童帥

[摘? ? 要]我國(guó)科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展對(duì)國(guó)家電力事業(yè)具有積極的推動(dòng)作用，同時(shí)對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)也具有重要的促進(jìn)作用。故障樹(shù)分析法的引入有力確保電廠熱工自動(dòng)化檢修工作的順利進(jìn)行。本文首先闡述故障樹(shù)分析法的概念，并對(duì)電廠熱工出現(xiàn)的故障類(lèi)型進(jìn)行分析，詳細(xì)介紹故障樹(shù)診斷的執(zhí)行流程，借此促進(jìn)相關(guān)作業(yè)人員在具體電力檢修作業(yè)時(shí)具有更為全面的業(yè)務(wù)知識(shí)，從而為電廠建設(shè)提供強(qiáng)有力的專(zhuān)業(yè)人才，促進(jìn)我國(guó)電廠行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

[關(guān)鍵詞]故障樹(shù)分析法;電廠熱工;自動(dòng)化檢修

[中圖分類(lèi)號(hào)]TM621 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）05–0–02

Application of Automatic Maintenance of Thermal Engineering

in Power Plant Based on Fault Tree Analysis

Tong Shuai

[Abstract]The continuous development of science and technology in my country has positively promoted the national electric power industry， and also played an important role in promoting the national economic construction. The introduction of the fault tree analysis method has effectively ensured the smooth progress of the thermal automation maintenance work of power plants， and then promoted The operation of economic activities in my country is more efficient. This article first explains the concept of fault tree analysis， analyzes the types of faults that occur in the thermal engineering of power plants， and introduces the execution process of fault tree diagnosis in detail， so as to promote relevant operators to have more comprehensive business knowledge in specific power operations. Thereby providing powerful professionals for power plant construction and promoting the further development of China's power plant industry.

[Keywords]fault tree analysis method; power plant thermal engineering; automatic maintenance

我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷向前推進(jìn)，人們生活中的電力需求也在不斷增加，從而對(duì)我國(guó)的電力行業(yè)提出更高的要求。在電廠熱工建設(shè)領(lǐng)

域，應(yīng)用故障樹(shù)分析法檢修，可以很高程度地加強(qiáng)我國(guó)的電廠建設(shè)，確保我國(guó)經(jīng)濟(jì)得到高效發(fā)展。故障樹(shù)分析法在電廠熱工領(lǐng)域的應(yīng)用，最大限度挖掘該方法的應(yīng)用價(jià)值，特此開(kāi)展本次課題研究。

1 故障樹(shù)分析法

在火電廠中，自動(dòng)化系統(tǒng)難免會(huì)出現(xiàn)各種故障，對(duì)故障原因及時(shí)排查并進(jìn)行準(zhǔn)確地診斷，對(duì)檢修措施的正確應(yīng)用具有積極意義，在進(jìn)行系統(tǒng)分析及排除問(wèn)題的過(guò)程中，需要豐富的生產(chǎn)作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)需要應(yīng)用科學(xué)的分析方法[1]。

從電廠熱工系統(tǒng)的角度，該系統(tǒng)出現(xiàn)的故障包括硬件層面的故障、人為層面以及軟件層面的故障。硬件層面包括硬件性能出現(xiàn)惡化、硬件自身存在設(shè)計(jì)缺陷;軟件層面包括程序設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤、系統(tǒng)輸入輸出參數(shù)的錯(cuò)誤等;人為層面主要指人為操作失誤導(dǎo)致的系統(tǒng)及設(shè)備故障。在這種背景下，采用故障樹(shù)分析法對(duì)故障類(lèi)型進(jìn)行排查顯得額外重要。

故障樹(shù)分析法源于樹(shù)形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將一個(gè)實(shí)體對(duì)象轉(zhuǎn)換為含有多個(gè)屬性的集合，且不同屬性與屬性間也存在包含及被包含的關(guān)系。該結(jié)構(gòu)用于故障分析時(shí)具有以下特點(diǎn)[2]。

（1）該方法從系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)入，深入各個(gè)部件，再對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行原因排除，利用樹(shù)形結(jié)構(gòu)從上到下的原理進(jìn)行分析。基于該方法可以從系統(tǒng)的頭部出發(fā)，采用邏輯符號(hào)構(gòu)建樹(shù)狀的決策/分析模型，對(duì)每個(gè)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行概率計(jì)算，同時(shí)也可以對(duì)系統(tǒng)級(jí)故障、子系統(tǒng)故障及更小單位的故障進(jìn)行影響權(quán)重分析。

