張衛(wèi)斌1，鄭 熙1，呂 品2，展 元3

（1.國能黃金埠發(fā)電有限公司，江西 上饒 335100；2.北京品德技術(shù)有限公司，北京 102200；3.華北電力大學(xué)河北省發(fā)電過程仿真與優(yōu)化控制技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定 071000）

0 引言

閥門是電廠普遍使用的熱力設(shè)備，作為管路中的控制裝置在使用過程中起著開閉管路、控制流向、調(diào)節(jié)輸送介質(zhì)參數(shù)以及保護(hù)管路和設(shè)備正常運(yùn)行[1]的作用。但由于閥門自身質(zhì)量問題或者工作人員操作不當(dāng)，可能會(huì)造成閥門的泄漏等許多問題，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行安全和效率[2,3]。有研究表明，當(dāng)200MW機(jī)組和300MW機(jī)組的蒸汽泄漏量達(dá)到主蒸汽流量的2%時(shí)，機(jī)組煤耗率將分別上升4.01和4.53g/(kW·h)[4]。因此，若能提前發(fā)現(xiàn)閥門泄漏，不僅可以使閥門得到及時(shí)維修或更換，而且可以明顯減少能耗。

目前，國內(nèi)外對(duì)諸如閥門等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)越來越重視，旨在確保設(shè)備的良好運(yùn)行，延長使用壽命，減少故障發(fā)生率，提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性、安全性和生產(chǎn)效率[5]。吳祖斌等[6]通過大數(shù)據(jù)挖掘，展開發(fā)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的相關(guān)研究，結(jié)合專家知識(shí)庫，針對(duì)電廠發(fā)電設(shè)備故障及異常情況，建立故障預(yù)警及診斷模型，并在監(jiān)控畫面進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障趨勢預(yù)警。張?jiān)迄i等[7]利用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷技術(shù)，通過采集設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合邏輯診斷模型和可視化技術(shù)對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和故障診斷。王娜[8]分析深度學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)和深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)(DNN)，構(gòu)建出基于多重卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)融合的模型，并對(duì)工業(yè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析，進(jìn)行模型的訓(xùn)練和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的健康監(jiān)測。林偉國等[9]通過對(duì)閥門不同狀態(tài)下的信號(hào)時(shí)頻域特征對(duì)比分析，提出了基于小波包能量分率的閥門內(nèi)漏聲波信號(hào)特征提取方法，可以對(duì)閥門不同狀態(tài)進(jìn)行有效區(qū)分。劉瑤等[10]提出了基于聲發(fā)射技術(shù)和門控循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障檢測方法，用重構(gòu)的去噪數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來提高模型效果，從而提高檢測精度。常毅君等[11]通過研究閥門前后管道溫差以及閥門開關(guān)度扭矩，對(duì)閥門運(yùn)行時(shí)的嚴(yán)密情況進(jìn)行確認(rèn)，判斷閥門實(shí)時(shí)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)閥門運(yùn)行綜合管理。許勇等[12]以核電設(shè)備為對(duì)象，從整體敘述基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的狀態(tài)評(píng)估研究內(nèi)容，在介紹核電廠設(shè)備狀態(tài)檢修維護(hù)現(xiàn)狀和故障模式的基礎(chǔ)上，闡述了核電設(shè)備狀態(tài)評(píng)估方法以及深度學(xué)習(xí)在該領(lǐng)域中的探索研究。陳玉昇等[13]基于深度信念網(wǎng)絡(luò)(DBN)對(duì)事故進(jìn)行研究，將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于核電設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估。耿蘇杰等[14]利用融合模糊函數(shù)改進(jìn)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)故障診斷和狀態(tài)評(píng)估方法，構(gòu)造特征信息，量化模糊狀態(tài)，對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行故障診斷和全景狀態(tài)評(píng)估。

現(xiàn)有方法多利用機(jī)器學(xué)習(xí)或者深度學(xué)習(xí)的方法實(shí)現(xiàn)閥門狀態(tài)判斷，存在計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)。本文從疏水閥門機(jī)理特性分析入手，建立閥后溫降模型結(jié)構(gòu)特征，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型和機(jī)理模型串聯(lián)的混合模型結(jié)構(gòu)，保證模型精度的同時(shí)，提高狀態(tài)判斷的實(shí)時(shí)性。

1 管壁溫度機(jī)理分析

當(dāng)電廠中的疏水閥門管道內(nèi)有工質(zhì)流過時(shí)，會(huì)進(jìn)行如圖1所示的傳熱過程。首先，流經(jīng)管道的工質(zhì)與管道內(nèi)壁發(fā)生對(duì)流換熱，將熱量傳至管道內(nèi)壁；然后管道內(nèi)外壁之間以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行熱量傳遞。同樣地，熱量在管道外壁與保溫層之間也以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行傳遞，最后保溫層和外部環(huán)境進(jìn)行對(duì)流換熱，熱量向外部環(huán)境散發(fā)，自此完成整個(gè)熱量傳遞過程，通常認(rèn)為以上4種方式傳遞的熱量 Q相等。在圖1中，T0、T1、T2、T3、T4依次表示工質(zhì)、管道內(nèi)壁、管道外壁、保溫層外壁、外部環(huán)境的溫度。

