田建文

（華能新疆吉木薩爾發(fā)電有限公司,新疆 昌吉市 831700）

火力發(fā)電設(shè)備在高速運(yùn)行過程中，受到運(yùn)行環(huán)境與條件等因素影響，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)與隱患[1]?？茖W(xué)合理的火力發(fā)電設(shè)備故障診斷與維修技術(shù)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的火力發(fā)電設(shè)備維修技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中仍然存在一定的不足，無法對(duì)設(shè)備失效模式作出準(zhǔn)確分析，且維修周期較長(zhǎng)，一定程度上增加了設(shè)備維修成本，降低了發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的綜合效益[2]。基于此，本文以M火力發(fā)電廠為例，對(duì)火力發(fā)電設(shè)備的維修技術(shù)作出了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為促進(jìn)火力發(fā)電廠的可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

1 火力發(fā)電設(shè)備維修技術(shù)研究

1.1 火力發(fā)電設(shè)備故障診斷

火力發(fā)電設(shè)備在高速運(yùn)行過程中，運(yùn)行狀態(tài)信息存在不同程度的變化。為了更好地開展火力發(fā)電設(shè)備優(yōu)化維修技術(shù)的研究，首先需要對(duì)火力發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行全方位的分析，診斷設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)下，是否存在故障問題，為后續(xù)的優(yōu)化維修提供基礎(chǔ)保障。

本文采用時(shí)頻分析方法，提取火力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)振動(dòng)信號(hào)。由于火力發(fā)電設(shè)備動(dòng)態(tài)振動(dòng)信號(hào)一般屬于非平穩(wěn)信號(hào)，信號(hào)采集的難度較高。利用高精度的振動(dòng)傳感器，確定設(shè)備動(dòng)態(tài)振動(dòng)信號(hào)的集中區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)采集信號(hào)[3]?；跁r(shí)頻分析與小波分解原理，對(duì)發(fā)電設(shè)備振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行劃分，根據(jù)信號(hào)振動(dòng)頻率的不同，劃分為發(fā)電設(shè)備高頻振動(dòng)信號(hào)與低頻振動(dòng)信號(hào)[4]?；鹆Πl(fā)電設(shè)備振動(dòng)信號(hào)分解結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 火力發(fā)電設(shè)備振動(dòng)信號(hào)分解示意圖

圖1中M表示火力發(fā)電設(shè)備原始振動(dòng)信號(hào)；aR表示具有近似分量的低頻振動(dòng)信號(hào)；aP表示具有細(xì)節(jié)分量的高頻振動(dòng)信號(hào)。受到火力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的影響，其振動(dòng)信號(hào)中存在部分多余的噪聲，不利于設(shè)備的故障診斷。因此，本文采用小波降噪方法對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，通過頻帶相對(duì)較窄的低通濾波器，過濾火力發(fā)電設(shè)備振動(dòng)信號(hào)中的噪聲，提取純凈振動(dòng)信號(hào)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)純凈振動(dòng)信號(hào)的固定閾值進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而獲取火力發(fā)電設(shè)備振動(dòng)信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化情況，計(jì)算公式為：

式中：δa表示火力發(fā)電設(shè)備純凈振動(dòng)信號(hào)固定閾值；φa表示具有細(xì)節(jié)分量的高頻振動(dòng)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差；Ra表示具有細(xì)節(jié)分量的高頻振動(dòng)信號(hào)與具有近似分量的低頻振動(dòng)信號(hào)的長(zhǎng)度和。根據(jù)火力發(fā)電設(shè)備振動(dòng)信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化、信號(hào)高、低頻信息，結(jié)合多尺度小波分解算法，對(duì)發(fā)電設(shè)備振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，反映發(fā)電設(shè)備與風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特征與運(yùn)行細(xì)節(jié)。將重構(gòu)信號(hào)與正常狀態(tài)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，若兩種信號(hào)之間差異較大且存在增大的趨勢(shì)，則表明此時(shí)火力發(fā)電設(shè)備存在故障隱患，應(yīng)當(dāng)對(duì)其作出診斷并進(jìn)行維修。