（2）該方法可以進(jìn)行定量分析，也可以進(jìn)行定性分析，即可以針對(duì)某一個(gè)構(gòu)件產(chǎn)生的系統(tǒng)故障進(jìn)行分析，也可以將多個(gè)構(gòu)件作為一個(gè)整體進(jìn)行綜合故障分析。由于故障樹(shù)分析法采用邏輯圖進(jìn)行描述，故障對(duì)象間的箭頭表示指向關(guān)系，有助于技術(shù)人員、相關(guān)應(yīng)用人員有效應(yīng)用該模型。

（3）一般來(lái)說(shuō)，故障樹(shù)可以通過(guò)邏輯門(mén)的方式構(gòu)建邏輯圖，因而可以通過(guò)程序設(shè)計(jì)對(duì)邏輯關(guān)系進(jìn)行有效計(jì)算，同時(shí)故障樹(shù)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜度而構(gòu)建，復(fù)雜的故障樹(shù)層次數(shù)可能高達(dá)上千，每一層的故障對(duì)象可以多達(dá)幾萬(wàn)，僅僅依賴(lài)人工進(jìn)行故障分析，效率顯然低下，因而需要采用計(jì)算機(jī)輔助的方式進(jìn)行故障樹(shù)的構(gòu)建。

（4）故障分析法在應(yīng)用時(shí)也存在一定的不足。首先故障樹(shù)在構(gòu)建的初始階段存在嚴(yán)重冗余，應(yīng)用較為困難，分析人員采用該方法需要具備較高的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，致使該方法在電廠熱工檢修中的應(yīng)用受到一定的限制。在構(gòu)建故障樹(shù)時(shí)，需要對(duì)各個(gè)故障間關(guān)系進(jìn)行邏輯推導(dǎo)，要求相關(guān)作業(yè)人員具有一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，否則會(huì)造成工程排查出錯(cuò)。同時(shí)，考慮到不同工作人員專(zhuān)業(yè)水平不

同，各相關(guān)人員陳述分析結(jié)論的可信度也存在明顯差異。

2 火電廠熱工自動(dòng)化的發(fā)展及現(xiàn)狀

大容量、高參數(shù)的火電機(jī)組成為我國(guó)發(fā)電工業(yè)的主力機(jī)組，而熱工自動(dòng)化技術(shù)因?yàn)闄C(jī)組容量的提升、控制儀表的智能化而取得大幅度進(jìn)步。熱工的智能化控制是實(shí)現(xiàn)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要措施之一，包括鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)以及輔機(jī)的參數(shù)調(diào)控、回路設(shè)計(jì)、命令控制以及性能優(yōu)化等功能，從而使得熱工從簡(jiǎn)單的人為操作發(fā)展到不同復(fù)雜程度設(shè)備的自動(dòng)控制、過(guò)程管控以及綜合分析，進(jìn)而成為火電機(jī)組運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。

回顧熱工自動(dòng)化的發(fā)展，可以看到其與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的變化緊密相關(guān)，是一個(gè)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從局部智能到全局操控，從低水平智能向高精尖智能轉(zhuǎn)化的過(guò)程。結(jié)合熱工自動(dòng)化的發(fā)展及設(shè)備更新的程度，可以將其歸納為三個(gè)階段。

（1）熱工向智能化轉(zhuǎn)變的第一階段。

建國(guó)初期，我國(guó)的火電機(jī)組只有50MW，機(jī)組采用就地控制，很多輔助設(shè)備，包括鍋爐、汽輪機(jī)都需要在各自設(shè)備上設(shè)置相應(yīng)的控制盤(pán)。這一時(shí)期，關(guān)于熱工怎么實(shí)現(xiàn)智能化主要依靠傳遞函數(shù)的方式進(jìn)行論述，其中以根軌跡法、頻率法等分析方法應(yīng)用較多，因而在這個(gè)時(shí)期對(duì)熱工的控制主要采用手工+經(jīng)驗(yàn)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（2）熱工向智能化轉(zhuǎn)變的第二階段。