圖1 傳熱過程圖Fig.1 Heat transfer process

下面分別對(duì)上述傳熱過程進(jìn)行分析，從而得出疏水閥后溫降模型的結(jié)構(gòu)特征。

1.1 保溫層與周圍空氣的自然對(duì)流換熱

保溫層與周圍空氣的自然對(duì)流換熱量為

式（1）中：c3為保溫層比熱；m3為所取工質(zhì)質(zhì)量；d3為保溫層外徑；l為計(jì)算時(shí)所取控制體長度；h1為換熱系數(shù)；t3為保溫層溫度；t4為外部環(huán)境溫度。

h1的計(jì)算式為

式（2）中 ：λa為空氣導(dǎo)熱系數(shù)；Nu為努塞爾數(shù)。

保溫層與周圍空氣之間的傳熱情況屬于橫管大空間自然對(duì)流換熱，有

式（3）中：Gr為格拉曉夫數(shù)，Pr為普朗特?cái)?shù)，Pr和n根據(jù)層流和紊流狀態(tài)取值。

Gr計(jì)算式為

式（4）中：g為重力加速度；α=1/T，T為周圍空氣的絕對(duì)溫度；Δt=t3-t4；μa為空氣動(dòng)力黏度。

1.2 保溫層、管道內(nèi)壁與外壁之間的熱傳導(dǎo)

保溫層與管道外壁之間的熱傳導(dǎo)可近似視為單層均質(zhì)圓筒壁導(dǎo)熱問題，熱量傳導(dǎo)公式

式（5）中：c2為管道外壁比熱；ρ2為管道外壁密度；V2為管道外壁體積；λb為保溫層導(dǎo)熱系數(shù)；t2為管道外壁溫度；d2既是保溫層內(nèi)壁直徑，也是管道外壁直徑。

同理，管道內(nèi)、外壁之間的熱量交換的傳導(dǎo)公式表示為

式（6）中：c1為管道內(nèi)壁比熱；ρ1為管道內(nèi)壁密度；V1為管道內(nèi)壁體積；λg為管道導(dǎo)熱系數(shù)；t1為管道內(nèi)壁溫度；d1為管道內(nèi)壁直徑。

1.3 管道內(nèi)部流體強(qiáng)制對(duì)流換熱

管道內(nèi)部蒸汽或水流動(dòng)屬于強(qiáng)制對(duì)流換熱。對(duì)于控制體，有

式（7）中：ρ0為流體密度 ；v0為流速；c0為流體定壓比熱容；h2為內(nèi)部流體與管壁間的換熱系數(shù)；t0為控制體中流體平均溫度。

綜上所述，單獨(dú)的保溫層與外部環(huán)境，管道外壁與保溫層，管道內(nèi)外壁之間以及管道內(nèi)工質(zhì)與管道內(nèi)壁的傳熱方程如(1),(5),(6),(7)式所示。依據(jù)上述傳熱方程，將整個(gè)傳熱過程進(jìn)行分析[15]，建立基于該過程的傳熱方程組

取初始條件溫度均為Tk，記

并記

則式（8）可變?yōu)?/p>

對(duì)上式進(jìn)行聯(lián)立求解，得到關(guān)于Tout(t)和Tin(t)的關(guān)系式，對(duì)其做拉普拉斯變換得

其中：a=-τ0τ1τ2τ3，

式（10）表明，采用復(fù)合集總參數(shù)法所建立的整個(gè)換熱過程的模型是四階系統(tǒng)，系數(shù)計(jì)算復(fù)雜。為了方便工程實(shí)施，可近似描述為多容慣性環(huán)節(jié)的形式

同時(shí)，也可以描述成等容高階慣性環(huán)節(jié)

其中：Tf=(Ta+Tb+Tc+Td)/4。

利用傳遞函數(shù)變換經(jīng)驗(yàn)公式，等容高階慣性環(huán)節(jié)可以通過提高慣性環(huán)節(jié)常數(shù)實(shí)現(xiàn)模型降階，進(jìn)一步把機(jī)理模型等效為具有大慣性的一階環(huán)節(jié)。

2 閥后溫降模型的建立

根據(jù)在現(xiàn)場輸水管道布置的溫度、壓力、流量測點(diǎn)所采集到的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與整理，利用兩點(diǎn)法和最小二乘法對(duì)其中的部分疏水閥門的溫降變化趨勢進(jìn)行擬合。基于以上機(jī)理分析，建立基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的溫降模型曲線如圖2。