1.2 提取設(shè)備轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)信息熵特征

在上述火力發(fā)電設(shè)備故障診斷完畢后，接下來，基于發(fā)電設(shè)備能量分布與設(shè)備故障之間的映射關(guān)系，提取火力發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)信息熵特征，度量設(shè)備轉(zhuǎn)子的振動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而反映設(shè)備故障能量分布的特征。

建立火力發(fā)電設(shè)備故障可測(cè)集合，在集合中輸入轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)參數(shù)與信息熵特征指標(biāo)，描述設(shè)備振動(dòng)信號(hào)在不同區(qū)域中，轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)的能量分布復(fù)雜性。劃分故障可測(cè)集合的信息熵，其表達(dá)式為：

式中：W(B)表示故障可測(cè)集合的信息熵；)表示故障可測(cè)集合測(cè)度。根據(jù)火力發(fā)電設(shè)備故障可測(cè)集合信息熵，獲取發(fā)電設(shè)備離散的振動(dòng)信號(hào)序列，將其分為含有不同模式窗口的模式數(shù)據(jù)，共同映射為火力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行模式矩陣。通過運(yùn)行模式矩陣的動(dòng)態(tài)變化，分解設(shè)備轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)的奇異值，定義不同時(shí)域內(nèi)，設(shè)備振動(dòng)信號(hào)的奇異譜熵，反映火力發(fā)電設(shè)備振動(dòng)能量的不確定性，奇異譜熵表達(dá)式為：

式中：qi表示火力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行模式矩陣中第i個(gè)奇異值占奇異譜熵的比重；χi表示火力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行模式矩陣中第i個(gè)奇異值。奇異譜熵越小，表示火力發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)信息熵特征越簡(jiǎn)單，設(shè)備故障能量分布越集中。

1.3 建立預(yù)知性維修方式優(yōu)化模型

基于上述設(shè)備轉(zhuǎn)子振動(dòng)信號(hào)信息熵特征提取結(jié)束后，獲取火力發(fā)電設(shè)備故障能量分布狀況與特征。在此基礎(chǔ)上，基于火力發(fā)電設(shè)備故障模式與影響類型，建立設(shè)備預(yù)知性維修方式優(yōu)化模型，對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)備維修技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

根據(jù)火力發(fā)電設(shè)備功能故障的原因，選取對(duì)應(yīng)的故障檢修工作類型，對(duì)設(shè)備運(yùn)行能耗進(jìn)行排序處理，按照運(yùn)行能耗從小到大的順序排列，得出故障檢修工作的保守程度。將設(shè)備故障檢修工作類型與檢修保守程度輸入到預(yù)知性維修方式優(yōu)化模型中，基于火力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行效益與質(zhì)量最大化的原則，對(duì)設(shè)備故障維修方式進(jìn)行優(yōu)化，火力發(fā)電設(shè)備維修方式優(yōu)化流程，如圖2所示。

圖2 火力發(fā)電設(shè)備維修方式優(yōu)化流程

如圖1所示，火力發(fā)電設(shè)備故障維修方式包括定時(shí)維修與事后維修，根據(jù)設(shè)備故障對(duì)火力發(fā)電廠生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)造成的影響程度，選取對(duì)應(yīng)的優(yōu)化維修方式。在此基礎(chǔ)上，通過模型的預(yù)知性分析，得出火力發(fā)電設(shè)備故障維修次數(shù)與費(fèi)用之間存在的關(guān)系，評(píng)價(jià)設(shè)備維修的經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)而計(jì)算設(shè)備維修的產(chǎn)出比，公式為：

