二线相联必然引入干扰，甚至损坏电器。电路板上的数字信号地线和模拟信号地线应相对集中，有利于抑制干扰。
　　
　　5．2信号传输
　　
　　信号传输过程很容易引入噪声，信号输出一定要采用双屏蔽电缆。电缆尽可能走直线，避免线间电感产生振荡干扰。接线端子的松动会引起接触不良而产生噪声，设备安装要牢固可靠，排列规则整齐，便于检修。信号都要经过隔离、滤波等前置处理，避免噪声进入计算机。还应采用光电隔离，保证主要电路和计算机安全。
　　
　　信号传输要注意信号特性和范围。一般电压信号易处理，A／D转换和数字电路都主要使用电压信号。但电压信号抗*力差，不适合远距离传输。电流信号因其内阻很小，有较强的抗*力，但功率损失较大。硬件各模块的信号匹配很重要，要适当增加功率驱动和阻抗变换环节。电源功率不够或电路板间信号不匹配，都会导致系统工作不正常。
　　
　　5．3系统现场试运行
　　
　　本系统已在内蒙古丰镇发电厂投入使用。现对该电厂1、2号机的化学取样系统进行实时监测和诊断。现场有关技术人员认为：该系统监测项目比较全面、实用，各项功能和性能指标都基本达到设计要求，初步运行效果良好。它*取代了人工抄数和工作人员靠经验判断设备有无污损的问题，提高了发电厂自动化和现代化运营水平。根据调研显示，该系统推广前景十分广阔。