上世紀(jì)70年代，通過(guò)生產(chǎn)工藝的發(fā)展，鍋爐、汽輪機(jī)可以構(gòu)成一個(gè)整體，從而減少了控制環(huán)節(jié)，提升了火力發(fā)電的效率。在該模式下，機(jī)、鍋爐、電力采用集中控制。此時(shí)熱工智能化采用模擬儀表、單元組合的方式，開(kāi)始引入了計(jì)算機(jī)技術(shù)。

在這個(gè)時(shí)期，熱工實(shí)現(xiàn)智能化的理論基礎(chǔ)為狀態(tài)空間分析法，具體內(nèi)容包括最小二乘法、極大值的動(dòng)態(tài)評(píng)估、卡爾曼濾波估計(jì)等方法，同時(shí)計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展為普及現(xiàn)代控制理論提供了新的途徑。

（3）熱工向智能化轉(zhuǎn)變的第三階段。

伴隨技術(shù)的進(jìn)一步向前發(fā)展，分散控制系統(tǒng)的概念初步形成，即在結(jié)構(gòu)上分散，不僅將運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分散，并且消除了整體性的故障節(jié)點(diǎn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，從而可以靈活地運(yùn)用各種新型算法及模型，為系統(tǒng)的調(diào)試和運(yùn)行提供更多可靠的方法。分散控制系統(tǒng)的出現(xiàn)極大推動(dòng)了熱工智能化程度，并為真正實(shí)現(xiàn)智能化提供可用的技術(shù)工具，同時(shí)也改變了熱工智能化控制從業(yè)人員對(duì)熱工智能化概念的理解，從而從整個(gè)行業(yè)角度帶來(lái)了巨大的推動(dòng)。

這個(gè)時(shí)期熱工的智能化控制形成了新的控制理論，即大型系統(tǒng)控制及以智能算法為基礎(chǔ)的控制理論。由于電力生產(chǎn)過(guò)程中存在機(jī)理復(fù)雜性，在實(shí)際控制過(guò)程中存在多個(gè)隨機(jī)因素，因而難以建立準(zhǔn)確的、能覆蓋所有隨機(jī)因素的數(shù)據(jù)模型，同時(shí)，借助當(dāng)前的控制策略，過(guò)于復(fù)雜難以在線控制，不能滿(mǎn)足高水平控制的要

求。在此背景下，人工智能、控制理論、運(yùn)籌學(xué)的結(jié)合為熱工的智能化控制提供了新的契機(jī)。在這個(gè)階段，工業(yè)自動(dòng)化已不再是局部控制，而是對(duì)全局問(wèn)題進(jìn)行掌控，在閉環(huán)控制、全局控制之間進(jìn)行最優(yōu)化策略的選取。

從當(dāng)前的現(xiàn)狀來(lái)看，火電廠熱工需要涵蓋檢測(cè)顯示、自動(dòng)調(diào)節(jié)、信號(hào)保護(hù)等環(huán)節(jié)，從而構(gòu)成一個(gè)完整的智能控制系統(tǒng)。同時(shí)，新技術(shù)的不斷出現(xiàn)使得熱工在新材料、制造工藝、傳感器、變速器等領(lǐng)域進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)，控制裝置在設(shè)計(jì)和應(yīng)用層面均產(chǎn)生了飛躍的進(jìn)步。

其中，可用作進(jìn)行參數(shù)檢測(cè)，包括溫度檢測(cè)、壓力檢測(cè)、流量監(jiān)測(cè)以及液位監(jiān)測(cè)等;從過(guò)程角度，可以將汽包爐中的水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)分為三沖量系統(tǒng)，可將燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)的送風(fēng)模塊以送風(fēng)指令的形式進(jìn)行調(diào)節(jié)等;從控制系統(tǒng)角度，結(jié)合前面提到的分散控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)故障分散，減小控制室的大小，縮減系統(tǒng)所用電纜的成本，降低備品種類(lèi)及數(shù)量的支出，更重要的是降低生產(chǎn)中對(duì)設(shè)備廠家的依賴(lài)，進(jìn)而增加控制系統(tǒng)構(gòu)建的靈活性。