其中：tM表示火力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行生命周期內(nèi)產(chǎn)生的利潤(rùn)效益；Rt表示火力發(fā)電設(shè)備維修產(chǎn)生的費(fèi)用。設(shè)備維修產(chǎn)出比ζ值越大，表明其維修次數(shù)與費(fèi)用越少越好，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。將設(shè)備維修產(chǎn)出比值輸入到預(yù)知性維修方式優(yōu)化模型中，作為約束設(shè)備維修的定性條件。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，將設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行產(chǎn)生的利潤(rùn)效益分析結(jié)果以及繼續(xù)運(yùn)行產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)損失值分析結(jié)果輸入到模型中，與設(shè)備維修產(chǎn)出比進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而獲取設(shè)備維修的最佳次數(shù)與費(fèi)用參數(shù)?；诨鹆Πl(fā)電設(shè)備維修的最佳次數(shù)，選擇最佳維修時(shí)刻，表達(dá)式為：

其中：F(Ti,Δt) 表示從當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行時(shí)刻到維修時(shí)刻的時(shí)間段Δt內(nèi)，火力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的利潤(rùn)效益；Qa表示該時(shí)間段內(nèi)火力發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行收入；Qc表示該時(shí)間段內(nèi)火力發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行成本。通過該表達(dá)式可知，火力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行利潤(rùn)效益達(dá)到最大的故障維修時(shí)刻，即為設(shè)備的最佳維修時(shí)刻。通過預(yù)知性維修方式優(yōu)化模型，對(duì)火力發(fā)電設(shè)備停運(yùn)損失、維修時(shí)刻以及維修費(fèi)用作出全方位的分析，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行利潤(rùn)效益與質(zhì)量最大化為主要維修目標(biāo)，對(duì)火力發(fā)電設(shè)備進(jìn)行全面的維修。

2 對(duì)比分析

綜合上述內(nèi)容，為本文設(shè)計(jì)的火力發(fā)電設(shè)備維修技術(shù)的整體流程。在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述維修技術(shù)的可行性，進(jìn)行了如下文所示的試驗(yàn)。選取某地區(qū)M火力發(fā)電廠作為研究對(duì)象，該火電廠的裝機(jī)容量高達(dá)275.4萬KW，屬于高效環(huán)保的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)構(gòu)，是該地區(qū)的主要熱電中心。M火電廠中包含5臺(tái)燃煤發(fā)電機(jī)組、2臺(tái)蒸汽發(fā)電機(jī)組、燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組、燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)供熱機(jī)組，實(shí)現(xiàn)了火電廠全面背壓供熱的目標(biāo)?；痣姀S發(fā)電機(jī)組由汽輪機(jī)、循環(huán)水泵、空氣壓縮機(jī)、主變壓器、高壓給水泵、控制油泵、鍋爐本體等發(fā)電設(shè)備共同組成。發(fā)電設(shè)備均具有轉(zhuǎn)速快、生產(chǎn)自動(dòng)化的特征。M火電廠整體生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)規(guī)模龐大，火力發(fā)電設(shè)備的數(shù)量與種類較多，對(duì)于設(shè)備故障診斷與維修技術(shù)的要求較高?；诖耍瑢⑸鲜霰疚脑O(shè)計(jì)的設(shè)備優(yōu)化維修技術(shù)應(yīng)用到該火電廠中。

首先，綜合考慮火力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行過程中，外界約束條件與設(shè)備內(nèi)部擾動(dòng)因素對(duì)其運(yùn)行穩(wěn)定狀態(tài)產(chǎn)生的影響。統(tǒng)計(jì)發(fā)電設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下，運(yùn)行參數(shù)波動(dòng)與分布的規(guī)律，建立發(fā)電設(shè)備運(yùn)行辨識(shí)模型，全面反映發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行性能。提取火力發(fā)電設(shè)備蒸汽壓力穩(wěn)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)，與蒸汽壓力參數(shù)閾值進(jìn)行對(duì)比，判定火力發(fā)電設(shè)備蒸汽壓力穩(wěn)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)與蒸汽壓力參數(shù)閾值之間的關(guān)系，表達(dá)式為：