圖2 疏水閥門溫降模型圖Fig.2 Trap valve temperature drop model

將圖2所示的4個(gè)疏水閥后溫降模型進(jìn)行數(shù)值化的表達(dá)和展現(xiàn)，得出單位脈沖響應(yīng)表達(dá)式和傳遞函數(shù)的歸一化表達(dá)式，最終呈現(xiàn)出表1所示的溫降模型結(jié)果。

表1 疏水閥門溫降模型結(jié)果Table 1 Hydrophobic valve temperature drop model results

結(jié)合上述溫降模型曲線圖和溫降模型表達(dá)式，可以看出，利用圖3所示的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型和機(jī)理模型串聯(lián)的混合模型結(jié)構(gòu)，所建立的疏水閥后溫降模型的精準(zhǔn)度較高，效果明顯，相較于原始數(shù)據(jù)的趨勢擬合是基本一致的，可以作為疏水閥門狀態(tài)評(píng)判的可靠依據(jù)。

圖3 串聯(lián)型混合模型結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of a tandem hybrid model

3 閥門狀態(tài)評(píng)判

針對(duì)閥門狀態(tài)的評(píng)判機(jī)制，引入有限狀態(tài)機(jī)的概念。有限狀態(tài)機(jī)[16]是表示有限個(gè)狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動(dòng)作等行為的數(shù)學(xué)模型，實(shí)則是一種邏輯模型，其表現(xiàn)形式有狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)移表，被應(yīng)用于編程、電路、協(xié)議、狀態(tài)評(píng)判等方面。

對(duì)于疏水閥門，其狀態(tài)可呈現(xiàn)出關(guān)閉狀態(tài)、正開狀態(tài)、全開狀態(tài)、正關(guān)狀態(tài)、中間狀態(tài)五種形態(tài)，系統(tǒng)在任意時(shí)刻都只會(huì)處于有限狀態(tài)集合中的某一狀態(tài)之下，并且這些不同狀態(tài)之間滿足一定的狀態(tài)變化邏輯。由此，建立疏水閥門的有限狀態(tài)機(jī)模型，將其用于疏水閥門狀態(tài)整體的管理機(jī)制上，即建立不同狀態(tài)之間的相互邏輯關(guān)系，當(dāng)外部條件發(fā)生變化時(shí)，由所建狀態(tài)機(jī)給出疏水閥門相應(yīng)的處理動(dòng)作或使其狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移。圖4為一個(gè)疏水閥門的有限狀態(tài)機(jī)模型。

圖4 疏水閥門的有限狀態(tài)機(jī)模型Fig.4 Finite state machine model of a hydrophobic valve

結(jié)合疏水閥門的有限狀態(tài)機(jī)模型圖，建立如表2所示的疏水閥門狀態(tài)判定表，對(duì)疏水閥門的5種不同狀態(tài)的定義、表現(xiàn)與判定以及狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件與邏輯進(jìn)行詳細(xì)的界定和說明。

表2 疏水閥門狀態(tài)判定Table 2 Determination of the status of the trap valve

由上述有限狀態(tài)機(jī)模型和狀態(tài)判定表，可以明確不同狀態(tài)之間的邏輯關(guān)系，便于對(duì)疏水閥門狀態(tài)的判定和管理，更加有效地對(duì)閥門狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測。

4 閥門狀態(tài)評(píng)判實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)有限狀態(tài)機(jī)和狀態(tài)評(píng)定表，針對(duì)某疏水閥門進(jìn)行狀態(tài)評(píng)判實(shí)驗(yàn)，可得到圖5所示的狀態(tài)評(píng)判結(jié)果（部分區(qū)間未進(jìn)行狀態(tài)標(biāo)注）。由圖5可清晰看出，所建立的有限狀態(tài)機(jī)模型和相關(guān)評(píng)判條件是合理的，對(duì)于疏水閥門的狀態(tài)評(píng)判是可行和有效的。

圖5 疏水閥門狀態(tài)評(píng)判結(jié)果圖Fig.5 Hydrophobic valve status evaluation result

5 結(jié)束語

以共性技術(shù)研究為基礎(chǔ)，通過換熱機(jī)理和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法相結(jié)合的方式，建立了疏水閥后溫降的混合模型，并將有限狀態(tài)機(jī)模型引入到疏水閥門的狀態(tài)評(píng)判中，結(jié)合所建混合模型，形成了疏水閥門狀態(tài)之間的邏輯評(píng)判準(zhǔn)則和機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各類疏水閥不同狀態(tài)的準(zhǔn)確評(píng)判和有效管理。因此，所做的基于閥后溫降模型的疏水閥狀態(tài)評(píng)判工作是可行和有益的，可以進(jìn)一步提高閥門壽命，保障機(jī)組運(yùn)行安全，增強(qiáng)節(jié)能降耗成效，具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。