3 電廠熱工的故障類(lèi)型

電廠熱工在運(yùn)行過(guò)程中，自動(dòng)化系統(tǒng)在實(shí)際作業(yè)中可能出現(xiàn)以下幾類(lèi)故障。

（1）現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)出現(xiàn)的相關(guān)故障[3]。現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)是電力生產(chǎn)作業(yè)需要的各種輸出指令信號(hào)，包括溫度指示信號(hào)、執(zhí)行部門(mén)信號(hào)、開(kāi)關(guān)信號(hào)以及變速器信號(hào)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)極大影響系統(tǒng)的控制性能，同時(shí)也會(huì)降低監(jiān)視數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和精度，從而對(duì)操作人員作業(yè)構(gòu)成誤導(dǎo)。現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)故障包括閥門(mén)故障、接線故障、變速器故障以及測(cè)量零部件故障。

（2）DCS系統(tǒng)故障、PLC硬件故障。具體來(lái)說(shuō)包括數(shù)模信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊存在故障、電源模塊存在故障以及CPU模塊出現(xiàn)故障。

（3）軟硬件配置存在故障，比如，編譯出錯(cuò)或者系統(tǒng)軟件存在設(shè)計(jì)缺陷等。

（4）人為問(wèn)題也是電廠熱工出現(xiàn)故障的重要原因，比如說(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員出現(xiàn)操作失誤。

4 故障樹(shù)的分析執(zhí)行流程

故障樹(shù)分析法需要對(duì)系統(tǒng)硬件故障進(jìn)行分析，同時(shí)需要將軟件因素、人為因素以及環(huán)境因素納入考慮范圍[4]。不僅能夠?qū)收袭a(chǎn)生原因進(jìn)行定性，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)故障發(fā)生的原因產(chǎn)生較為準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，一步一步分析不同事件結(jié)構(gòu)的應(yīng)用價(jià)值，借助布爾運(yùn)算對(duì)故障間關(guān)系進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而對(duì)故障數(shù)種的最小路徑、最小故障子樹(shù)進(jìn)行確定，從而對(duì)因?yàn)楸∪醐h(huán)節(jié)或者可能出現(xiàn)的失誤進(jìn)行有效判斷。在此基礎(chǔ)上，可以對(duì)相關(guān)故障因素進(jìn)行定量評(píng)估，即基于已知單元故障對(duì)系統(tǒng)失效進(jìn)行概率計(jì)算，包括故障因素重要度、故障因素的結(jié)構(gòu)重要性以及促系統(tǒng)失效概率。從整體來(lái)說(shuō)，故障樹(shù)的構(gòu)建從以下幾個(gè)步驟下完成。

（1）明確頂事件。就電廠熱工建設(shè)而言，自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大初衷就是無(wú)需相關(guān)工作人員參與生產(chǎn)，因而不允許出現(xiàn)相關(guān)故障。

（2）在頂事件后，對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行現(xiàn)象定義，即故障出現(xiàn)了需要進(jìn)行具體分析。如果將故障現(xiàn)象看作為一個(gè)輸出對(duì)象或者系統(tǒng)故障產(chǎn)生的直接原因作為一個(gè)輸入對(duì)象，同時(shí)結(jié)合邏輯門(mén)設(shè)計(jì)對(duì)不同故障因素之間的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行故障樹(shù)描述。

（3）加強(qiáng)中間事件的分析。相關(guān)人員需要對(duì)系統(tǒng)故障現(xiàn)象下的多個(gè)故障對(duì)象進(jìn)行事件的輸入，從而對(duì)各個(gè)輸入對(duì)象進(jìn)行分解，下一步事件作為下一級(jí)輸出的具體流程，但是事件的排除分析需要多次遞推，因而中間事件的分析對(duì)后續(xù)的分析至關(guān)重要[5]。

（4）應(yīng)用逆向思維。針對(duì)已輸出的事件樹(shù)，進(jìn)行邏輯關(guān)系的描述，從而判斷故障樹(shù)的樹(shù)根，進(jìn)而形成故障構(gòu)建的樹(shù)形結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上，在電廠構(gòu)建過(guò)程中，尤其是自動(dòng)化檢修作業(yè)中，需要采用故障樹(shù)分析法對(duì)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行原因排查，該方法有助于電力行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，同時(shí)確保我國(guó)電力供應(yīng)的可靠性。通過(guò)分析故障類(lèi)型、故障樹(shù)執(zhí)行流程可以確保故障樹(shù)分析法應(yīng)用的可靠性。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的進(jìn)程中，電力供應(yīng)的穩(wěn)定具有積極意義，并為我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展注入動(dòng)力。

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