式中：δ表示火力發(fā)電設(shè)備蒸汽壓力參數(shù)閾值；m(i)表示火力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行至i時(shí)刻產(chǎn)生的蒸汽壓力穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)；表示一定時(shí)間段內(nèi)火力發(fā)電設(shè)備所有蒸汽壓力穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的平均值。通過計(jì)算，獲取火力發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行性能。在此基礎(chǔ)上，在火力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行中隨機(jī)選取300、600、900、1200、1500、1800個(gè)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過計(jì)算獲取各個(gè)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率值。在穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量不斷增加的趨勢(shì)下，繪制出穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)功率值的曲線變化圖，如圖3所示。

圖3 火力發(fā)電設(shè)備功率值與穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量變化關(guān)系

如圖3所示，在火力發(fā)電設(shè)備穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量逐漸增加的趨勢(shì)下，其數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率值也隨之增大，可知機(jī)組整體運(yùn)行功率良好，機(jī)組中各單元設(shè)備及熱力環(huán)節(jié)的質(zhì)量慣性較高。為了更加直觀地驗(yàn)證本文提出的維修技術(shù)的有效性，采用對(duì)比分析的實(shí)驗(yàn)方法，將本文設(shè)計(jì)的發(fā)電設(shè)備優(yōu)化維修技術(shù)，與文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[4]提出的維修技術(shù)進(jìn)行對(duì)比。設(shè)置火力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行的能耗率作為實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算三種維修技術(shù)應(yīng)用后，設(shè)備運(yùn)行能耗率的動(dòng)態(tài)變化，公式為：

式中：η表示火力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行能耗率；r表示發(fā)電設(shè)備運(yùn)行循環(huán)吸熱量； P 表示發(fā)電設(shè)備汽輪機(jī)組熱耗率； q 表示發(fā)電設(shè)備運(yùn)行單機(jī)組能耗率；φa表示發(fā)電設(shè)備管道運(yùn)行效率；φb表示發(fā)電設(shè)備鍋爐運(yùn)行效率。隨機(jī)選取M 火電廠中6 組不同故障特征的發(fā)電設(shè)備，對(duì)其進(jìn)行標(biāo)號(hào)處理，分別標(biāo)號(hào)為FDSB01、FDSB02、FDSB03、FDSB04 、FDSB05 、FDSB06。采用MATLAB 分析軟件與有限元分析軟件，測(cè)定三種維修技術(shù)應(yīng)用后，發(fā)電設(shè)備故障平均修復(fù)時(shí)間。對(duì)比維修后設(shè)備故障平均修復(fù)時(shí)間與運(yùn)行能耗率，結(jié)果如表1 所示。

表1 三種維修技術(shù)故障修復(fù)時(shí)間與能耗率對(duì)比

根據(jù)表1的對(duì)比結(jié)果可知，在三種火力發(fā)電設(shè)備維修技術(shù)中，本文設(shè)計(jì)的優(yōu)化維修技術(shù)，對(duì)于不同故障特征的火力發(fā)電設(shè)備來說，故障平均修復(fù)時(shí)間較短，最長(zhǎng)修復(fù)時(shí)間為8.13s，維修后設(shè)備運(yùn)行能耗率最大為3.52%，較另外兩種維修技術(shù)相比，優(yōu)勢(shì)顯著，可行性較高。

3 結(jié)語

通過上述研究，能夠得出以下幾個(gè)方面結(jié)論：

（1）通過圖3火力發(fā)電設(shè)備功率值與穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量關(guān)系圖可知，發(fā)電設(shè)備穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的功率值隨穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量的增多而增大，火力發(fā)電機(jī)組整體運(yùn)行功率良好，質(zhì)量慣性較高。

（2）通過表1的火力發(fā)電設(shè)備故障修復(fù)時(shí)間與能耗率對(duì)比結(jié)果可知，本文提出技術(shù)進(jìn)行發(fā)電設(shè)備維修，能夠在較短時(shí)間內(nèi)完成故障維修的目標(biāo)，且故障設(shè)備修復(fù)后，其運(yùn)行能耗率較低，運(yùn)行質(zhì)量與節(jié)能效果優(yōu)勢(shì)顯著。